DE3605958A1 - Vorrichtung zum erfassen und beheben von abloeseschwingungen an verdichterschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen und Beheben von Ablöseschwingungen des Arbeitsfluids an Ver­ dichterschaufeln nach dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.

Die hier in Rede stehenden Ablöseerscheinungen, welche in der Regel als Verdichterpumpen bezeichnet werden, stellen eine in Turboverdichtern auftretende, periodisch pulsie­ rende Strömung dar, die mit großen Druckschwankungen ver­ bunden ist. Sie lassen sich physikalisch als eine selbst­ erregte Schwingung betrachten, wobei das Laufrad das ener­ gieübertragende Element darstellt, welches in dynamischer Wechselwirkung mit den mit dem Laufrad in Verbindung ste­ henden Volumenelementen, wie Rohrleitungen oder Speichern, tritt. Die Stabilitätsgrenze, an welcher das Verdichter­ pumpen eintritt, liegt dabei in Richtung der niedrigeren Massenströme. Das bedeutet, daß das Verdichterpumpen in aller Regel dann beginnt, wenn der auslegungsgemäße Mas­ senstrom durch äußere Einflüsse gedrosselt oder zurückge­ staut wird.

Die für das Verdichterpumpen charakteristischen starken Druckpulsationen in der gesamten Verdichteranlage führen aufgrund ihrer vorwiegend niedrigen Frequenzen zu einer starken Belastung aller Verdichterbauelemente, welche in vielen Fällen Ermüdungsbrüche zur Folge haben. Es ist da­ her von wesentlicher Bedeutung, das Verdichterpumpen mög­ lichst in seinem Entstehungsstadium zu unterdrücken.

Gemäß der DE-OS 20 49 338 ist zu diesem Zweck ein elektro­ magnetischer kapazitiver oder induktiver Geber vorgesehen, welcher die Schaufelspitzen eines Axialverdichters ab­ tastet. Mit einer elektronischen Auswertschaltung erkennt dieser Geber durch Schaufelschwingungen modifizierte Im­ pulsabstände und schließt daraus auf das Vorliegen von Ab­ löseerscheinungen an den Verdichterschaufeln. In diesem Falle steuert die Auswertschaltung eine Vorrichtung zur Beseitigung der Strömungsablösung an, wie z.B. ein Aus­ laßventil, verstellbare Leitschaufeln oder eine Wasserein­ spritzung. Diese bekannte, im wesentlichen nur bei Axial­ verdichtern verwendbare Vorrichtung erfordert eine relativ aufwendige Auswertschaltung, und ist trotzdem nur zu einer verhältnismäßig ungenauen Erfassung des Auftretens von für den Verdichter schädlichen Ablöseerscheinungen in der Lage. In vielen Fällen und insbesondere bei Radialverdichtern, sind die Schaufeln sehr klein bzw. fest mit dem Gehäuse ver­ bunden, so daß die Schaufelschwingungen entsprechend gering sind und unterhalb von Meßgrenzwerten herkömmlicher Meß­ techniken liegen. Aus diesem Grund ist das vorgeschlagene Verfahren nur in wenigen Fällen anwendbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art in der Weise weiter zu ent­ wickeln, daß sie sowohl für Axial- als auch für Radialver­ dichter verwendbar und in der Lage ist, das Auftreten von Ablöseerscheinungen mit einfachen Mitteln sicher zu erfas­ sen, so daß für den Verdichter schädliche Druckstöße be­ reits im Entstehungsstadium unterbunden werden können.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel erörtert wird. Es zeigen

Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in halbschema­ tischer Darstellung am Beispiel eines Radialver­ dichters, und

Fig.2 ein Diagramm des Zusammenhanges zwischen den für das Auftreten von Ablöseerscheinungen maßgeblichen Massenstrom und dem bei dem jeweiligen Massenstrom auftretenden Schallpegel.

Gemäß Fig.1 ist einer Grundplatte 1 die Achse 2 des Schaufelrades 3 eines Radialverdichters gelagert. Das Schaufelrad 3 ist mittels einer Schraube 4 an der Achse 2 befestigt.

An die Grundplatte 1 ist ein Verdichtergehäuse 5 ange­ setzt, welches einen Saugstutzen 6 umschließt. Am vorderen Ende des Verdichtergehäuses 5 ist ein Saugrohr 7 befestigt. Der Saugstutzen 6 bildet zusammen mit dem Saugrohr 7 einen Saugkanal 6 a, 7 a.

Am äußeren Umfang des Verdichtergehäuses 5 ist in der übli­ chen Weise ein spiralförmiger Druckkanal 5 a ausgebildet, welcher in ein in der Figur nicht dargestelltes Druckrohr mündet.

Zwischen der Innenwand des Verdichtergehäuses 5 und der Außenwand des Saugstutzens 6 ist ein Bypass-Kanal 6 b ein­ geschlossen, der mittels Öffnungen 6 c des Druckstutzens 6 mit dem Ansaugkanal 6 a des Verdichters verbunden ist. Gegenüber dem Druckkanal 5 c des Verdichters ist der Bypass- Kanal 6 c mittels eines in Achsrichtung des Schaufelrades beweglichen Ventilringes 8 abgeschlossen. Zur Bewegung des Ventilringes 8 dienen Druckstangen 9, welche, wie in der Figur schematisch angedeutet, in getrieblicher Ver­ bindung mit einem Betriebsmagneten 10 stehen.

Zum Antrieb des Schaufelrades 3 dient ein drehzahlgere­ gelter Antriebsmotor 11. Sowohl der Antriebsmotor 11, als auch der Betätigungsmagnet 10 sind mittels Steuerleitungen 13-16 an eine Steuereinheit 12 angeschlossen. Die Strom­ versorgung der Steuereinheit 12 erfolgt über Netzleiter 17 und 18, an welche die Steuereinheit mittels Verbin­ dungsleitungen 19 und 20 angeschlossen ist. Die Steuer­ einheit 12 ist außerdem mittels Verbindungsleitungen 21 und 22 mit Steuerleitungen 23 und 24 verbunden, an der Zu­ leitungen 25 und 26, sowie 27 und 28 liegen. Die Zulei­ tungen 25-28 schließen je einen an dem Ansaugkanal 7 a bzw. am Druckkanal 5 c angeordneten Schalldruckaufnehmer 29 und 30 an die Steuerleitungen 23 und 24 an. Natürlich könnten, je nach der gewählten Auswertmethode, die Schalldruckauf­ nehmer auch einzeln mit der Steuereinheit verbunden sein, wobei einer der beiden Schallaufnehmer aus Ersparnisgrün­ den auch ganz entfallen könnte. Versuche haben gezeigt, daß die Anordnung des Schallaufnehmers im Saugkanal oder Druckkanal zu praktisch identischen Ergebnissen führt, so daß entweder einer der beiden Schallaufnehmer allein, oder, zur Steigerung der Meßsicherheit durch Mittelwert­ bildung, beide Schallaufnehmer gleichzeitig ausgewertet werden können.

Als Schallaufnehmer kann ein handelsüblicher, geeigneter dynamischer Druckaufnehmer bzw. Mikrophon dienen, welches körperschallisoliert gehaltert ist und dadurch die Ein­ flüsse hochfrequenter, beispielsweise von den Drehgeräu­ schen herrührender Schallanteile eliminiert. Zur weite­ ren Ausfilterung von Störgeräuschen wird der Meßfrequenz­ bereich des Mikrophones auf den Bereich von OHz bis etwa 100 Hz begrenzt. Der Schallpegel, für den das Mikrophon ausgelegt sein muß, liegt bei üblichen Turboverdichtern etwa zwischen 80 dB und 160 dB.

Aus dem Diagramm gemäß Fig.2 ersieht man, daß der in den Förderkanälen herrschende Schallpegel mit abnehmendem Massenstrom zunächst linear abnimmt. Mit weiterer Abnah­ me des Massenstroms tritt ein steiler Anstieg des Schall­ pegels ein, der, wie entsprechende Versuchsreihen gezeigt haben, eindeutig dem Auftreten von Ablöseerscheinungen an den Verdichterschaufeln zugeordnet ist.

Mittels des erfindungsgemäß in einen Förderkanal des Ver­ dichters eingesetzten Schallaufnehmers läßt sich daher der Beginn des sogenannten Verdichterpumpens mit großer Genauigkeit feststellen, wodurch auch die Einleitung von Gegenmaßnahmen zu einem sehr frühen Zeitpunkt erfolgen kann.

Wie aus Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist, kann die Einlei­ tung von Gegenmaßnahmen auf verschiedene Weise erfolgen. Einmal läßt sich mittels eines in der Steuereinheit 12 enthaltenen Signaldiskriminators die absolute Höhe des von den Schalldruckaufnehmern erfaßten Schallpegels fest­ stellen, wobei der Schalldiskriminator auf den in Fig.2 durch die Linie m gekennzeichneten Minimum-Schallpegel eingestellt ist. Dieser minimale Schallpegel liegt beim Betriebspunkt P vor, an welchem zugleich die optimalen Betriebsbedingungen des Verdichters herrschen. Wenn die­ ser Schallpegel überschritten wird, deutet dies, unter der Voraussetzung einer zunächst konstant bleibenden Ver­ dichterdrehzahl, darauf hin, daß sich der Massenstrom aufgrund eines für die betreffende Drehzahl zu großen oder zu kleinen äußeren Widerstandes verändert hat. In beiden Fällen können Ablöseerscheinungen an den Ver­ dichterschaufeln, beispielsweise durch die in diesem Falle vom Diskriminator eingeleitete Drehzahländerung oder die Öffnung des Bypass-Ventiles verhindert werden.

Eine weitere Beeinflussung des Massenstromes ist in an sich bekannter Weise gesteuert durch den Diskriminator, durch Drosselung, Vordrallveränderung und Verstellung der Laufradschaufeln eines Axialverdichters möglich.

Eine differenziertere Steuerwirkung läßt sich mittels eines Signaldiskriminators erzielen, der das Maß der zeitlichen Änderung des Schallpegels feststellt. Wie wiederum aus Fig.2 ersichtlich ist, nimmt die Steigung der den Zusammenhang zwischen dem Massenstrom und dem Schallpegel wiedergebenden Funktion weder links von einer Linie r ₁, noch rechts von einer Linie r ₂ einen höheren als den Wert α ₀ an. Lediglich zwischen den besagten Li­ nien ergeben sich wesentlich höhere Steigungswerte α _r . In diesem zwischen den Linien r ₁ und r ₂ liegenden Gebiet, welches in unmittelbarer Nähe des durch die Linie b ge­ kennzeichneten optimalen Betriebsgebietes beginnt, ist somit eine sehr schnell ansprechende Regelung der Mittel zur Unterdrückung von Ablöseerscheinungen mittels des die zeitliche Änderung des Schallpegels erfassenden Sig­ naldiskriminators möglich.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Erfassen und Beheben von Ablöse­ schwingungen des Arbeitsfluids an Verdichterschau­ feln, bei welcher der jeweilige Betriebszustand des Verdichters mittels eines Sensors erfaßt wird, der eine Stelleinrichtung zur Einleitung von die Ablöse­ schwingungen dämpfenden Maßnahmen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor mindestens ein in den Förderkanal (5 a, 7 a) des Verdichters eingesetzter, körperschall­ isoliert an der Kanalwand befestigter Schalldruck­ aufnehmer (29, 30) dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldruckaufnehmer (29, 30) von einem zur Aufnahme von akustischen Frequenzen im Förderfluid im Bereich von etwa 0,1 Hz bis 1000 Hz, vorzugsweise im Bereich von 10 Hz bis 100 Hz, bei Schalldruck­ pegeln von 80 dB bis 160 dB geeigneten dynamischen Druckaufnehmer bzw. Mikrophon gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldruckaufnehmer (29, 30) an einen Signaldiskriminator (12) angeschlossen ist, welcher beim Überschreiten eines vorgegebenen Schallpegels ein Steuersignal abgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldruckaufnehmer (29, 30) an einen Signal­ diskriminator (12) angeschlossen ist, der in Abhängig­ keit von der zeitlichen Änderung des Schallpegels ein Steuersignal abgibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldiskriminator (12) einen drehzahlgere­ gelten Antriebsmotor (11) für den Verdichter steuert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldiskriminator (12) ein Bypass-Ventil (8, 9, 10) für den vom Verdichter geförderten Massen­ strom steuert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldiskriminator (12) eine Drossel­ klappe oder einen Schieber in der Anlage steuert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldiskriminator (12) eine Vordrallein­ richtung des Verdichters betätigt (bzw. steuert).

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaldiskriminator (12) den Antriebsmotor für die Laufschaufelverstellung des Verdichters steuert.