WO2015043916A1 - Verfahren zum betreiben einer strömungsmaschine, bei dem ein wirkungsgrad-kennwert einer stufe ermittelt wird, und strömungsmaschine mit einer vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer strömungsmaschine, bei dem ein wirkungsgrad-kennwert einer stufe ermittelt wird, und strömungsmaschine mit einer vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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Hans-Gerd Brummel
Dirk Grieshaber
Uwe Pfeifer
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    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a turbomachine having at least one turbomachine stage, which has at least one rotary shaft, and a turbomachine with a device for carrying out the method.
  • the turbomachine is, for example, a turbocompressor (turbo compressor) or a hydroturbine.
  • a turbocompressor turbo compressor
  • hydroturbine hydroturbine
  • Turbomachine transfers energy through a flowing fluid (gas or liquid). The energy transfer takes place via an impeller with a rotary shaft. On the rotary shaft (drive or driven shaft) are
  • Rotor blades, vanes or blades arranged which are shaped so that in the fluid flow (volume flow) results in a pressure difference ( ⁇ ) between the front and back of the impeller.
  • Turbomachine levels are determined via several measured process parameters (operating parameters). There are problems in measuring accuracy of instruments used to measure the process parameters and the often lack of knowledge of a gas composition or the lack of knowledge of other operating parameters. In many cases, it must be measured over a longer period of time at constant load. As a result, the turbomachine very often can not be driven in the optimum efficiency range.
  • Object of the present invention is to show how a turbomachine can be operated flexibly in an optimal operating range.
  • a method for operating a turbomachine with at least one turbomachine stage is specified, the at least one rotation shaft
  • measuring a torque of the rotary shaft of the turbomachine stage is performed.
  • the torque applied to the rotary shaft is measured.
  • 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, during operation of the turbomachine on the rotation shaft of the
  • Turbomachine stage is with the target efficiency characteristic r
  • the target efficiency characteristic value ⁇ 30 ⁇ is determined separately, for example, for the respective flow machine stage after their completion or after completion of the turbomachine. Also conceivable is the use of a
  • Operating parameters (process parameters) of the turbomachine stage regulated is in particular an extent of the voltage applied to the turbomachine stage
  • volume flow of the fluid or a speed at which the rotary shaft of the turbomachine stage is driven is optimized during operation.
  • 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 multi-stage turbomachine a multi-stage turbocompressor.
  • the method for determining the comparative efficiency characteristic value is carried out for a plurality of turbomachine stages. This is preferably done separately and / or separately for each of the turbomachine stages. Based on the respectively determined comparative efficiency characteristics are
  • Turbomachine level varies or adjusted. The result is a turbomachine that is optimal
  • i St of the turbomachine stage and / or at the further rotational shaft is a torque sensor on the rotary shaft.
  • a non-contact measuring method is performed to measure the torque of the rotary shaft and / or to measure the additional 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.
  • a magneto-elastic torque sensor is preferably arranged directly on the respective rotation shaft.
  • Magnetoelasticity is based on a change in the
  • Turbomachine stage to use which consists entirely of ferroelectric material. It is also conceivable that the rotation shaft only partially off ferroelectric material. For example, there is a ferroelectric coating of the rotary shaft fixedly connected to the rotary shaft
  • Turbomachine selected from the group gas turbine, steam turbine, turbocharger, pump, compressor and hydroturbine.
  • the turbomachine is preferably a compressor, in particular a turbocompressor.
  • Under turbo compressor here are both mechanically driven compressors in the oil and gas sector and combined machines for
  • P2i is a product of the torque applied to the rotary shaft of the respective turbomachine stage i and the rotational speed of the rotary shaft of the turbomachine stage i.
  • operating parameters of the turbomachine various sizes are conceivable.
  • 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
  • turbomachine 1 in the form of a
  • the compressor stage 11 has a rotary shaft 111.
  • the torque sensor 112 is a magneto-elastic torque sensor.
  • the turbocompressor 1 has a device 100 for
  • Compressor stage 11 b) determining the actual efficiency value r
  • Compressor stage 11 as a function of the comparative efficiency characteristic value T
  • Torque sensor 112 performed. There is the
  • Rotary shaft 111 made of ferroelectric material.
  • the rotary shaft 111 has a fixed to the rotary shaft 111 connected
  • the actual efficiency parameter r i i t of the compressor stage 11 is determined according to equation (1).
  • so ii determined more or less immediately after completion of the turbocompressor 1.
  • the volume flow over the compressor stage 11 to be measured for PI is measured by means of a volumetric flow meter 114.
  • Rotation shaft 111 measured as described above.
  • 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, 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, Figure 1).
  • Example 2
  • turbocompressor 1 is a multi-stage single-shaft compressor ( Figure 2).
  • 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 magneto ⁇ elastic 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.
  • Travel range optimization for the further compressor stage 12 takes place in accordance with the driving range optimization for the compressor stage 11 described above.
  • 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.
  • the motor 13 the rotary shaft 111 is driven.
  • the gear 14 the further rotation shaft 12 to the
  • Rotary shaft 111 coupled.
  • Torque sensor 112 and the further torque of the further rotation shaft 12 via the further torque sensor 122 measured.
  • the fluid to be compressed is introduced into the gear compressor or the compressed fluid is removed from the gear compressor again.
  • Other components include a flow meter 330 and devices for measuring the individual
  • Compressor stages 11 and 12 applied pressure differences 340 and 350th

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die in einem optimierten Fahrbereich betrieben werden kann. Dazu 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) Bestimmen eines Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts ηsoll der Strömungsmaschinen-Stufe, b) Ermitteln eines Ist- Wirkungsgrad-Kennwerts ηist der Strömungsmaschinen-Stufe, c) Ermitteln eines Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts der Strömungsmaschinene-Stufe durch Vergleichen des Ist- Wirkungsgrad-Kennwerts ηist und des Soll-Wirkungsgrad- Kennwerts ηsoll miteinander und d) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwert ηvgl, wobei zum Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts ηist ein Messen eines Drehmoments der Rotations-Welle der Strömungsmaschinen- Stufe durchgeführt wird. Es wird das an der Rotations-Welle anliegende Drehmoment im Betrieb der Strömungsmaschine gemessen. Vorzugsweise wird das Drehmoment magneto-elastisch 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.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER STRÖMUNGSMASCHINE, BEI DEM EIN
WIRKUNGSGRAD-KENNWERT EINER STUFE ERMITTELT WIRD,
UND STRÖMUNGSMASCHINE MIT EINER VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine mit mindestens einer Strömungsmaschinen- Stufe, die mindestens eine Rotations-Welle aufweist, sowie eine Strömungsmaschine mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Turboverdichter (Turbokompressor) oder eine Hydroturbine . Bei einer
Strömungsmaschine wird Energie durch ein strömendes Fluid (Gas oder Flüssigkeit) übertragen. Die Energieübertragung erfolgt dabei über ein Laufrad mit Rotations-Welle. An der Rotations-Welle (Antriebs- oder Abtriebs-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.
Die Leistung bzw. die Leistungsaufnahme oder die
Leistungsabgabe der Strömungsmaschine (bzw. einzelner
Strömungsmaschinen-Stufen) werden über mehrere gemessene Prozessparameter (Betriebsparameter) ermittelt. Probleme bereiten dabei Mess-Genauigkeit eingesetzter Instrumente zum Messen der Prozessparameter sowie die oftmals mangelnde Kenntnis einer Gaszusammensetzung oder die mangelnde Kenntnis weiterer Betriebsparameter. Vielfach muss dabei über einen längeren Zeitraum bei konstanter Last gemessen werden. Daraus resultiert, dass die Strömungsmaschine sehr oft nicht im optimalen Wirkungsgradbereich gefahren werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine Strömungsmaschine in einem optimalen Betriebsbereich flexibel 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) Bestimmen eines Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι der
Strömungsmaschinen-Stufe,
b) Ermitteln eines Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der
Strömungsmaschinen-Stufe,
c) Ermitteln eines Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts der Strömungsmaschinene-Stufe durch Vergleichen des Ist- Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt und des Soll-Wirkungsgrad- Kennwerts η30ιι miteinander und
d) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichs- Wirkungsgrad-Kennwert T|Vgi, wobei
zum Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt ein Messen eines Drehmoments der Rotations-Welle der Strömungsmaschinen- Stufe durchgeführt wird. Es wird das an der Rotations-Welle anliegende Drehmoment gemessen.
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 an der Rotations-Welle der
Strömungsmaschinen-Stufe anliegende Drehmomente zu messen. Anhand der gemessenen Drehmomente wird auf den Ist- Wirkungsgrad r|iSt (aktueller Wirkungsgrad-Kennwert) der Strömungsmaschinen-Stufe der Strömungsmaschine rückgeschlossen .
Der aktuelle Ist-Wirkungsgrad-Kennwert r|iSt der
Strömungsmaschinen-Stufe wird mit dem Soll-Wirkungsgrad- Kennwert r|soii der Strömungsmaschinen-Stufe verglichen. Der Soll-Wirkungsgrad-Kennwert η30ιι wird beispielsweise für die jeweilige Strömungs-Maschinen-Stufe nach deren Fertigstellung bzw. nach Fertigstellung der Strömungsmaschine separat ermittelt. Denkbar ist auch die Verwendung eines
vorgegebenen, standardisierten Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts r|soii (Standard) .
Aus dem Vergleich des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt und des Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι miteinander resultiert der Vergleichswirkungsgrad-Kennwert
Figure imgf000005_0001
. Basierend auf dem
Vergleichswirkungsgrad-Kennwert i~|Vgi wird zumindest ein
Betriebsparameter (Prozessparameter) der Strömungsmaschinen- Stufe geregelt. Der Betriebsparameter ist insbesondere ein Ausmaß des an der Strömungsmaschinen-Stufe anliegenden
Volumenstroms des Fluids oder eine Drehzahl, mit der die Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe angetrieben wird. Mit der Erfindung wird die Strömungsmaschinen-Stufe im Betrieb optimiert.
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 beispielsweis 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 folgende weitere Verfahrensschritte durchgeführt :
a ' ) Bestimmen eines weiteren Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts r|soii Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe,
b1) Ermitteln eines weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts ηι3ί Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe,
οΛ) Ermitteln eines weiteren Vergleichs-Wirkungsgrad- Kennwerts r|vgi Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe durch Vergleichen des weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts ηι3ί Λ und des weiteren Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι Λ miteinander und
cP) Verändern mindestens eines weiteren Betriebsparameters der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe in Abhängigkeit vom weiteren Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwert r|vgi Λ .
Dabei wird zum Ermitteln des weiteren Ist-Wirkungsgrad- Kennwerts r|iSt Λ insbesondere ein weiteres Messen eines weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe durchgeführt. Es wird ein weiteres, an der weiteren Rotations-Welle anliegendes
Drehmoment gemessen.
Bei einer mehrstufigen Strömungsmaschine wird das Verfahren zum Ermitteln des Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts für mehrere Strömungsmaschinen-Stufen durchgeführt. Dies erfolgt vorzugsweise unabhängig voneinander und/oder für jede der Strömungsmaschinen-Stufen separat. Anhand der jeweils ermittelten Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerte werden
jeweilige Betriebsparameter der jeweiligen
Strömungsmaschinen-Stufe variiert bzw. angepasst. Im Ergebnis resultiert eine Strömungsmaschine, die im optimalen
Betriebsbereich mit optimiertem Gesamt-Wirkungsgrad betrieben werden kann. Zur individuellen, unabhängigen Ermittlung der Vergleichs- Wirkungs-Grade ist an der Rotations-Welle ein Drehmoment- Sensor zum Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der Strömungsmaschinen-Stufe und/oder an der weiteren Rotations- Welle ein weiterer Drehmoment-Sensor zum Ermitteln des weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts ηι3ΐ> der
Strömungsmaschinen-Stufe angeordnet .
Vorzugsweise wird zum Messen des Drehmoments der Rotations- Welle und/oder zum Messen 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. Ein magneto-elastische Drehmoment-Sensor ist vorzugsweise unmittelbar an der jeweiligen Rotations- Welle angeordnet.
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 und daraus einen entsprechenden Wirkungsgrad-Kennwert der jeweiligen Strömungsmaschinen-Stufe der Strömungsmaschine zu ermitteln .
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 der ferroelektrischen Beschichtung. Es
resultiert ein detektierbares Signal, das einen Rückschluss auf das an der Rotations-Welle anliegende Drehmoment zulässt.
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.
Vorzugsweise werden ein Ist-Wirkungsgrad-Kennwert r|iSt und/oder ein weiterer Ist-Wirkungsgrad-Kennwert r|iSt Λ
verwendet, die aus folgender Gleichung resultieren:
Figure imgf000008_0001
Dabei ist r|i der jeweilige Wirkungsgrad-Kennwert der
Strömungsmaschinen-Stufe. Pli ist das Produkt aus dem über der jeweiligen Strömungsmaschinen-Stufe i anliegenden
Volumenstroms und der an der Strömungsmaschinen-Stufe i anliegenden Druck-Differenz Δι. P2i ist Produkt aus dem an der Rotations-Welle der jeweiligen Strömungsmaschinen-Stufe i anliegenden Drehmoments und der Drehzahl der Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe i.
Als 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. Diese Betriebsparameter werden in Abhängigkeit vom
Vergleichswirkungsgrad-Kennwert
Figure imgf000009_0001
verändert. 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.
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 Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der Verdichter- Stufe 11 angeordnet. Der Drehmoment-Sensor 112 ist ein magneto-elastischer Drehmoment-Sensor .
Der Turboverdichter 1 weist eine Vorrichtung 100 zur
Durchführung eines Betriebsverfahrens mit folgenden
Verfahrensschritten auf :
a) Bestimmen des Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι der
Verdichter-Stufe 11, b) Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der
Verdichter-Stufe 11,
c) Ermitteln des Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts
Figure imgf000010_0001
der Verdichter-Stufe 11 durch Vergleichen des Ist-Wirkungsgrad- Kennwerts r|iSt und des Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι miteinander und
d) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Verdichter-Stufe 11 in Abhängigkeit vom Vergleichs- Wirkungsgrad-Kennwert T|vgl .
Zum Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt wird ein Messen eines Drehmoments der Rotations-Welle 111 der
Verdichter-Stufe 11 mit Hilfe des magneto-elastischen
Drehmoment-Sensors 112 durchgeführt. Dazu 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. Der Ist-Wirkungsgrad-Kennwert r|iS t der Verdichter-Stufe 11 wird nach Gleichung (1) ermittelt. Ebenso wird der Soll- Wirkungsgrad-Kennwert r|soii mehr oder weniger unmittelbar nach Fertigstellung des Turboverdichters 1 bestimmt. Der für PI (nach Gleichung (1)) zu messende Volumenstrom über der Verdichter-Stufe 11 wird mit Hilfe einer Volumenstrom- Messblende 114 gemessen.
Desweiteren wird die für PI notwendige Druckdifferenz Δρ 115 zwischen Vorderseite 116 und Rückseite 117 der Verdichter- Stufe 11 gemessen.
Für P2 (nach Gleichung (1)) wird das Drehmoment an der
Rotations-Welle 111 wie oben beschrieben gemessen. Die
Drehzahl 113 der Rotations-Welle 111 der Verdichter-Stufe 11 ist jeweils bekannt. Aus dem Vergleich des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt und des Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι miteinander resultiert der des Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts
Figure imgf000011_0001
der Verdichter- Stufe 11.
In Abhängigkeit vom Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwert
Figure imgf000011_0002
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, 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 magneto¬ elastischer 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. Die
Fahrbereichs-Optimierung für die weitere Verdichter-Stufe 12 erfolgt endsprechend der oben beschriebenen Fahrbereichs- Optimierung für die Verdichter-Stufe 11.
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 wieder eine Volumenstrom-Messblende 330 sowie Vorrichtungen zur Messung der an den einzelnen
Verdichter-Stufen 11 und 12 anliegenden Druckdifferenzen 340 und 350.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1) mit mindestens einer Strömungsmaschinen-Stufe (11), die
mindestens eine Rotations-Welle (111) aufweist, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
a) Bestimmen eines Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι der
Strömungsmaschinen-Stufe (11),
b) Ermitteln eines Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der
Strömungsmaschinen-Stufe (11),
c) Ermitteln eines Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwerts
Figure imgf000013_0001
der Strömungsmaschinene-Stufe (11) durch Vergleichen des Ist- Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt und des Soll-Wirkungsgrad- Kennwerts r|soii miteinander und
d) Verändern mindestens eines Betriebsparameters der
Strömungsmaschinen-Stufe (11) in Abhängigkeit vom Vergleichs- Wirkungsgrad-Kennwert r|vgi , wobei
zum Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt ein Messen eines Drehmoments der Rotations-Welle (111) der
Strömungsmaschinen-Stufe (11) durchgeführt wird.
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, wobei folgende weiteren
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
a ' ) Bestimmen eines weiteren Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts r|soii Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12),
b1) Ermitteln eines weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12),
οΛ) Ermitteln eines weiteren Vergleichs-Wirkungsgrad- Kennwerts r|vgi Λ der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12) durch Vergleichen des weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt Λ und des weiteren Soll-Wirkungsgrad-Kennwerts η30ιι Λ miteinander und cP) Verändern mindestens eines weiteren Betriebsparameters der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12) in Abhängigkeit vom weiteren Vergleichs-Wirkungsgrad-Kennwert
Figure imgf000014_0001
Λ .
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei
zum Ermitteln des weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt Λ ein Messen eines weiteres Drehmoments der weiteren Rotations- Welle (121) der weiteren Strömungsmaschinen-Stufe (12) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum Messen des Drehmoments der Rotations-Welle (111) und/oder zum Messen des weiteren Drehmoments der weiteren Rotations-Welle (121) ein berührungsloses Mess-Verfahren durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das berührungslose Mess- Verfahren mit Hilfe mindestens eines magneto-elastischen Drehmoment-Sensors (112) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömungsmaschine (1) aus der Gruppe Gasturbine,
Dampfturbine, Turbolader, Pumpe, Verdichter und Hydroturbine ausgewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Strömungsmaschine (1) ein Verdichter verwendet wird und ein Ist-Wirkungsgrad- Kennwert r|iSt und/oder ein weiterer Ist-Wirkungsgrad-Kennwert r|iSt Λ verwendet werden, die aus folgender Gleichung
resultieren :
Figure imgf000014_0002
Pli = Volumenstrom über der jeweiligen Strömungsmaschinen- Stufe i x Druckdifferenz Δι an der Strömungsmaschinen-Stufe i
P2i = Drehmoment an der Rotations-Welle der
Strömungsmaschinen-Stufe i x Drehzahl der Rotations-Welle der Strömungsmaschinen-Stufe i
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Betriebsparameter und/oder als weiterer Betriebsparamenter 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 .
10. 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 9 aufweist.
11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, wobei die
Strömungsmaschine (1) mindestens eine weitere
Strömungsmaschinen-Stufe (12) mit mindestens einer weiteren Rotations-Welle (121) aufweist.
12. Strömungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, wobei an der Rotations-Welle (111) ein Drehmoment-Sensor (112) zum
Ermitteln des Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts r|iSt der
Strömungsmaschinen-Stufe und/oder an der weiteren Rotations- Welle (121) ein weiterer Drehmoment-Sensor (122) zum
Ermitteln des weiteren Ist-Wirkungsgrad-Kennwerts ηι3ΐ> der Strömungsmaschinen-Stufe angeordnet sind.
13. Strömungsmaschine nach Anspruch 12, wobei der Drehmoment- Sensor (112) und/oder der weitere Drehmoment-Sensor (122) ein berührungsloser Drehmoment-Sensor ist.
14. Strömungsmaschine nach Anspruch 13, wobei der
berührungslose Drehmoment-Sensor (112, 122) ein magnetoelastischer Drehmoment-Sensor ist.
15. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Strömungsmaschine (1) aus der Gruppe Gasturbine, Dampfturbine, Turbolader, Pumpe, Verdichter und Hydroturbine ausgewählt ist.
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