WO2015043915A1 - Verfahren zum betreiben einer strömungsmaschine, in der eine mechanische störung auftritt, und strömungsmaschine mit einer vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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Hans-Gerd Brummel
Dirk Grieshaber
Carl Udo Maier
Uwe Pfeifer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2270/804—Optical devices

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a turbomachine with at least one turbomachine stage, in which a mechanical fault occurs, as well as a turbomachine with a device for carrying out the method.
  • Rotary shaft (drive or output shaft). Rotor blades, vanes or blades are arranged on the rotary shaft and are shaped in such a way that a pressure difference ( ⁇ ) between the front side and the rear side of the rotor wheel results in the fluid flow (volume flow)
  • turbocompressors arises in the
  • Turbomachine stage a sudden, periodic stall.
  • turbomachines have so-called pump limit controls and a pump protection. This is done via complex measurements of differential pressures,
  • a pump control limit line is calculated, which is located due to the measurement inaccuracies in a safe distance from the actual surge line.
  • the determination of the occurrence of the pumping also takes place via the measurement of pressure fluctuations and
  • Object of the present invention is to show how a mechanical failure of a turbomachine can be detected easily and quickly, and how the turbomachine can be safely operated
  • a method for operating a turbomachine with at least one turbomachine stage is specified, the at least one rotation shaft
  • a turbomachine with at least one turbomachine stage is specified, which has at least one rotary shaft, wherein the
  • Turbomachine has a device for carrying out the method.
  • the turbomachine is, for example, a turbocompressor, which has several compressor stages
  • the basic idea of the invention is, in the operation of the turbomachine on the rotational shaft of the
  • Turbomachine stage to measure applied torque.
  • the measurement of the torque is preferably carried out
  • At least one operating parameter of the turbomachine stage is adjusted. For example, based on the change in the
  • Torque changes the flow rate of the fluid with which the turbomachine or the turbomachine stage is operated. It is also conceivable to change a speed with which the rotary shaft of the turbomachine stage is operated. Thus, the turbomachine or the turbomachine stage could be undercut or switched off (speed 0).
  • the method can be used for a single-stage turbomachine.
  • the turbomachine has only one turbomachine stage.
  • a multistage turbomachine with at least one further turbomachine stage, which has at least one further rotary shaft is used as turbomachine.
  • the turbomachine has at least one further turbomachine stage with at least one further rotary shaft.
  • the rotation shaft and the further rotation shaft are identical.
  • such a multi-stage turbomachine is a multi-stage turbocompressor.
  • a ' detecting a further time change of a further torque of the further rotation shaft and b 1 ) changing at least one further operating parameter of the further turbomachine stage as a function of the further time change of the further torque.
  • Torque is preferably independent of each other.
  • Turbomachine stage and the further mechanical disturbance of the further turbomachine stage can be causally related, for example, by a mechanical disturbance of the entire turbomachine.
  • a periodic, mechanical disturbance is used as a mechanical disturbance and / or as a further mechanical disturbance.
  • the mechanical fault is based, for example, on the "pumping" described at the outset
  • the method measures the change in the torque ⁇ over a defined period of time ⁇ t.
  • the following relationship applies:
  • Pumgrenzventil immediately (without delay) open until the value k again falls below the threshold kl. A pump limit is performed.
  • the measured time signal of the torque is continuously transformed into the frequency domain using suitable methods.
  • a suitable method is, for example, the
  • the mechanical disturbance and / or the further mechanical disturbance are caused by penetration of at least one foreign body into the turbomachine. For example, dust or sand gets into the turbomachine or into the
  • a torque sensor for detecting the temporal change are on the rotary shaft the torque of the rotary shaft and / or arranged on the further rotation shaft, a further torque sensor for detecting the further change in time of the further torque of the further rotation shaft.
  • Torque and other torque or their temporal changes can be detected independently.
  • At least one of the torque sensors is preferably arranged directly on the respective rotation shaft. With the help of the torque sensor, the torque on the rotary shaft is measured directly.
  • a compressor on several compressor stages, each with a compressor housing.
  • Compressor housing has surge limit valves. For each of the compressor housing is separately the torque as
  • a non-contact measuring method is performed to detect the torque of the rotary shaft and / or to detect the further torque of the further rotary shaft.
  • the torque sensor and / or the further torque sensor are non-contact torque sensors.
  • non-contact measuring method for example, an optical measuring method is performed.
  • the non-contact measuring method is preferably carried out with the aid of a magnetoelastic torque sensor.
  • non-contact torque sensor is a magneto-elastic torque sensor.
  • Magnetoelasticity is based on a change in the
  • ferroelectric material For example, there is a ferroelectric coating of the rotary shaft fixedly connected to the rotary shaft
  • turbomachine from the group gas turbine, steam turbine, turbocharger, pump, compressor and hydroturbine is selected.
  • the turbomachine from the group gas turbine, steam turbine, turbocharger, pump, compressor and hydroturbine is selected.
  • the group gas turbine, steam turbine, turbocharger, pump, compressor and hydroturbine is selected.
  • Turbomachine a compressor, in particular a
  • Turbo compressors Under turbo compressors are understood both mechanically driven compressors in the oil and gas sector as well as combined machines for energy conversion such as gas turbines.
  • Various parameters are conceivable as operating parameters or as further operating parameters of the turbomachine.
  • a volume flow of the fluid which is applied to the turbomachine stage, with which the
  • Turbomachine stage is operated, and / or a
  • Speed is used, with which the rotary shaft of the turbomachine stage is driven.
  • Operating parameter is, for example, a position of valves and baffles for the fluid with which the
  • FIG. 1 shows a single-stage single-shaft compressor.
  • FIG. 2 shows a multi-stage single-shaft compressor.
  • FIG. 3 shows a transmission compressor.
  • FIG. 4 shows a compressor characteristic curve
  • Figure 5 shows a torque as a function of time.
  • FIG. 6 shows, starting from FIG. 5, the torque change per time.
  • turbomachine 1 in the form of a
  • the compressor stage 11 has a rotary shaft 111.
  • the torque sensor 112 On the rotary shaft 111 is a torque sensor 112 for detecting the time change of the torque Arranged rotary shaft.
  • the torque sensor 112 is a magneto-elastic torque sensor.
  • the turbocompressor 1 has a device 100 for
  • Turbo compressor 1 with the following method steps on: a) detecting a time change of a torque of the rotary shaft 111 and
  • the rotary shaft 111 is made of ferroelectric material.
  • the rotary shaft 111 has a fixed one connected to the rotary shaft 111
  • At least one operating parameter of the compressor stage 11 is varied.
  • a pump control 118 is used.
  • the operating parameter is the rotational speed 115 of the rotary shaft 111, which is variable via the control of the motor 13, and / or the volume flow of the fluid, which over the
  • Volumetric flow meter is changeable.
  • the turbocompressor 1 is a (axially or radially operated) single-shaft compressor (compressor with only one rotary shaft) with only one compressor stage ( Figure 1).
  • turbocompressor 1 is a multi-stage single-shaft compressor ( Figure 2). Of the Turbo compressor 1 has a turbocompressor stage 11 and at least one further turbocompressor stage 12.
  • the rotary shaft 111 of the compressor stage 11 and the further rotary shaft 121 of the further compressor stage 12 form a common rotary shaft.
  • a further magnetoelastic torque sensor 122 is arranged at the further compressor stage 12. With the help of the further torque sensor 122, the further torque in the region of the further rotation shaft 121 is tapped.
  • the torque sensor 112 and the further torque sensor 122 are operated independently of each other.
  • the turbocompressor 1 is a transmission compressor (FIG. 3).
  • the compressor stage 11 and the further compressor stage 12 are connected to each other via a gear 14.
  • Rotary shaft 111 coupled.
  • the torque of the rotary shaft 11 is over the
  • Torque sensor 112 and the further torque of the further rotation shaft 12 via the further torque sensor 122 measured.
  • ELA adjustable inlet guide apparatus
  • ALA adjustable outlet guide apparatus
  • Other components include a flow meter 330 and devices for measuring the individual Compressor stages 11 and 12 applied pressure differences 340 and 350th
  • Compressor characteristic 400 outlined. Plotted is the

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen-Stufe. Gemäß dem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: a) Erfassen einer zeitlichen Änderung eines Drehmoments der Rotations-Welle und b) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Drehmoments. Vorzugsweise wird das Drehmoment magnetoelastisch gemessen. Darüber hinaus wird eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen- Stufe angegeben, die mindestens eine Rotations-Welle aufweist, wobei die Strömungsmaschine eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufweist. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Turboverdichter, der mehrere Verdichter-Stufen (Strömungsmaschinen-Stufen) aufweist. Jede der Verdichter-Stufen kann separat geregelt werden. Mit der Erfindung sind effiziente Pumpbegrenzung und effizienter Pumpschutz möglich.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, in der eine mechanische Störung auftritt, und Strömungsmaschine mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen- Stufe, in der eine mechanische Störung auftritt, sowie eine Strömungsmaschine mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Bei einer Strömungsmaschine wird Energie durch ein strömendes Fluid (Gas oder Flüssigkeit) übertragen. Die
Energieübertragung erfolgt dabei über ein Laufrad mit
Rotations-Welle (Antriebs- oder Abtriebs-Welle) . An der Rotations-Welle sind Rotorblätter, Flügel oder Schaufeln angeordnet, die derart geformt sind, dass sich im Fluid-Strom (Volumenstrom) eine Druckdifferenz (Δρ) zwischen Vorderseite und Rückseite des Laufrads ergibt
Bei bestimmten Fahrbereichen der Strömungsmaschine,
beispielsweise Turboverdichter, entsteht in der
Strömungsmaschinen-Stufe (Verdichter-Stufe) ein plötzlicher, periodischer Strömungsabriss . Der Volumenstrom kollabiert schlagartig und baut sich danach wieder auf. Dieser Effekt äußert sich durch sogenanntes Pumpen, das in kurzer Zeit zu einer völligen Zerstörung der Strömungsmaschine führen kann.
Um das Pumpen zu verhindern, haben Strömungsmaschinen sogenannte Pump-Grenzregelungen und einen Pumpschutz. Dieser wird über komplexe Messungen von Differenzdrücken,
Volumenströmen und Temperaturen realisiert. Aus den
gemessenen Kenngrößen wird eine Pumpe-Regelgrenzlinie errechnet, die aufgrund der Mess-Ungenauigkeiten in einem Sicherheitsabstand von der eigentlichen Pumpgrenze entfernt liegt . Das Ermitteln des Auftretens des Pumpens erfolgt ebenfalls über die Messung von Druckschwankungen und
Volumenschwankungen. Die für die Messung dieser Kenngrößen angewandten Methoden sind relativ träge, aufwändig,
störanfällig und zudem nicht allzu genau.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine mechanische Störung einer Strömungsmaschine einfach und schnell erfasst werden kann, und wie die Strömungsmaschine sicher betrieben werden kann
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen- Stufe angegeben, die mindestens eine Rotations-Welle
aufweist. Gemäß dem Verfahren werden folgende
Verfahrensschritte durchgeführt:
a) Erfassen einer zeitlichen Änderung eines Drehmoments der Rotations-Welle und
b) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Drehmoments.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen-Stufe angegeben, die mindestens eine Rotations-Welle aufweist, wobei die
Strömungsmaschine eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufweist. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Turboverdichter, der mehrere Verdichter-Stufen
(Strömungsmaschinen-Stufen) aufweist .
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, im Betrieb der Strömungsmaschine das an der Rotations-Welle der
Strömungsmaschinen-Stufe anliegende Drehmoment zu messen. Die Messung des Drehmoments erfolgt dabei vorzugsweise
kontinuierlich. Dadurch lässt sich eine zeitliche Veränderung des Drehmoments erfassen. Auf der Grundlage der erfassten zeitlichen Veränderung des Drehmoments wird mindestens ein Betriebsparameter der Strömungsmaschinen-Stufe angepasst. Beispielsweise wird basierend auf der Veränderung des
Drehmoments der Volumenstrom des Fluids verändert, mit dem die Strömungsmaschine bzw. die Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird. Denkbar ist auch die Änderung einer Drehzahl, mit der die Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird. So könnte die Strömungsmaschine bzw. die Strömungsmaschinen-Stufe herzuntergefahren oder ausgeschaltet werden (Drehzahl 0) .
Das Verfahren kann für eine einstufige Strömungsmaschine angewendet werden. Die Strömungsmaschine verfügt lediglich über eine Strömungsmaschinen-Stufe.
In einer besonderen Ausgestaltung wird als Strömungsmaschine eine mehrstufige Strömungsmaschine mit mindestens einer weiteren Strömungsmaschinen-Stufe verwendet, die mindestens eine weitere Rotations-Welle aufweist. Die Strömungsmaschine weist mindestens eine weitere Strömungsmaschinen-Stufe mit mindestens einer weiteren Rotations-Welle auf. Dabei sind beispielsweise die Rotations-Welle und die weitere Rotations- Welle identisch. Es gibt lediglich eine gemeinsame Rotations- Welle der Strömungsmaschinen-Stufen. Beispielsweise ist eine derartige mehrstufige Strömungsmaschine ein mehrstufiger Turboverdichter .
Vorzugsweise werden dabei folgende weiteren
Verfahrensschritte durchgeführt:
a') Erfassen einer weiteren zeitlichen Änderung eines weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle und b1) Verändern mindestens eines weiteren Betriebsparameters der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit von der weiteren zeitlichen Änderung des weiteren Drehmoments.
Das Erfassen der zeitlichen Änderung des Drehmoments und das
Erfassen der weiteren zeitlichen Änderung des weiteren
Drehmoments erfolgt vorzugsweise unabhängig voneinander.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung werden die zeitliche Änderung des Drehmoments durch eine mechanische Störung der Strömungsmaschinen-Stufe und/oder die weitere zeitliche Änderung des weiteren Drehmoments durch eine weitere
mechanische Störung der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe hervorgerufen. Die mechanische Störung der
Strömungsmaschinen-Stufe und die weitere mechanische Störung der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe können ursächlich zusammenhängen, beispielsweise durch eine mechanische Störung der gesamten Strömungsmaschine.
In einer besonderen Ausgestaltung als mechanische Störung und/oder als weitere mechanische Störung eine periodische, mechanische Störung verwendet. Die mechanische Störung basiert beispielsweise auf dem eingangs beschriebenen „Pumpen". Die mechanische Störung wird durch einen
Strömungsabriss des Volumenstroms des Fluids hervorgerufen, mit dem die Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird.
Mit dem Verfahren wird die Änderung des Drehmoments ΔΜ über eine definierte Zeitspanne At gemessen. Es gilt folgender Zusammenhang :
ΔΜ/At = k (1)
Dabei ist k die Drehmoment-Änderung pro definierter
Zeitspanne und somit ein Kriterium zur Detektion oder zur Bewertung eines Pumpstoßes. Übersteigt der Wert k einen bestimmten Grenzwert kl, liegt ein sogenanntes Pumpen der Strömungsmaschinen-Stufe vor. In diesem Fall wird ein
Pumgrenzventil sofort (ohne Verzögerung) geöffnet bis sich der Wert k wieder unter den Grenzwert kl reduziert. Es wird eine Pumpbegrenzung durchgeführt.
Wird der zulässige Grenzwert kl nach einer bestimmten
Zeitspanne tl nicht erreicht oder überschreitet die Amplitude der Drehmomentänderung k einen weiteren Grenzwert k2 wird die Strömungsmaschinen-Stufe bzw. die Strömungsmaschine sofort abgeschaltet (Pumpschutz) . Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird eine Analyse im Frequenzbereich der periodischen, mechanischen Störung durchgeführt. Dadurch lässt sich eine weitere Verbesserung des Verfahrens erzielen. Das Verfahren wird um eine
Analysemethode im Frequenzbereich ergänzt. Zu diesem Zweck wird das gemessene Zeitsignal des Drehmoments mit geeigneten Methoden kontinuierlich in den Frequenzbereich transformiert. Eine geeignete Methode stellt beispielsweise die
Fouriertransformation dar. Das Auftreten bzw. der Beginn von Pumpphänomenen ist strömungstechnisch durch lokale
Strömungsabrisse und Ausbildung von großen umlaufenden
Turbulenzballen gekennzeichnet. Abhängig von
strömungstechnischen Parametern (beispielsweise
Reynoldszahl , ...) treten dabei lokal starke Druckpulsationen mit charakteristischer Frequenz auf. Sofern eine ausreichende akustische Kopplung zwischen Strömungsmedium (Fluid) und mechanischem Bauteil, das mit einer Rotations-Welle
mechanisch verbunden ist (beispielsweise Verdichter-Schaufeln einer Rotations-Welle) , werden diese Druckpulsationen vom mechanischen Bauteil auf die Rotations-Welle übertragen und können als charakteristische Frequenz im Spektrum detektiert werden .
Mit dem Verfahren können periodische, mechanische Störungen detektiert und reduziert werden. Denkbar ist aber auch, dass mit dem Verfahren allgemein auf eine mechanische Störung reagiert werden kann, die auf die Strömungsmaschine
einwirken. In einer besonderen Ausgestaltung werden die mechanische Störung und/oder die weitere mechanische Störung durch ein Eindringen mindestens eines Fremdkörpers in die Strömungsmaschine hervorgerufen. Beispielsweise gelangt Staub oder Sand in die Strömungsmaschine bzw. in die
Strömungsmaschinen-Stufen. Eine Vielzahl von Fremdkörpern (Staub-Partikel, Sand-Körner) verursachen die mechanische Störung .
In einer besonderen Ausgestaltung sind an der Rotations-Welle ein Drehmoment-Sensor zum Erfassen der zeitlichen Änderung des Drehmoments der Rotations-Welle und/oder an der weiteren Rotations-Welle ein weiterer Drehmoment-Sensor zum Erfassen der weiteren zeitlichen Änderung des weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle angeordnet. Drehmoment und weiteres Drehmoment bzw. deren zeitliche Änderungen können unabhängig voneinander erfasst werden. Zumindest einer der Drehmoment- Sensoren ist vorzugsweise unmittelbar an der jeweiligen Rotations-Welle angeordnet. Mit Hilfe des Drehmoment-Sensors wird das Drehmoment an der Rotations-Welle direkt gemessen. Beispielsweise weist ein Verdichter mehrere Verdichter-Stufen mit jeweils einem Verdichter-Gehäuse auf. Jedes der
Verdichter-Gehäuse besitzt Pumpgrenz-Ventile . Für jedes der Verdichter-Gehäuse wird separat das Drehmoment als
Drehmoment-Differenz zwischen Antriebs- und Abtriebswelle gemessen .
Vorzugsweise wird zum Erfassen des Drehmoments der Rotations- Welle und/oder zum Erfassen des weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle ein berührungsloses Mess-Verfahren durchgeführt. Der Drehmoment-Sensor und/oder der weitere Drehmoment-Sensor sind ein berührungsloser Drehmoment-Sensor.
Als berührungslose Mess-Verfahren wird beispielsweise ein optisches Mess-Verfahren durchgeführt. Vorzugsweise wird das berührungslose Mess-Verfahren mit Hilfe eines magnetoelastischen Drehmoment-Sensors durchgeführt. Der
berührungslose Drehmoment-Sensor ist ein magneto-elastischer Drehmoment-Sensor .
Magnetoelastizität basiert auf einer Änderung der
magnetischen Permeabilität eines ferroelektrischen Materials aufgrund von mechanischen Kräften, die auf das
ferromagnetische Material einwirken. Durch die Verwendung von magneto-elastischen Drehmoment-Sensoren ist es möglich, im Betrieb der Strömungsmaschine direkt Drehmomente zu messen.
Bisher war die direkte Messung des Drehmoments bei einem Verdichter im Betrieb nur mit erheblichem Aufwand möglich, z.B. durch auf der Rotations-Welle aufgebrachte Dehnungsmess- Streifen und eine Telemetrie zur Weiterleitung der
aufgenommenen Signale der rotierenden Rotations-Welle. Durch den Einsatz eines präzisen magneto-elastischen Drehmoment- Sensors, der keinerlei Kontakt zur Rotations-Welle hat und auch keine Behandlung der Rotations-Welle voraussetzt (z.B. Aufbringen von Dehnungsmess-Streifen auf der Rotations- Welle) , besteht die Möglichkeit, das beschriebene Verfahren auf einfache Weise direkt einzusetzen.
Im Hinblick auf das magneto-elastische Mess-Prinzip ist es besonders vorteilhaft, eine die Rotations-Welle der
Strömungsmaschinen-Stufe zu verwenden, die komplett aus ferroelektrischem Material besteht. Denkbar ist aber auch, dass die Rotations-Welle lediglich teilweise aus
ferroelektrischem Material besteht. Beispielsweise besteht eine ferroelektrische Beschichtung der Rotations-Welle, die fest mit der Rotations-Welle verbunden ist, aus
ferroelektrischem Material. Dabei wird sichergestellt, dass durch die Verbindung der ferroelektrischen Beschichtung und der Rotations-Welle das Drehmoment der Rotations-Welle auf die ferroelektrische Beschichtung übertragen werden kann. Durch die Übertragung des Drehmoments ändert sich die
Permeabilität des ferroelektrischen Materials der
ferroelektrischen Beschichtung. Es resultiert ein
detektierbares Signal, das einen Rückschluss auf das an der Rotations-Welle anliegende Drehmoment zulässt.
Das beschriebene Verfahren ist für alle Arten von
Strömungsmaschinen einsetzbar. Gemäß einer besonderen
Ausgestaltung wird die Strömungsmaschine aus der Gruppe Gasturbine, Dampfturbine, Turbolader, Pumpe, Verdichter und Hydroturbine ausgewählt. Vorzugsweise ist die
Strömungsmaschine ein Verdichter, insbesondere ein
Turboverdichter. Unter Turboverdichter werden dabei sowohl mechanisch angetriebene Kompressoren im Öl- und Gasbereich als auch kombinierte Maschinen zur Energieumwandlung wie Gasturbinen verstanden. Als Betriebsparameter oder als weiterer Betriebsparameter der Strömungsmaschine sind verschiedene Größen denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung wird als Betriebsparameter und/oder als weiterer Betriebsparameter ein an der Strömungsmaschinen- Stufe anliegender Volumenstrom des Fluids, mit dem die
Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird, und/oder eine
Drehzahl verwendet wird, mit der die Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe angetrieben wird. Weitere
Betriebsparameter ist zum Beispiel eine Stellung von Ventilen und Leitblechen für das Fluid, mit dem die
Strömungsmaschinenstufe betrieben wird.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine
maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt einen einstufigen Einwellen-Verdichter .
Figur 2 zeigt einen mehrstufigen Einwellen-Verdichter.
Figur 3 zeigt einen Getriebeverdichter. Figur 4 zeigt eine Verdichter-Kennlinie
Figur 5 zeigt ein Drehmoment als Funktion der Zeit.
Figur 6 zeigt ausgehend von Figur 5 die Drehmomentänderung pro Zeit.
Gegeben ist eine Strömungsmaschine 1 in Form eines
Turboverdichters mit mindestens einer Verdichter-Stufe
(Strömungsmaschinen-Stufe) 11. Die Verdichter-Stufe 11 weist eine Rotations-Welle 111 auf.
An der Rotations-Welle 111 ist ein Drehmoment-Sensor 112 zum Erfassen der zeitlichen Änderung des Drehmoments der Rotations-Welle angeordnet. Der Drehmoment-Sensor 112 ist ein magneto-elastischer Drehmoment-Sensor .
Der Turboverdichter 1 weist eine Vorrichtung 100 zur
Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben des
Turboverdichters 1 mit folgenden Verfahrensschritten auf: a) Erfassen einer zeitlichen Änderung eines Drehmoments der Rotations-Welle 111 und
b) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Strömungsmaschinen-Stufe 11 in Abhängigkeit von der
zeitlichen Änderung des Drehmoments.
Zum Erfassen der zeitlichen Änderung mit Hilfe des magnetoelastischen Drehmoment-Sensors 112 besteht die Rotations- Welle 111 aus ferroelektrischem Material. In einem
alternativen Ausführungsbeispiel weist die Rotations-Welle 111 eine fest mit der Rotations-Welle 111 verbundene
ferroelektrische Beschichtung auf. In Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Drehmoments wird mindestens ein Betriebsparameter der Verdichter-Stufe 11 variiert. Dazu wird eine Pump-Regelung 118 eingesetzt. Der Betriebsparameter ist die Drehzahl 115 der Rotations-Welle 111, die über die Ansteuerung des Motors 13 veränderbar ist, und/oder der Volumenstrom des Fluids, der über die
Volumenstrom-Messblende veränderbar ist.
Beispiel 1 : Der Turboverdichter 1 ist ein (axial oder radial betriebener) Einwellen-Verdichter (Verdichter mit nur einer Rotations- Welle) mit nur einer Verdichter-Stufe (Figur 1) .
Beispiel 2 :
Im Unterschied zum Beispiel 1 ist der Turboverdichter 1 ein mehrstufiger Einwellen-Verdichter (Figur 2) . Der Turboverdichter 1 verfügt über eine Turboverdichter-Stufe 11 und über mindestens eine weitere Turboverdichter-Stufe 12.
Die Rotations-Welle 111 der Verdichter-Stufe 11 und die weitere Rotations-Welle 121 der weiteren Verdichter-Stufe 12 bilden eine gemeinsame Rotations-Welle.
An der weiteren Verdichter-Stufe 12 ist ein weiterer magnetoelastischer Drehmoment-Sensor 122 angeordnet. Mit Hilfe des weiteren Drehmoment-Sensors 122 wird das weitere Drehmoment im Bereich der weiteren Rotations-Welle 121 abgegriffen.
Der Drehmoment-Sensor 112 und der weitere Drehmoment-Sensor 122 werden unabhängig voneinander betrieben.
Beispiel 3:
Der Turboverdichter 1 ist ein Getriebeverdichter (Figur 3) . Die Verdichter-Stufe 11 und die weitere Verdichter-Stufe 12 sind über ein Getriebe 14 miteinander verbunden. Über den
Motor 13 wird die Rotations-Welle 111 angetrieben. Über das Getriebe 14 ist die weitere Rotations-Welle 12 an die
Rotations-Welle 111 angekoppelt. Das Drehmoment der Rotations-Welle 11 wird über den
Drehmoment-Sensor 112 und das weitere Drehmoment der weiteren Rotations-Welle 12 über den weiteren Drehmoment-Sensor 122 gemessen . Über die verstellbare Eintrittsleitapparatur (ELA) 310 und die verstellbare Austrittsleitapparatur (ALA) 320 wird das zu verdichtende Fluid in den Getriebeverdichter eingebracht bzw. das verdichtete Fluid aus dem Getriebeverdichter wieder entfernt .
Weitere Bestandteile sind eine Volumenstrom-Messblende 330 sowie Vorrichtungen zur Messung der an den einzelnen Verdichter-Stufen 11 und 12 anliegenden Druckdifferenzen 340 und 350.
Mit Figur 4 ist eine mit der Erfindung resultierende
Verdichter-Kennlinie 400 skizziert. Aufgetragen ist die
Druckdifferenz Δρ als Funktion des Volumenstroms V. Mit der Erfindung resultiert die Pumpgrenze 400. Zum Vergleich ist die Pumpgrenze 500 eingezeichnet, die mit einer herkömmlichen Pumpgrenzregelung erhalten wird. Der Bereich 600
repräsentiert den mit der Erfindung zusätzlich nutzbaren Betriebsbereich .
Wenn eine ausreichende akustische Kopplung zwischen dem Fluid und der mit der Rotations-Welle verbundenen Turbinenschaufeln des Turboverdichters vorliegt, ändert sich durch die
Pumpstöße das Drehmoment ΔΜ 40 der Rotations-Welle (Figur
5) . Pumpstöße werden auf diese Weise detektierbar (Drehmoment als Ergebnis von Pumpstößen, 41) . Die daraus resultierende Drehmoment-Änderung (ΔΜ/At = k) pro Zeit als Kriterium zur Bewertung der Pumpstöße ist in Figur 6 dargestellt. Übersteigt der Wert k einen bestimmten Grenzwert kl (Alarmwert) , liegt Pumpen der Strömungsmaschinen-Stufe vor. Das Pumgrenzventil wird sofort geöffnet bis sich der Wert kl wieder unter eine zulässige Grenze reduziert. Es wird eine Pumpbegrenzung durchgeführt.
Wird der weitere Grenzwert k2 (Abschaltwert) überschritten, wird die Strömungsmaschinen-Stufe bzw. die Strömungsmaschine sofort abgeschaltet (Pumpschutz) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1) mit mindestens einer Strömungsmaschinen-Stufe (11), die
mindestens eine Rotations-Welle (111) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten :
a) Erfassen einer zeitlichen Änderung eines Drehmoments der Rotations-Welle (111) und
b) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Strömungsmaschinen-Stufe (11) in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Drehmoments.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Strömungsmaschine eine mehrstufige Strömungsmaschine mit mindestens einer weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12) verwendet wird, die mindestens eine weitere Rotations-Welle (121) aufweist
3. Verfahren nach Anspruch 2 mit folgenden weiteren
Verfahrensschritten :
a') Erfassen einer weiteren zeitlichen Änderung eines weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle (121) und b1) Verändern mindestens eines weiteren Betriebsparameters der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit von der weiteren zeitlichen Änderung des weiteren Drehmoments.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zeitliche Änderung des Drehmoments durch eine mechanische Störung der Strömungsmaschinen-Stufe und/oder die weitere zeitliche Änderung des weiteren Drehmoments durch eine weitere mechanische Störung der weiteren Strömungsmaschinen- Stufe hervorgerufen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als mechanische Störung und/oder als weitere mechanische Störung eine periodische, mechanische Störung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Analyse im
Frequenzbereich der periodischen, mechanischen Störung durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mechanische Störung durch einen Strömungsabriss eines
Volumenstroms eines Fluids hervorgerufen wird, mit dem die Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, wobei die mechanische Störung und/oder die weitere mechanische Störung durch ein Eindringen mindestens eines Fremdkörpers in die
Strömungsmaschine hervorgerufen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zum
Erfassen des Drehmoments der Rotations-Welle (111) und/oder zum Erfassen des weiteren Drehmoments der weiteren Rotations- Welle (121) ein berührungsloses Mess-Verfahren durchgeführt wird .
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das berührungslose Mess- Verfahren mit Hilfe mindestens eines magneto-elastischen Drehmoment-Sensors (121) durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei als
Betriebsparameter und/oder als weiterer Betriebsparamater ein an der Strömungsmaschinen-Stufe anliegender Volumenstrom eines Fluids, mit dem die Strömungsmaschinen-Stufe betrieben wird, und/oder eine Drehzahl verwendet wird, mit der die Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe angetrieben wird .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Strömungsmaschine (1) aus der Gruppe Gasturbine,
Dampfturbine, Turbolader, Pumpe, Verdichter und Hydroturbine ausgewählt wird.
13. Strömungsmaschine (1) mit mindestens einer
Strömungsmaschinen-Stufe (11), die mindestens eine Rotations- Welle (111) aufweist, wobei die Strömungsmaschine (1) eine Vorrichtung (100) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
14. Strömungsmaschine nach Anspruch 13, wobei die
Strömungsmaschine (1) mindestens eine weitere
Strömungsmaschinen-Stufe (12) mit mindestens einer weiteren Rotations-Welle (121) aufweist.
15. Strömungsmaschine nach Anspruch 13 oder 14, wobei an der Rotations-Welle (111) ein Drehmoment-Sensor (112) zum
Erfassen der zeitlichen Änderung des Drehmoments der
Rotations-Welle (111) und/oder an der weiteren Rotations- Welle (121) ein weiterer Drehmoment-Sensor (122) zum Erfassen der weiteren zeitlichen Änderung des weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle (121) angeordnet sind.
16. Strömungsmaschine nach Anspruch 15, wobei der Drehmoment- Sensor (112) und/oder der weitere Drehmoment-Sensor (122) ein berührungsloser Drehmoment-Sensor ist.
17. Strömungsmaschine nach Anspruch 16, wobei der
berührungslose Drehmoment-Sensor ein magneto-elastischer Drehmoment-Sensor ist.
18. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Strömungsmaschine (1) aus der Gruppe Gasturbine, Dampfturbine, Turbolader, Pumpe, Verdichter und Hydroturbine ausgewählt ist.
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