DE69511327T2

DE69511327T2 - Turbomaschine mit Leiteinrichtungen mit variablem Winkel

Info

Publication number: DE69511327T2
Application number: DE69511327T
Authority: DE
Inventors: Hideomi Harada; Kazuo Takei
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1995-05-22
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2015-05-23
Also published as: EP0686774B1; US5618160A; CN1115011A; CA2149578A1; DE69511327D1; EP0886069A2; EP0686774A1; EP0886069A3; KR950033112A; KR100381464B1; CN1084849C

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Turbomaschinen, wie beispielsweise Zentrifugal- und Mischströmungspumpen, Gasgebläse und Kompressoren, und sie bezieht sich insbesondere auf Turbomaschinen mit Führungsvorrichtungen mit variablem Winkel.

Technisches Gebiet

Wenn konventionelle Zentrifugal- und Mischströmungspumpen bei Strömungsraten geringer als die Design- bzw. Konstruktionsströmungsrate der Pumpe betrieben werden, tritt eine Fluß- bzw. Strömungstrennung an Stellen auf, wie beispielsweise dem Laufrad oder dem Diffusor, was eine Erniedrigung der Druckanstiegsrate bewirkt, und Instabilitäten in den Rohren erzeugt, wie beispielsweise ein Phänomen, das "Druckstoss" bzw. "Wallung" genannt wird, was den Betrieb unmöglich macht.
Eine herkömmliche Herangehensweise zur Lösung dieses Problems ist es, ein Umgehungsrohr (Abblasrohr für Gebläse und Kompressoren) vorzusehen, um so, wenn eine niedrige Flußrate der Pumpe eine Betriebsinstabilität der Pumpe hervorrufen zu droht, ein Umgehungsrohr öffnen zu können, um den Fluß in der Pumpe beizubehalten, um den stabilen Betrieb beizubehalten und den Fluß zur Einrichtung zu reduzieren.
Jedoch ist es gemäß dieses Verfahrens notwendig, im Vorab die Flußrate abzuschätzen, die eine Betriebsinstabilität der Pumpe bewirkt, und den Schritt des Öffnens eines Ventils für das Umgehungsrohr vorzunehmen, wenn diese Flußrate erreicht wird. Demgemäß kann gemäß diesem Verfahren das ge samte Strömungsmittelsystem nicht genau gesteuert werden, wenn nicht die Strömungsrate bzw. Flußrate, bei der eine Instabilität hervorgerufen wird, genau bekannt ist. Ebenso ist es notwendig, die Betriebscharakteristika der Turbomaschine korrekt für verschiedene Drehzahlen bzw. Drehgeschwindigkeiten der Pumpe zu kennen, um genau das gesamte Strömungsmittelsystem zu steuern. Daher, wenn der Betrieb fortwährende Veränderungen der Drehzahl der Pumpe involviert, können solche Steuertechniken nicht mit den sich verändernden Bedingungen des Pumpenbetriebs Schritt halten.
Ferner, auch wenn der Instabilitätspunkt durch Betätigung des Ventils am Beipaßrohr vermieden wird, verändern sich die Betriebszustände der Pumpe selbst nicht, und die Pumpe wird ineffektiv betrieben und dies stellt einen verschwenderischen Energieverbrauch dar. Ferner erfordert diese Art der Herangehensweise eine Installation von Beipaßrohren und Ventilen und die Kosten des Systems werden erhöht.
US-A-4,546,618 bezieht sich auf ein Kapazitätssteuersystem für auf lnvertierer angetriebenen, Zentrifugalkompressor basierenden Wasserkältemaschinen. Einlaßführungsflügel sind gezeigt. Kühlmittel, das durch einen Verdampfer hindurch gegangen ist, wird an eine Ansaugleitung mit einer Vielzahl von Einlaßführungsflügeln für Vordrehflügel (PRV = pre-rotational vanes) gelenkt bzw. gegeben. Die Position der Führungsflügel wird durch einen kleinen PRV-Motor reguliert, der ein Steuersignal empfängt. Der Betrieb des Systems des '618 ist durch graphische Darstellung erklärt, und zwar wie die Oberflächen der konstanten PRV-Einstellungen auf eine Auftragung erscheinen, wo der Kompressordruck und die Ansaugströmungsrate gezeigt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der Probleme bei der existierenden Technologie gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Turbomaschine, die Diffusorflügel bzw. -schaufeln mit variablem Winkel besitzt, wobei die Turbomaschine in der Lage ist, über weite Strömungsraten betrieben zu werden durch Vermeidung des Instabilitätsphänomens, das durch den Betrieb der Vorrichtung bei Strömungsraten unterhalb der Konstruktionsströmungsrate hervorgerufen wird.
Das Ziel wird bei einer Turbomaschine erreicht, die folgendes aufweist: Ein Laufrad, um einem Strömungsmittelmedium Energie aufzuprägen und das Strömungsmittelmedium in einen Diffusor zu schicken; Diffusorflügel bzw. Diffusorschaufeln mit Schaufeln mit variablem Winkel, die am Diffusor für die Erhöhung eines Strömungsmitteldrucks des Strömungsmittelmediums vorgesehen sind; eine Drehvorrichtung zum Antrieb der Diffusorschaufeln; eine Strömungsratendetektionsvorrichtung zur Detektion von Einlaßströmungsraten, wobei ein Betriebswinkel der Diffusorschaufeln aus einer Einlaßströmungsrate bestimmt wird, die durch die Strömungsratendetektionsvorrichtung detektiert wurde, und zwar gemäß einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Einlaßströmungsraten und den Diffusorschaufelwinkeln, und eine Steuerung wird zum Antrieb der Drehvorrichtung betätigt, um die Diffusorschaufeln in den Betriebswinkel zu positionieren.
Gemäß der Turbomaschine treibt das Laufrad das Strömungsmittelmedium in den Diffusor mit einer Flußrate, die unterhalb der Konstruktionsflußrate sein kann. Die Turbomaschine detektiert die Einlaßströmungsrate der Turbomaschine und bestimmt einen Satz eines optimalen Schaufelwinkels der Diffusorschaufeln basierend auf der vorbestimmten Beziehung zwischen den Einlaßströmungsraten und den Diffusorschaufelwinkeln. Daher kann die Vorrichtung sogar bei Flußraten geringer als die Konstruktionsflußrate für die Vorrichtung betrieben werden.
Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf den folgenden Betrachtungen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Strömungsmittelflusses nahe dem Ausgang des Laufrades einer Turbomaschine (Kompressor). Die Flußrichtung der Strömungen, die aus dem Laufrad 2 fließen, sind durch drei Pfeile gezeigt, die mit A (bei der Konstruktionsflußrate), B (bei einer niedrigen Flußrate) und C (bei einer hohen Flußrate) bezeichnet sind. Wie deutlich aus dieser Zeichnung ersichtlich ist, liegt bei Flußraten anders als die Konstruktionsflußrate eine Fehlleitung des Flußstromes bezüglich der Orientierung der Diffusorschaufeln vor. Bei der hohen Flußrate C besitzt der Fluß einen negativen Auftreffwinkel auf der Druckseite der Diffusorschaufel 3a des Diffusors 3; und bei der geringen Flußrate besitzt sie einen positiven Auftreffwinkel auf die Ansaugseite der Diffusorschaufel 3a. Dieser Zustand erzeugt eine Flußtrennung, was zu dem Zustand führt, der in Fig. 2 gezeigt ist, und zwar daß der Diffusorverlust sowohl für höhere als auch für geringere Flußraten als die Konstruktionsflußrate ansteigt. Wenn die Flußrate zu niedrig wird, setzt eine Instabilität ein, und wenn die Flußrate noch weiter reduziert wird, kann ein Druckstoss auftreten. Ein Druckstoss induziert eine große Variation des Strömungsmitteldrucks in den Rohren und führt schließlich zur Betriebsunfähigkeit der Pumpe.
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß der Schaufelwinkel des Diffusors variabel gemacht wird, und wenn der Schaufelwinkel geeignet für den Flußwinkel des Austrittsflusses aus dem Laufrad eingestellt wird, beispielsweise Pfeil B in Fig. 1, dann wird der Diffusorverlust erniedrigt, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 gezeigt, sogar bei sehr geringen Flußraten. Daher wird ein Einsetzen der Instabilität vermieden, was den stabilen Betrieb der Pumpe bei niedrigen Flußraten ermöglicht und die Gesamtleistungsfähigkeit der Pumpe verbessert, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 gezeigt.
Gemäß den vorliegenden Untersuchungen des Effekts der Diffusorschaufeln ist der optimale Winkel der Diffusorschaufel im Austrittsbereich des Laufrades bezüglich der nicht-dimensionalen Einlaßflußrate des Laufrades ungefähr linear, wie in Fig. 4 gezeigt. Es wurde gezeigt, daß das Druckstosssphänomen durch Steuerung des Diffusorschaufelwinkels hinab bis zur Null-Flußrate vermieden werden kann.
Für eine Pumpe kann die Beziehung zwischen der Flußrate bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und dem Diffusorschaufelwinkel durch eine gerade Linie (N&sub1; in Fig. 4) angenähert werden. Für einen Kompressor ist die Beziehung zwischen der Flußrate der unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten und dem Diffusorwinkel abhängig von der Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit. Wie in Fig. 4 gezeigt, gibt es bei verschiedenen Geschwindigkeiten N&sub2;, ...N&sub4; jeweilige verschiedene lineare Beziehungen aufgrund der Kompressibilität der Gase. Die Steigung der Linien kann unter Verwendung von experimentellen Ergebnissen oder durch die Annahme bestimmter Bedingungen am Laufradausgang berechnet werden.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß wenn eine nicht-dimensionale Einlaßflußrate einer Pumpe unter einer Betriebsbedingung gefunden werden kann, ein optimaler Diffusorschaufelwinkel geeignet für diese Flußrate für irgendeinen Typ einer Turbomaschine gefunden werden kann.
Daraus resultiert, daß es möglich wird, das Einsetzen eines Druckstosses zu vermeiden und einen stabilen Betrieb der Turbomaschine vorzusehen, und zwar unter der Verwendung der nicht-dimensionalen ursprünglichen Einlaßflußrate und durch Erhalten des Diffusorschaufelwinkels daraus, und ferner durch Bestimmen eines optimalen Diffusorschaufelwinkels und Einstellen dieses Winkels an den Diffusorschaufeln bzw. der Diffusorschaufel unter Verwendung einer Steuerung zur Regulierung des Diffusorschaufelwinkels.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Turbomaschine, die folgendes aufweist: Ein Laufrad zum Aufprägen von Energie auf ein Strömungsmittelmedium und zum Beschicken des Strömungsmittelmediums in einem Diffusor; Einlaßführungsschaufeln bzw. eine Einlaßführungsschaufel, die stromaufwärts des Laufrads angeordnet ist; eine Betriebsparametereingabevorrichtung zur Eingabe von Betriebsparametern, die zum Erreichen eines spezifischen Betriebszustandes der Turbomaschine erforderlich sind; einen Rechenprozessor zur Berechnung eines Betriebswinkels der Einlaßführungsschaufel aus einer Einlaßflußrate und einem Druckwert, der durch Sensoren gemessen wird, um so den spezifischen Betriebszustand zu erreichen; und eine erste Antriebssteuerung für den Betrieb der Einlaßführungsschaufel, um die Einlaßführungsschaufel unter dem Betriebswinkel zu positionieren, der durch den Rechenprozessor berechnet wurde.
Dieser Aspekt der Erfindung basiert auf den folgenden Betrachtungen.
Alle Turbomaschinen können ähnlich behandelt werden, sobald die Betriebsbedingungen definiert wurden. Fig. 5 ist ein Graph zur Erklärung der Beziehung zwischen den Pumpencharakteristika und der Systemwiderstandskurve. Es wird angenommen, für den Beginn, daß die Leistfähigkeit der Pumpe bekannt ist, wenn der Einlaßführungsschaufelwinkel null ist.
Zuerst werden die Flußrate Q und der Druckwert H für den erforderlichen Pumpenbetrieb zur Berechnung des Flußkoeffizienten φ( = 4Q/(πD&sub2;²U&sub2;²)) und der Druckkoeffizient ψ( = gH/U&sub2;²) wird berechnet.
Durch die Annahme, daß die Kurve, die durch den Betriebspunkt (φ, ψ) und den Ursprung hindurchgeht, eine Kurve der zweiten Ordnung ist (wenn es einen festen Systemwiderstand gibt, wird dies durch den Schnittpunkt auf der ψ-Achse erhalten), wird der Koeffizient der Kurve erhalten. Die Koordinaten (φ', ψ') des Schnittpunkts der Kurve mit der bekannten Leistungsfähigkeitskurve der Pumpe bei dem Null-Schaufelwinkel wird durch Berechnung oder eine anderes Verfahren erhalten.
Aus dem Wert von φ', wird die Flußrate Q' durch die folgende Gleichung erhalten.
Q' = φ'πD&sub2;²U&sub2;/4
Bei die Fläche des Laufrades A&sub1;, sieht die folgende Gleichung die Einlaßaxialgeschwindigkeitskomponente Cm&sub1; am Laufrad aus der folgenden Gleichung vor:
Cm&sub1; = Q'/A&sub1; = φ,πD&sub2;²U&sub2;/4A&sub1;
Der Druckwert H' für die Pumpe wird aus dem Unterschied zwischen einem Produkt U&sub2;Cu&sub2;, das ein Produkt der Spitzengeschwindigkeit U&sub2; am Laufrad und der Tangentialkomponente Cu&sub1; der Absolutgeschwindigkeit ist, und eines Produkts U&sub1;Cu&sub1; erhalten, daß das Produkt der Geschwindigkeit U&sub1; am Laufradeinlaß und der Tangentialkomponente Cu&sub1; der Absolutgeschwindigkeit ist, und zwar aus der folgenden Gleichung:
H' = (U&sub2;Cu&sub2; - U&sub1;Cu&sub1;)/g
wobei hier
ψ' = gH'/U&sub2;²,
daher
ψ' = (U&sub2;Cu&sub2; - U&sub1;Cu&sub1;)/U&sub2;²
erhalten wird.
Da der Einlaßführungschaufelwinkel null ist, ist die Tangentialkomponente Cu&sub1; der Absolutgeschwindigkeit null. Daher ist die Tangentialkomponente Cu&sub2; der Absolutgeschwindigkeit am Laufradausgang durch die folgende Gleichung gegeben:
Cu&sub2; = U&sub2;ψ'
Gemäß den vorliegenden Untersuchungen wurde gefunden, daß die Tangentialkomponente Cu&sub2; der Absolutgeschwindigkeit nur von der Flußrate abhängt und unabhängig von dem Einlaßführungsschaufelwinkel ist.
Unter Verwendung dieser Ergebnisse ist der Wert des Betriebsparameters gegeben durch:
ψ = (U&sub2;²ψ' - U&sub1;Cu&sub1;)/U&sub2;² = ψ' - U&sub1;Cu&sub1;/U&sub2;²
Daher ist die Tangentialkomponente Cu&sub1; der Absolutgeschwindigkeit gegeben durch:
Cu&sub1; = (ψ' - ψ)U&sub2;²/U&sub1;
Der Winkel der Einlaßführungsschaufel zur Erfüllung der Betriebsparameter ist gegeben durch:
α = Arctan (Cu&sub1;/Cm&sub1;) = Arctan (A&sub1;(ψ' - ψ)U&sub2;/(D&sub2;²φ'U&sub1;)) = Arctan (A&sub1;(ψ' - ψ)U&sub2;/(D&sub2;D&sub1;rmsφ)
wobei D&sub1;rms die Wurzel aus der mittleren Quadratsumme des Durchmessers am Laufradeinlaß ist und folgendes definiert
k = A&sub1;/(D&sub2;D&sub1;rms)
und dann,
α&sub1; = Arctan (k(ψ' - ψ)/φ')
erhalten wird.
Gemäß der zuvor dargelegten Turbomaschine wird durch die Eingabe erforderlicher Zustände, wie beispielsweise einer Flußrate Q oder eines Drucks H, der am besten geeignete Einlaßführungsschaufelwinkel gemäß der zuvor genannten Formel berechnet, so daß die Turbomaschine so betrieben werden kann, daß sie ihre beste Leistungsfähigkeit zeigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Strömungsmittelflußzustände, die im Austrittsbereich des Laufrades vorliegen.
Fig. 2 stellt eine Beziehung zwischen der nicht-dimensionalen Flußrate und dem Diffusorverlust dar.
Fig. 3 stellt eine Beziehung zwischen der nicht-dimensionalen Flußrate und dem nicht-dimensionalen Druckkoeffizienten dar.
Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen der nicht-dimensivnalen Flußrate und dem Diffusorschaufelwinkel dar.
Fig. 5 ist ein Graph zur Erklärung einer Pumpleistungsfähigkeit und einer Systemwiderstandskurve der Pumpe.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Turbomaschine mit Schaufeln mit variablem Winkeln für einen einstufigen Zentrifugalkompressor.
Fig. 7 ist eine detaillierte Teilseitenansicht des Betätigers, der in Fig. 6 gezeigt ist.
Fig. 8 ist ein Fließdiagramm, das die Verfahrensschritte der Turbomaschine dieser Erfindung zeigt.
Fig. 9 ist ein logisches Flußdiagramm zur Bestimmung der Flußrate.
Fig. 10 zeigt die Ergebnisse einer Turbomaschine des Ausführungsbeispiels mit Schaufeln mit variablem Winkel.
Fig. 11 zeigt die Beziehungen zwischen der nicht-dimensionalen Flußrate und dem nicht-dimensionalen Druckkoeffizienten unter verschiedenen Schaufelwinkeln (oberer Graph); und zwischen der nichtdimensionalen Flußrate und der nicht-dimensionalen Effizienz bzw. den Wirkungsgrad bei verschiedenen Schaufelwinkeln (unterer Graph) bei der vorliegenden Turbomaschine.
Fig. 12 zeigt die Beziehungen zwischen der nicht-dimensionalen Flußrate und dem nicht-dimensionalen Druckkoeffizienten bei verschiedenen Schaufelwinkeln (oberer Graph); und zwischen der nichtdimensionalen Flußrate und der nicht-dimensionalen Effizienz bei verschiedenen Schaufelwinkeln (unterer Graph) bei der herkömmlichen Turbomaschine.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Turbomaschine mit Schaufeln mit variablem Winkel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 10 dargelegt.
Fig. 6 und 7 zeigen eine einstufige Zentrifugalturbomaschine, auf die die Schaufeln mit variablem Winkel anwendbar sind, wobei die Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Turbomaschine ist und Fig. 7 eine Teilseitenansicht der Vorrichtung ist. Die Turbomaschine nimmt einen Strömungsmittelstrom über ein Ansaugrohr 1 auf, und ein Laufrad 2 trägt dem Strömungsmittelfluß Energie auf, um den Strom zu einem Diffusor 3 zu erhöhen seines Drucks voranzutreiben. Der unter Druck stehende Strom wird aus einer Schnecke 4 zu dem Auslaßrohr 5 ausgestoßen. Im Ansaugrohr 1 sind eine Vielzahl von fächerförmigen Einlaßführungsschaufeln 6 entlang der Umfangsrichtung angeordnet und betriebsmäßig mit einem Betätiger 8 mittels einer Übertragungsvorrichtung 7 verbunden. Der stromaufwärts des Laufrades 2 angeordnete Diffusor 3 besitzt Diffusorschaufeln 3a, die betriebsmäßig mit einer Betätigungsvorrichtung 10 mittels einer Übertragungsvorrichtung 9 verbunden sind. Das Ansaugrohr 1 ist mit einem Flußsensor 11 zum Messen der Einlaßflußrate versehen, und das Ablaßrohr 5 ist mit einem Drucksensor 12 zum Messen des Ablaßdruckes (Kopfdruck bzw. Druck) versehen. Es gibt eine Steuervorrichtung 13 für den Betrieb der Betätigungsvorrichtungen 1, 10, und die Ausgangsanschlüsse des Flußsensors und des Drucksensors sind elektrisch damit verbunden.
Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm der Konfiguration der Steuerung 13. Wie in dieser Figur gezeigt, weist die Turbomaschine mit Schaufeln mit variablem Winkeln folgendes auf: Einen Rechenprozessorabschnitt U einschließlich eines Rechenabschnitts 21 für die Messung der Drehzahl der Turbomaschine, des Einlaßflußvolumens und des Druckanstieges und zum Bestimmen des optimalen Winkels der Diffusorschaufel 3a für das Einlaßflußvolumen, und einem Speicherabschnitt 22 zur Speicherung von zuvor bestimmter Betriebsparameter der Turbomaschine, wenn die Einlaßführungsschaufeln völlig geöffnet sind; eine Eingabevorrichtung 23 für die Eingabe der notwendigen Betriebsparameter für die Turbomaschine; eine erste Antriebssteuervorrichtung 24 zur Steuerung des Winkels der Einlaßführungsschaufel 6; eine zweite Antriebssteuervorrichtung 25 zur Steuerung des Winkels der Diffusorschaufeln 3a; und eine dritte Antriebssteuervorrichtung 26 zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Laufrads 2, d. h. der Drehzahl der Turbomaschine.
Die Turbomaschine ist für einen solchen Betrieb konstruiert, so daß die Vorrichtung unter den notwendigen Betriebsparametereingaben durch die Eingabevorrichtung 23 betrieben werden kann. Dies wird durch die Verwendung des Rechenprozessors U erreicht, der den Rechenabschnitt 21 und den Speicherabschnitt 22 aufweist, so daß der Winkel für die Einlaßführungsschaufel 6 bestimmt werden kann und die Einlaßführungsschaufeln 6 so betrieben werden, so daß die Schaufel 6 in den demgemäß bestimmten Winkel positioniert wird, ferner so daß die Diffusorschaufeln 3a so betrieben werden, daß die Diffusorschaufeln 3a auf einen geeigneten Winkel eingestellt werden, der von der Einlaßflußrate abhängt, und ferner zur Steuerung der Drehzahl der Turbomaschine, um einen stabilen Betrieb vorzusehen. Die Diffusorschaufelwinkeleinstellung wird später beschrieben.
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm für die Turbomaschine, so daß sie mit ihrer maximalen Betriebseffizienz betrieben werden kann, und zwar unter den Betriebsbedingungen, die spezifiziert wurden, ohne einen Druckstoss in das Betriebssystem einzuführen. Dies wird durch Einstellen des Winkels der Einlaßführungsschaufel 6 auf einen geeigneten Winkel erreicht, der für den Betrieb der Vorrichtung erforderlich ist, so daß die erforderlichen Betriebsbedingungen angetroffen werden, während die Diffusorschaufeln 3a zur Vermeidung eines Druckstosses in der Turbomaschine eingestellt werden. Der Winkel α für die Einlaßführungsschaufel 6 wird bezüglich der Betriebsparameter bestimmt: Der Drehzahl N des Laufrades 2, der erforderlichen Flußrate Q und des Druckes H.
Wenn die Turbomaschine mit der Fähigkeit einer variablen Drehzahl versehen ist, wird eine geeignete Geschwindigkeit in die Vorrichtung voreingegeben. In Schritt 1 werden die erforderliche Flußrate Q und der Druck H eingegeben; in Schritt 2 werden der Flußkoeffizient φ und der Druckkoeffizient ψ, berechnet. Als nächstes wird in Schritt 3 eine Kurve mit zweiter Ordnung, die durch den Flußkoeffizienten φ und den Druckkoeffizienten ψ hindurchgehen soll, berechnet; und in Schritt 4 wird der Schnittpunkt der Kurve mit dem Betriebscharakteristikpunkt φ', ψ' der Turbomaschine bei einem Null-Winkel der Einlaßfüh rungsschaufel berechnet; und in Schritt S wird der Winkel der Einlaßführungsschaufel gemäß der folgenden Gleichung berechnet.
α = Arctan (k(ψ' - ψ)/φ'), wobei k eine Konstante ist.
In Schritt 6 wird der Winkel der Einlaßführungsschaufeln 6 gesteuert; und in Schritt 7 wird geprüft, ob der Wert null ist (d. h. völlig geöffnete Schaufel). Wenn der Winkel nicht null ist, dann wird in Schritt 9 die Flußrate gemessen und die Parameter φ", ψ" berechnet. Als nächstes wird in Schritt 10 geprüft, ob der Druck geeignet oder nicht geeignet ist, und wenn der Druckwert nicht geeignet ist, wird in Schritt 11 α' berechnet; und in Schritt 12 wird die Größe (α - α') berechnet und der Steuerschritt kehrt zu Schritt 6 zurück.
Wenn der Winkel α in Schritt 6 null ist und die Turbomaschine nicht mit einer Drehzahlveränderungsfähigkeit versehen ist, kehrt der Steuerschritt zurück zu 1 zurück und setzt die Betriebsparameter zurück. Wenn die Turbomaschine mit der Fähigkeit der Geschwindigkeitsveränderung versehen ist, dann wird die Geschwindigkeit in Schritt 8 verändert und der Steuerschritt schreitet fort zu Schritt 9.
In Schritt 10, wenn der Druckwert geeignet ist, werden die Diffusorschaufeln 3a durch die dem Schritt 13 folgenden Schritte gesteuert. In Schritt 13 wird unter Verwendung des in Schritt 9 gemessenen Einlaßflußvolumens der Diffusorschaufelwinkel bestimmt, und zwar aus der Beziehung zwischen der nichtdimensionalen Einlaßflußrate und dem Diffusorschaufelwinkel, wie in Fig. 10 gezeigt. In Schritt 14 wird der Diffusorschaufelwinkel verändert. Die Flußrate und der Druckwert werden nach der Veränderung des Diffusorschaufelwinkels gemessen; und in Schritt 15 werden die Werte für φ", ψ" aus den gemessenen Werten berechnet. Im Schritt 16 wird geprüft, ob der Druck H einen geeigneten Wert hat, und wenn der Druckwert H nicht geeignet ist, kehrt der Steuerschritt zurück zu Schritt 11.
Der in Schritt 13 verwendete Graph aus Fig. 10 ist eine Summe der Daten, die im Kompressor erhalten wurden, und zeigt die nicht-dimensionale Flußra te, die durch das Teilen der Betriebsflußrate durch die Konstruktionsflußrate auf der x-Achse und des Diffusorschaufelwinkels auf der y-Achse erhalten wird. Dieser Graph zeigt die Diffusorschaufelwinkel für den stabilsten Betrieb des Kompressors, und zwar durch die Variierung des Diffusorschaufelwinkels bei jeweiligen Flußraten und Drehgeschwindigkeiten erhalten. Die Stabilität des Flusses wurde durch die Druckveränderungen beurteilt, die durch die Drucksensoren registriert wurden, die in den Rohren und im Pumpgehäuse, beispielsweise, angeordnet sind.
Fig. 10 zeigt experimentelle Ergebnisse, die in diesen Untersuchungen erhalten wurden: Die Kreise beziehen sich auf jene Ergebnisse, als die Dreh- Machzahl 1,21 war und die Einlaßführungsschaufel auf einen Null-Winkel eingestellt war; die Quadrate beziehen sich auf jene Ergebnisse, als die Dreh- Machzahl 0,87 war und die Einlaßführungsschaufel auf einen Null-Winkel eingestellt war. Die Dreiecke beziehen sich auf jene Ergebnisse, als die Dreh- Machzahl 0,87 war und die Einlaßführungsschaufel auf 60 Grad eingestellt war.
Demgemäß ist ersichtlich, daß die Diffusorschaufelwinkel für einen stabilen Betrieb der Turbomaschine nur von der Strömungsmittelflußrate abhängen, und sogar wenn der Einlaßführungsschaufelwinkel verändert wird, ein Druckstoss durch Einstellung des Diffusorschaufelwinkels ungefähr entlang der geraden Linie vermieden werden kann. Es ist ebenso ersichtlich, daß die Steigung der geraden Linie abhängig von der Dreh-Machzahl der Geschwindigkeit der Spitze des Laufrads ist, d. h. der Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit der Turbomaschine.
Fig. 11 und 12 zeigen einen Vergleich der Gesamtleistungscharakteristika der herkömmlichen Turbomaschine mit Festwinkeldiffusorschaufeln (Fig. 12) und der Leistungscharakteristika der Turbomaschine der vorliegenden Erfindung, die mit Diffusorschaufeln mit variablem Winkel versehen ist (Fig. 11). Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Turbomaschine in der Lage ist, sogar bei niedrigen Flußraten nahe der Abschneideflußrate stabil betrieben werden kann.
Das Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 6 bis 12 dargelegt ist, basiert auf einer einzelnen Einheit eines Rechenprozessors U, jedoch ist es zulässig, getrennte Rechenprozessoren für unterschiedliche Rechneranforderungen vorzusehen. Ebenso sind die Antriebssteuerungen in erste, zweite und dritte Antriebssteuerungen getrennt, jedoch können diese Funktionen gleichfalls gut mit einer Steuerung vorgesehen werden.

Claims

1. Turbomaschine mit einen variablen Winkel aufweisenden Strömungsführungsmitteln, die folgendes aufweist:

ein Laufrad, um einem Strömungsmedium Energie aufzuprägen;

eine Diffuserschaufelanordnung mit variablen Winkel aufweisenden Schaufeln vorgesehen auf einem Diffuser zur Vergrößerung des Strömungsmitteldrucks des Strömungsmediums, wobei die Diffuserschaufelanordnung das Strömungsmittelmedium ausgegeben vom Laufrad empfängt;

eine Drehvorrichtung zum Antrieb der Diffuserschaufeln;

eine Strömungsgeschwindigkeitsdetektionsvorrichtung zum Detektieren der Einlaßströmungsgeschwindigkeiten;

eine Drehvorrichtungssteuervorrichtung zur Betätigung der Drehvorrichtung;

ein Speichermedium, zu welchem der Zugriff durch die Drehvorrichtungssteuervorrichtung erfolgt, wobei das Speichermedium Daten enthält, welche eine vorbestimmte Beziehung zwischen den Einlaßströmungsgeschwindigkeiten und den Diffuserschaufelwinkeln repräsentiert, die derart bestimmt ist, um so die Instabilität der Strömung innerhalb der Turbomaschine zu minimieren, wobei die Drehvorrichtungssteuervorrichtung zum Antrieb der Drehvorrichtung betätigt wird, um die Diffuserschaufeln mit einem Betriebswinkel zu positionieren.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Daten durch einen experimentellen Prozeß erhalten werden.

3. Turbomaschine nach Anspruch 1, wobei ferner einen variablen Winkel besitzende Einlaßführungsschaufeln stromaufwärts gegenüber dem Laufrad vorgesehen sind und eine Schaufelwinkelsteuervorrichtung vorgesehen ist zur Steuerung der einen variablen Winkel besitzenden Einlaßführungsschaufeln auf einen ausgewählten Schaufelwinkel, wenn ein spezieller Druckwert nicht erreicht wird.

4. Turbomaschine nach Anspruch 1, wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

eine Einlaßführungsschaufel angeordnet stromaufwärts gegenüber dem Laufrad;

eine Betriebsparametereingangsvorrichtung zum Eingeben von Betriebsparametern erforderlich zum Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes der Turbomaschine;

ein Computerprozessor zum Berechnen eines Betriebswinkels der erwähnten Einlaßführungsschaufel auf einer Basis einer Einlaßströmungsgeschwindigkeit und eines Druckwertes gemessen durch Sensoren, um so den erwähnten bestimmten Betriebszustand zu erreichen; und

eine Antriebssteuervorrichtung zur Betätigung der Einlaßführungsschaufel, um die Einlaßführungsschaufel mit dem erwähnten Betriebswinkel zu positionieren, berechnet durch den Computerprozessor.

5. Turbomaschine nach Anspruch 4, wobei der Computerprozessor den erwähnten Betriebswinkel der Einlaßführungsschaufel auf der Basis eines Schnitts einer Bezugsleistungskurve, definiert durch die Strömungsgeschwindigkeit abhängig von Druckkoeffizienten und einer Kurve bestimmt, die durch einen erforderlichen Betriebspunkt läuft, und zwar in Assoziation mit der Strömungsgeschwindigkeit abhängig von Druckkoeffizienten an dem erwähnten erforderlichen Betriebspunkt.

6. Turbomaschine mit einen variablen Winkel aufweisenden Strömungsführungsmittel, wobei folgendes vorgesehen ist:

ein Laufrad zum Aufprägen von Energie auf ein Strömungsmedium;

eine Diffuserschaufelanordnung mit einen variablen Winkel besitzenden Schaufeln vorgesehen an einem Diffuser zur Erhöhung eines Strömungsmitteldrucks des Strömungsmittelmediums, wobei die Diffuserschaufelanordnung das von dem Laufrad abgegebene Strömungsmittelmedium empfängt;

eine Drehvorrichtung zum Antreiben der Diffuserschaufeln;

eine Strömungsraten oder Strömungsgeschwindigkeitdetektionsvorrichtung zum Detektieren der Einlaßströmungsgeschwindigkeiten oder -raten;

eine Drehvorrichtungssteuervorrichtung zum Betrieb der Drehvorrichtung;

ein Speichermedium, auf das die Drehvorrichtungssteuervorrichtung Zugriff besitzt, wobei das Speichermedium Daten enthält, welche eine vorbestimmte Beziehung zwischen den Einlaßströmungsraten und den Diffuserschaufelwinkeln repräsentiert, und zwar derart bestimmt, um so die Instabilität der Strömung innerhalb der Turbomaschine zu minimieren, wobei die erwähnte Drehvorrichtungssteuervorrichtung betätigt wird, um die Drehvorrichtung anzutreiben, um die Diffuserschaufeln mit einem Betriebswinkel zu positionieren;

und wobei die Daten erhalten werden durch einen experimentellen Prozeß, in dem die Instabilität durch die Fluktuationsgröße eines detektierten Wertes eines Sensors angeordnet innerhalb der Turbomaschine erhalten werden.

7. Turbomaschine nach Anspruch 6, wobei die erwähnten Daten eine annähernd lineare Beziehung zwischen den Einlaßströmungsgeschwindigkeiten und den Diffuserschaufelwinkeln repräsentieren.

8. Turbomaschine nach Anspruch 7, wobei eine Neigung der erwähnten annähernd linearen Beziehung zwischen den Einlaßströmungsraten und den Diffuserschaufelwinkeln bestimmt oder geregelt wird durch die Drehzahlen des Laufrades.

9. Turbomaschine nach Anspruch 6, wobei ferner eine Laufradantriebssteuervorrichtung vorgesehen ist zur Steuerung der Drehzahl des Laufrades, wobei die Laufradantriebsvorrichtungssteuervorrichtung eine Drehzahl des Laufrades einstellt, wenn ein bestimmter Druckwert nicht errreicht wird.

10. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine mit einen variablen Winkel aufweisenden Strömungsführungsmitteln zur Minimierung der Instabilität der Strömung innerhalb der Turbomaschine, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

Vorsehen eines Laufrades und Verwendung desselben, um einem Strömungsmittelmedium Energie aufzuprägen;

Vorsehen eines Diffusers innerhalb einer Diffuserschaufelanordnung mit einen variablen Winkel besitzenden Schaufeln vorgesehen an dem Diffuser, und Verwendung der Diffuserschaufelanordnung zur Erhöhung eines Strömungsmitteldrucks des Strömungsmittelmediums, wobei die Diffuserschaufelanordnung das Strömungsmittelmedium abgegeben vom Laufrad empfängt;

Vorsehen einer Drehvorrichtung und Verwendung der Drehvorrichtung zum Antrieb der Diffuserschaufeln;

Vorsehen einer Strömungsgeschwindigkeitsdetektionsvorrichtung und Verwendung derselben zum Detektieren der Einlaßströmungsgeschwindigkeiten;

Vorsehen einer Drehvorrichtungssteuervorrichtung zum Betrieb der Drehvorrichtung;

Vorsehen eines Speichermediums, zu welchem Zugriff durch die Drehvorrichtungssteuervorrichtung erfolgt, wobei das Speichermedium Daten enthält, welche eine vorbestimmte Beziehung repräsentieren, und zwar zwischen den Einlaßströmungsgeschwindigkeiten und den Diffuserschaufelwinkeln, die bestimmt ist, um so die Instabilität der Strömung innerhalb der Turbomaschine zu minimieren;

Betrieb der Drehvorrichtungssteuervorrichtung zum Antrieb der Drehvorrichtung zur Positionierung der Diffuserschaufeln mit einem Betriebswinkel.

11. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach Anspruch 10, wobei die erwähnten Daten durch einen Prozeß erhalten werden, bei dem die Instabilität durch die Fluktuationsgröße eines detektierten Wertes eines Sensors angeordnet innerhalb der Turbomaschine erhalten werden werden.

12. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach Anspruch 10, wobei die erwähnten Daten eine annähernd lineare Beziehung zwischen der Einlaßströmung und den Diffuserschaufelwinkeln repräsentiert.

13. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach Anspruch 12, wobei eine Neigung der erwähnten annähernd linearen Beziehung zwischen den Einlaßströmungsgeschwindigkeiten und den Diffuserschaufelwinkeln durch die Drehzahlen oder Drehgeschwindigkeiten des Laufrades gesteuert bzw. geregelt werden.