CH283181A - Method for operating a flow compressor provided with an intercooler and device for carrying out this method. - Google Patents

Method for operating a flow compressor provided with an intercooler and device for carrying out this method.

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CH283181A
CH283181A CH283181DA CH283181A CH 283181 A CH283181 A CH 283181A CH 283181D A CH283181D A CH 283181DA CH 283181 A CH283181 A CH 283181A
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CH
Switzerland
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compressor
load
fluid
intercooler
cooling
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Application number
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German (de)
Inventor
Power Jets Research De Limited
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Power Jets Res & Dev Ltd
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02Surge control
    • F04D27/0276Surge control by influencing fluid temperature

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

  

  Verfahren zum Betrieb eines mit Zwischenkühler versehenen     Strömungakömpressors     und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.    Die vorliegende Erfindung betrifft ein  Verfahren     711111    Betrieb eines mit Zwischen  kühler versehenen Strömungskompressors und  eine Einrichtung zur Durchführung dieses  Verfahrens. Der Kompressor kann z. B. ein  Axial- oder ein     Zentrifugal-Rotationskompres-          sor    sein.  



  Es ist. bekannt., dass bei     St.römwigskom-          pressoren,    unter gewissen Arbeitsbedingungen  betreffend     Fluidströmung    und Druckverhält  nis, eine Erscheinung auftreten - kann, die  unter dem Namen  Pumpen  bekannt ist,  wobei die Strömung unstabil wird und in  Schwingung versetzt wird.  



  Die     Grenzbedingung    für stabilen und un  stabilen Betrieb kann in einer graphischen       Darstellung    der Charakteristik des     Strömungs-          kompressors    durch eine Kurve definiert wer  den, die      Pumpgrenzlinie     genannt     wird.    Ein  typisches Beispiel einer solchen     Charakteri-          Ntik    ist in     Fig.    1 der beiliegenden Zeichnung  dargestellt, in welcher schematisch das Druck  verhältnis     R    (Ordinate) über der entsprechen  den Strömungsmenge     JI1    (Abszisse)

   des durch  den Kompressor strömenden Fluidums aufge  tragen ist. Die voll ausgezogene Linie S ist die        Pumpgrenzlinie ;    die auf der rechten Seite  dieser Linie dargestellten Strömungsbedin  gungen bilden das stabile Gebiet, während auf  der linken Seite der Linie das unstabile Ge  biet liegt. Soll. der Kompressor, der z. B. ein  Teil einer     Wärmekraftmaschine    oder einer    andern Anlage sein kann, nahe an der  Pump  grenzlinie , aber noch im stabilen Gebiet ar  beiten, so kann dieser Betriebszustand z. B.  durch die gestrichelte Kurve 0 in     Fig.    1 dar  gestellt werden, die noch über einen grossen  Betriebsbereich bezüglich Strömungsmenge  und Belastung des Kompressors im stabilen  Gebiet verläuft.  



  Es ist jedoch nicht möglich, nur durch ent  sprechende Bemessung der     Kompressorteile     die Anordnung derart zu treffen, dass der  Kompressor eine solche Betriebskurve auf  weist.; in Wirklichkeit kann nur ein einziger  Punkt der Kurve durch entsprechenden Bau  des Kompressors erreicht werden. Die wirk  liehe Betriebskurve wird durch die Verhält  nisse in der ganzen Anlage bestimmt und  ausserdem durch die Leichtigkeit, mit welcher  sich der Kompressor selbst den Änderungen  dieser Verhältnisse anpassen kann. Diese  letztgenannte Bedingung wird durch die heute  übliche Form eines Kompressors nicht erfüllt.  So ist. z.

   B. ein     1lehrstufen-R.otationskompres-          sor,    dessen Schaufelkränze auf einer gemein  samen Welle angeordnet sind, weniger anpas  sungsfähig in dieser Beziehung als ein gleicher  Kompressor, dessen Schaufelkränze auf un  abhängigen Wellen angeordnet sind, jedoch  ist ein solcher Kompressor natürlich weit kom  plizierter im Aufbau. Aus diesem Grund  haben gewisse Strömungskompressoren, auch  wenn sie einige wünschbare Eigenschaften      aufweisen, bei     Verwendung    in einer Anlage,  eine relativ schlechte Betriebskurve. Ein typi  sches Beispiel für einen solchen Fall ist in       Fig.    1 durch die gestrichelte Linie<B>01</B> darge  stellt.

   Wie aus der Zeichnung hervorgeht,  schneidet diese Linie 0     i    die     Pumpgr        enzlinie    in  schräger Richtung, und der entsprechende  Kompressor wird deshalb nur in einem ver  hältnismässig kleinen Bereich     bezüglich-:Strö-          mungsmenge    und Belastung stabil arbeiten.  Eine solche Betriebskurve ist. z. B.     typisch     für einen mehrstufigen Rotationskompressor,  dessen Schaufelkränze alle auf einer gemein  samen Welle sitzen, wie dies gewöhnlich in       Gasturbinenanlagen    üblich ist, welche ein  Hauptanwendungsgebiet dieser Kompressoren  art sind.  



       @Venn    ein solcher Kompressor ferner mit  Mitteln zur Zwischenkühlung des Fluidums  zwischen einzelnen Kompressionsstufen ver  sehen ist, was     meistens    verlangt wird, um  einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen,  neigt seine Betriebskurve zu einer weiteren  Verschlechterung. Eine solche Betriebskurve  ist in     Fig.    1 durch die     gestriehelte    Linie 02  dargestellt. Diese Kurve 02 schneidet die       Pumpgrenzlinie    noch in schrägerer Lage als  die Linie     Oiund    der Belastungsbereich des  Kompressors für stabilen Betrieb ist noch  weiter eingeschränkt.  



  Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ent  spricht der Schnittpunkt A der jeweiligen Be  triebskurven 0,     0i    und 02 in     Fig.    1 einer Be  lastung, die jedem Kompressor eigen ist, wo  bei der Kühler eines Kompressors mit Zwi  schenkühlung derart ausgebildet wird, dass  er einen Temperaturfall im Fluidum bewir  ken kann, der genügt, um die Temperatur des  bei Vollast geförderten Fluidums auf die Ein  trittstemperatur zu senken, um so     isotherme     Kompression     vorzutäuschen.    Dabei steigert  der Kühler infolge der Temperatursenkung  die Dichte des Fluidums um einen entspre  chenden Betrag, das heisst die Dichte ändert  im umgekehrten Verhältnis zur     Temperatur;

       und die nachfolgende Stufe (oder Stufen) des  Kompressors muss für eine Kapazität bemes  sen sein, die dieser Änderung der     Fluiddichte       entspricht. Wenn jedoch ein Strömungskom  pressor mit halber Last arbeitet, sinkt nicht  nur die Strömungsmenge, sondern auch das  Druckverhältnis und demzufolge     auch    das  Temperaturverhältnis des verdichteten     zurr     nicht verdichteten Fluidum     auf    einen niedri  geren Wert.

   Der Zwischenkühler muss dann  nur eine geringere Temperatursenkung bewir  ken, um das Fluidum auf seine Ursprungs  temperatur zu bringen, was eine Herabsetzung  des     Diehteverhältnisses    des gekühlten zum       ungekühlten    Fluidum bezüglich des Verhält  nisses bei Vollast zur Folge hat.  



  Eine solche Herabsetzung des     Diehtever-          hältnisses    bei einer Lastverringerung bewirkt,  dass die Geschwindigkeit. des     Fluidstromes     durch den Kompressor vom     '-N7,ennwert    ab  weicht, und damit auch der Arbeitsbereich und  die Anfälligkeit eines solchen     Kompressors     für das Pumpen.

   Die vorliegende     Erfindung     bezweckt nun, bei einer Lastreduzierung das  Dichteverhältnis zwischen gekühltem und     un-          gekühltem        Fluidum    zu erhöhen und die bei       zwisehengekühlten    Kompressoren meist ein  tretende Verkleinerung des     Arbeitsbereiehes     zu vermeiden; der Belastungsbereich eines  zwischengekühlten     Kompressors    kann sogar  gegenüber demjenigen eines     ungekühlten     Kompressors     vergrössert    werden, wie dies z. B.  durch die in     Fig.    1 dargestellte     Betriebskurve     gezeigt, ist.  



  Beim Verfahren gemäss vorliegender Er  findung wird der     (7rad    der durch den Zwi  schenkühler bewirkten Kühlung bei sieh  ändernder     Kompressorbelastung    so geändert,  dass das Dichteverhältnis des Fluidums nach  und vor der Kühlung     steigt,    wenn die Bela  stung des Kompressors sinkt, und fällt, wenn  diese Belastung steigt..  



  Gewöhnlich wird     gewünseht,    dass die Zwi  schenkühlung progressiv mit     zunehmender          Kompressorbelastung    weniger wirksam sein  soll.  



  Während bei einem normalgekühlten Kom  pressor die     Temperatur    des in den Kom  pressor     eintretenden    und aus dem     Kühler    aus  tretenden Fluidums wenigstens annähernd bei  jeder Belastung konstant und gewöhnlich      gleich der Aussentemperatur ist, würde beim  erfindungsgemässen Verfahren, wenn bei     Voll-          last    Aussentemperatur erreicht wird, der Küh  ler bei Teillast das Fluidum auf eine unter  der Atmosphärentemperatur liegende Tempe  ratur abkühlen.

   -Um dies     zti    vermeiden, kann  die Anordnung derart sein, dass die Tempera  tur am     Kühlerauslass    annähernd gleich der       atmosphärischen    Temperatur bei der klein  sten verlangten Belastung ist. und mit stei  gender Belastung progressiv ansteigt.  



  Demzufolge wird ein solcher Kompressor,  der bei Vollast. mit.     Zwischenkühlung    auf eine  erhebliche über der Aussentemperatur liegen  den Temperatur arbeitet, einen geringeren  Wirkungsgrad aufweisen als ein Vergleichs  kompressor mit. normaler Zwischenkühlung,  das heisst die Stabilität wird auf Kosten des  Wirkungsgrades verbessert.  



  Berechnungen auf Grund der vorgehend  beschriebenen Überlegungen in Anwendung  auf zwei vergleichbare     Gasturbinenanlagen,     wovon die eine einen gemäss dem erfindungs  gemässen Verfahren zwischengekühlten Kom  pressor und die andere einen normalgekühlten  Kompressor aufwies, haben gezeigt, dass die  spezifische Leistung der erstgenannten Anlage       bei        Vollast        mir        um        7.1        %        kleiner        ist        als        die          entspreehendende    Leistung der andern An  lage,

   wobei dies für die erste Anlage bei     voll-          ständiger        Stabilität        bis        hinunter        auf        30        %        der          Vollast.        gilt,        gegenüber        nur        bis        70        %        Vollast     bei der zweiten Anlage.  



  An Hand der beiliegenden Zeichnung, in       welcher    eine Turbinenkraftanlage mit einer  beispielsweisen Ausführungsform der     erfin-          dunsgemässen    Einrichtung dargestellt ist, soll  das ebenfalls Erfindungsgegenstand bildende  Verfahren beispielsweise näher erläutert wer  den. Die     :#,iilage        besitzt    einen     ASial-ROtat.ionS-          Luftkompressor,    der     zwei    hintereinander auf  einer gemeinsamen Welle angeordnete Lauf  sehaufelsätze aufweist.  



  Die     Fig.        \?    bis 9 zeigen schematisch die  vergleichbaren Wirkungen der     Änderung     des     Grades    der     Zwischenkühlung    und die       Charakteristik    der Anlagen, und         Fig.    10 und 11 zeigen Ausführungsbei  spiele der Einrichtung zur Durchführung des  erfindungsgemässen Verfahrens.

   Es zeigen:       Fig.    2, 3 und 4 graphische Vergleichs  werte der Dichteverhältnisse     t1    der kompri  mierten zur     tmkompriniierten    Luft (Ordina  ten) in verschiedenen axialen Abständen (Ab  szissen), von jedem der drei Kompressoren,  die sieh bezüglich ihrer     Zw        ischenkühhmg    von  einander unterscheiden; der     0-Punkt    ent  spricht in jeder Figur dem     Kompressorein-          tritt,    wo das Dichteverhältnis 1 ist,       Fig.        ä,    6 und 7 graphisch die Vergleichs  werte der     Axialgeschwindigkeit    V der Luft.

    (Ordinaten) in den entsprechenden axialen  Abständen L (Abszissen), von jedem der drei  Kompressoren, und       Fig.    8 und 9 graphisch die Vergleichswerte  der entsprechenden Charakteristiken des Nie  derdruck- und des Hochdruckteils der Kom  pressoren und das jeweilige Druckverhältnis  R (Ordinate) aufgetragen über der Strö  mungsmenge     DZ    (Abszissen).  



  In     Fig.    2 ist die Wirkung des Betriebes  eines     ungekühlten    Kompressors auch bei Teil  last und einer     Rotordrehzahl    unter der Nenn  drehzahl dargestellt. Das Dichteverhältnis der  Luft im Kompressor bei Vollast und bei einer  beliebigen Teillast ist durch die vollausge  zogene Linie F bzw. die gestrichelte Linie P  dargestellt. Da bei Teillast die Druckverhält  nisse der komprimierten zur     unkomprimierten     Luft von ihrem Wert bei Vollast progressiv  beim Durchströmen des Kompressors abneh  men, werden die Dichteverhältnisse in gleicher  Weise progressiv herabgesetzt und demzufolge  ändert. die     Axialgesehwindigkeit    der Luft im  Kompressor bei einer Lastverminderung.

   Eine  Herabsetzung der     Axialgesehwindigkeit    der  Luft. bei Teillast. ist. nicht. immer     unerw        ünseht,     da bei reduzierter Geschwindigkeit der     Rotor-          schaufelung    die     Axialgesehwindigkeit    der  Luft. proportional abnehmen sollte, tim die  vollkommene     aerodynamische    Strömung durch  die     Rotorschaufelung    beibehalten zu können.

    Die wirklich eintretenden     Änderungen        führen     aber nicht zu diesem Resultat, sie sind deshalb       unerwünscht        rund        können    das Pumpen verur-           saehen.    Dieser Effekt ist in     Fig.    5 dargestellt,  in welcher die vollausgezogene Linie F die       Axialgeschwindigkeit    der Luft bei Vollast  darstellt und die strichpunktierte Linie D  zeigt die     Axialgeschwindigkeit    der Luft.

   bei  irgendeiner Belastung, um in     übereinstim-          inung    mit der reduzierten Drehzahl der     Rotor-          schaufelung    eine gute aerodynamische Strö  mung     aufreehtziierhalten,    während die ge  strichelte Linie P die     wirkliche        Axialgeschwin-          digkeitder    Luft. bei Teillast darstellt. -Wie aus  der     Zeichnung    ersichtlich, ist. der     Gesehwin-          digkeitsverlauf    durch den Kompressor bei Teil  last grösser als dies     erwünscht    wäre.  



  Bei einem gleichen Kompressor mit nor  maler Zwischenkühlung (bis hinunter auf  eine annähernd bei allen Belastungen kon  stante Temperatur) sind die Wirkungen  einer solchen Kühlung auf die Luftdichtever  hältnisse und die     Axialgeschwindigkeiten    in  den     Fig.    3 bzw. 6 dargestellt, wobei die Kur  ven, welche für Vollast und Teillast die       Diehtev        erhältnisse    bzw. die     Axialgeschwindig-          keiten    angeben, entsprechend den bezüglichen  Kurven der     Fig.    2 und 5 dargestellt sind.

   In  diesem Fall steigt das     Aehteverhältnis    rasch  an, wenn Luft durch den Kühler strömt, aber  es ist zu     bemerken,    dass die durch den Kühler  bei Teillast bewirkte Änderung des Dichte  verhältnisses kleiner ist als bei Vollast zu  folge der kleineren Temperaturerniedrigung,  die bei normaler Zwischenkühlung, wie voran  gehend     erwähnt,    bei Teillast auftritt.

   Bezüg  lich     Fig.    6 sei vorausgesetzt, dass der Kom  pressor derart ausgebildet ist, dass die Axial  gesehwindigkeit bei Vollast am     Auslass    des       Niederdruckteils    die gleiche ist, wie am Ein  lass des     ]Floehdruekteils,    weshalb die     Vollast-          gesehwindigkeitskurve    F stetig ist. Ausserdem  ist die -für eine vollkommene     aerodynamische     Strömung notwendige Geschwindigkeitskurve  D bei Teillast. ebenfalls eine stetige Kurve.

    Die Wirkung der normalen Zwischenkühlung  der Luft bei Teillast bewirkt, infolge der auf  tretenden geringeren Änderung des Luft  dichteverhältnisses bei Teillast eine     Besehleu-          nigung    der Luft zwischen den Kompressor  stufen mit dem Resultat, dass die Kurve P der    wirklichen     Axialgesehwindigkeit    der Luft  von der gewünschten Kurve D abweicht, und  zwar um einen grösseren Betrag, als dies beim  nichtgekühlten Kompressor der Fall ist.  



  Im folgenden soll ein Kompressor der vor  angehend     beschriebenen    Art, jedoch mit Zwi  schenkühlung nach der     Erfindung,    betrachtet  werden. Die in den     Fig.        4-    und 7     gezeigten     Betriebskurven entsprechen den in den     Fig.    2,  3 bzw. 5, 6 gezeigten     Kurven.    In     Fig.        .1    ist  ersichtlich, dass die     Zwischenkühlung    bei Teil  last eine     -rössere    Zunahme der     Diehteverhä.lt-          nisse    ergibt als bei Vollast.

   Für die in     Fig.    7  gezeigten Werte sei     wiederum    angenommen,  dass die     Axialgeschwindigkeiten    der Luft am       Auslass    der     Niederdriielzstufe    und am Einlass  der     Hoehdruekstufe    gleich sind und     da.ss    die  Vollast- und die gewünschte     Teillast-Gesehvin-          digkeitskurven    stetige Kurven sind.

   In diesem  Fall     bewirkt    jedoch die     Zwischenkühlung    bei  Teillast, da die Zunahme des     Diehtungsver-          hä.ltnisses    hier grösser ist als bei Vollast., eine  Verzögerung der Luftströmung     zwischen    den  beiden     Kompressorstufen,    so dass die     Axialge-          schwindigkeitskurve    P der     gewünschten        Kurve     D näher kommt als in allen v     orbesehriebenen     Fällen.  



  Die     Betriebskurven-Charakteristiken    (von  der allgemeinen in     Fig.    1 dargestellten Form)  der drei in Betracht gezogenen Kompressoren  werden für den Niederdruck- bzw. den Hoch  druckteil in den     Fig.    8 und 9 miteinander ver  glichen.

   Die Kurve     Tr    in     Fig.    8 stellt die Be  triebskurve des     ungekühlten        Kompressors    be  züglich der     Pumpgrenzlinie        S    dar und die  Kurve N diejenige des normal gekühlten     Kom-          pressors.    Die Kurve     V,    zeigt die Betriebslinie  eines Kompressors, der veränderliche     Zwi-          schenkühlung    besitzt.

   Die Kurven     V-    und     j'3     zeigen weitere Betriebskurven, die durch ver  schiedene-     TVTahl    des Grades der     Zwischenhüh-          lung    bei Änderung der Belastung, abweichend  von dem entsprechend der Kurve     hl    gewähl  ten, erreichbar sind. Die Kurve T zeigt, wie  die Betriebskurven     VI,        V.,        V3    weitergeführt  werden können nach Erreichen der untersten  noch zulässigen Temperatur, auf welche die  Zwischenkühlung bei minimaler Belastung des      Kompressors bewirkt werden kann, das heisst  im Normalfall ist (lies die Linie der Atmo  sphärentemperatur.  



  Die Charakteristik des Hochdruckteils ist  annähernd identisch für alle drei Kompresso  ren und ist in     Fig.    9 als eine     einzige        Kurve     dargestellt, wobei der Punkt     H    der Nenn  leistung des Kompressors entspricht.  



  Die vorangehend erwähnten Berechnungen  wurden für einen     einwelligen,        AYial-Rotations-          kompressor    mit. zwei Schaufelsätzen durch  geführt, wobei die     Endtemperatur    der den  Kühler verlassenden Luft bei Vollast mit  350  K angenommen wurde, mit einer     Ände-          rung        bis        auf        293         K        bei        30%        Vollast.     



  Zur praktischen Durchführung des Ver  fahrens wird vorgeschlagen, den Kühleffekt  des Kühlers mittels einer Steuerung solcher  Anordnung zu ändern, dass die     Strömungs-_          geschwindigkeit    des Kühlmittels durch den'  Kühler von der Belastung des Kompressors  abhängt. Die Steuerung sollte auf Änderun  gen von     Variabeln    ansprechen können, die  von der     Kompressorbelastung    abhängen, z. B.  der Drehzahl, der Strömungsmenge oder dem       Förderdruck    des Kompressors zum Kühler.  



  Es sind verschiedene Konstruktionen einer  Einrichtung zur     Bewirkung    einer solchen       Steuerung    möglich. Ein Ausführungsbeispiel  ist schematisch in     Fig.    10 dargestellt. Der  Kompressor weist einen     Niederdruckteil    1  und einen     IIoehdruekteil    2 auf, deren Rotoren  auf der gleichen Welle 3 sitzen, und ferner  einen     Zwischenkühler    4.

   Ein Zentrifugal  regler 5 ist über Kegelräder 6 durch die Welle  3     antreibbar    und dient zur Betätigung eines  Hebels 7, der seinerseits mit einem Ventil 8  verbunden ist, das zur Steuerung des     Kühl-          mitteistromes    durch den Kühler 4 dient.  Natürlich kann jede andere Art eines Dreh  zahlreglers benützt werden in Verbindung mit       entsprechenden    elektrischen,     hzdraulischen     oder mechanischen Servomechanismen zur  Steuerung des Ventils B.

   Ein anderes Beispiel  einer Einrichtung zur     Bewirkung    der genann  ten Steuerung ist schematisch in     Fig.    11 dar  gestellt, wobei die     Kompressorteile,    der Zwi  schenkühler und das Ventil zur Steuerung    des     Kühlmittelstromes,    wie beim Beispiel ge  rnäss     Fig.    10 ausgebildet sind. Dagegen ist das  Ventil 8 in diesem Beispiel durch eine auf  Druck ansprechende Dose 9     betätigbar,    die  durch eine Leitung 10 mit dem     Auslass    des       Niederdruekteils    1 des     Kompressors    verbun  den ist.

   In jedem der     beschriebenen    Beispiele  kann die Steuerung des     Kühlmittelstromes     auch mittels einer Pumpe bewirkt werden, die  das Kühlmittel an Stelle eines Ventils in die  Kühlleitung fördert. Das beschriebene Bei  spiel, bei welchem die     Kompressorteile    auf  einer gemeinsamen Welle sitzen, kann ver  schiedene     Vorteile    aufweisen. Die aufeinander  folgenden     Kompressorteile    können aber auch  auf getrennten Wellen angeordnet sein, wobei  Mittel vorgesehen sein können, um die einzel  nen Wellendrehzahlen zu ändern, um so eine  gewünschte Charakteristik zu erhalten und um  das Pumpen zu vermeiden.



  Method for operating a flow compressor provided with an intercooler and device for carrying out this method. The present invention relates to a method 711111 operation of a flow compressor provided with an intermediate cooler and a device for carrying out this method. The compressor can e.g. B. be an axial or a centrifugal rotary compressor.



  It is. known that with St.römwig compressors, under certain working conditions with regard to fluid flow and pressure ratio, a phenomenon can occur which is known as pumps, whereby the flow becomes unstable and is set into oscillation.



  The boundary condition for stable and unstable operation can be defined in a graphical representation of the characteristics of the flow compressor using a curve called the surge limit line. A typical example of such a characteristic is shown in Fig. 1 of the accompanying drawing, in which schematically the pressure ratio R (ordinate) over the corresponding flow rate JI1 (abscissa)

   of the fluid flowing through the compressor is carried up. The solid line S is the surge limit line; the flow conditions shown on the right side of this line form the stable area, while the unstable area is on the left side of the line. Should. the compressor, the z. B. can be part of a heat engine or other system, close to the pumping border line, but still work in the stable area ar, this operating state can z. B. be provided by the dashed curve 0 in Fig. 1, which runs over a large operating range in terms of flow rate and load on the compressor in the stable area.



  However, it is not possible to arrange the arrangement in such a way that the compressor has such an operating curve by just dimensioning the compressor parts accordingly. in reality, only a single point on the curve can be achieved by designing the compressor accordingly. The real operating curve is determined by the ratios in the entire system and also by the ease with which the compressor can adapt itself to changes in these ratios. This last-mentioned condition is not met by the shape of a compressor that is common today. So is. z.

   For example, a single-stage rotary compressor, whose blade rings are arranged on a common shaft, is less adaptable in this regard than an identical compressor, whose blade rings are arranged on independent shafts, but such a compressor is of course much more complicated under construction. For this reason, while having some desirable properties, certain fluid compressors have a relatively poor operating curve when used in a plant. A typical example of such a case is shown in FIG. 1 by the dashed line <B> 01 </B>.

   As can be seen from the drawing, this line 0 i intersects the surge line in an oblique direction, and the corresponding compressor will therefore only work stably in a relatively small area with regard to: flow rate and load. One such operating curve is. z. B. typical of a multi-stage rotary compressor, the blade rings all sit on a common shaft, as is usually the case in gas turbine systems, which are a main field of application of these compressors.



       @Venn such a compressor is also seen ver with means for intermediate cooling of the fluid between individual compression stages, which is usually required to achieve optimal efficiency, its operating curve tends to deteriorate further. Such an operating curve is shown in FIG. 1 by the dashed line 02. This curve 02 intersects the surge limit line in a more inclined position than the line Oi and the load range of the compressor for stable operation is restricted even further.



  As can be seen from the drawing, the intersection point A of the respective operating curves 0, 0i and 02 in FIG. 1 corresponds to a load that is inherent in every compressor, where the cooler of a compressor with inter mediate cooling is designed such that it has a Temperature drop in the fluid can cause that is sufficient to lower the temperature of the fluid conveyed at full load to the inlet temperature in order to simulate isothermal compression. As a result of the temperature decrease, the cooler increases the density of the fluid by a corresponding amount, which means that the density changes in inverse proportion to the temperature;

       and the subsequent stage (or stages) of the compressor must be sized for a capacity which corresponds to this change in fluid density. However, when a flow compressor operates at half load, not only the flow rate but also the pressure ratio and consequently also the temperature ratio of the compressed to non-compressed fluid decreases to a lower value.

   The intercooler then only has to lower the temperature to a lesser extent in order to bring the fluid to its original temperature, which results in a reduction in the power ratio of the cooled to the uncooled fluid with respect to the ratio at full load.



  Such a reduction in the weight ratio when the load is reduced causes the speed. of the fluid flow through the compressor differs from the '-N7 nominal value, and thus also the working range and the susceptibility of such a compressor to pumping.

   The aim of the present invention is to increase the density ratio between cooled and uncooled fluid when the load is reduced and to avoid the reduction in the working range that usually occurs with partially cooled compressors; the load range of an intercooled compressor can even be increased compared to that of an uncooled compressor, as z. B. shown by the operating curve shown in Fig. 1 is.



  In the method according to the present invention, the (7rad of the cooling brought about by the intercooler is changed when the compressor load changes so that the density ratio of the fluid increases after and before the cooling when the load on the compressor drops, and falls when this load increases..



  Usually it is desired that the intermediate cooling should be progressively less effective as the compressor load increases.



  While in a normal-cooled compressor the temperature of the fluid entering the compressor and exiting the cooler is at least approximately constant and usually equal to the outside temperature at every load, in the method according to the invention, if the outside temperature is reached at full load, the cooling ler at part load cool the fluid to a temperature below atmospheric temperature.

   To avoid this, the arrangement can be such that the temperature at the cooler outlet is approximately equal to the atmospheric temperature at the smallest required load. and increases progressively with increasing load.



  As a result, such a compressor will operate at full load. With. Intermediate cooling to a significantly higher temperature than the outside temperature works, have a lower efficiency than a comparison compressor with. normal intercooling, i.e. stability is improved at the expense of efficiency.



  Calculations based on the considerations described above using two comparable gas turbine systems, one of which had an intercooled compressor in accordance with the method according to the invention and the other had a normally cooled compressor, have shown that the specific output of the first-mentioned system at full load was 7.1% is smaller than the corresponding output of the other system,

   where this for the first system with complete stability down to 30% of full load. applies, compared to only up to 70% full load for the second system.



  With reference to the accompanying drawing, in which a turbine power plant with an exemplary embodiment of the device according to the invention is shown, the method, which is also the subject of the invention, is to be explained in more detail, for example. The: #, iilage has an ASial-ROtat.ionS air compressor, which has two rotor blade sets arranged one behind the other on a common shaft.



  The figure \? 9 to 9 schematically show the comparable effects of the change in the degree of intermediate cooling and the characteristics of the systems, and FIGS. 10 and 11 show exemplary embodiments of the device for carrying out the method according to the invention.

   2, 3 and 4 graphical comparison values of the density ratios t1 of the compressed to the compressed air (ordinates) at different axial distances (spacings) from each of the three compressors, which differ from one another with regard to their interim cooling ; In each figure, the 0 point corresponds to the compressor inlet, where the density ratio is 1; FIGS. 6 and 7 graphically show the comparative values of the axial velocity V of the air.

    (Ordinates) in the corresponding axial distances L (abscissas), of each of the three compressors, and Fig. 8 and 9 graphically plotted the comparison values of the corresponding characteristics of the low pressure and high pressure part of the compressors and the respective pressure ratio R (ordinate) over the flow rate DZ (abscissa).



  In Fig. 2, the effect of the operation of an uncooled compressor is shown at part load and a rotor speed below the rated speed. The density ratio of the air in the compressor at full load and at any partial load is shown by the fully extended line F and the dashed line P. Since at part load the pressure ratios of the compressed to the uncompressed air from their value at full load progressively decrease as it flows through the compressor, the density ratios are progressively reduced in the same way and consequently changes. the axial velocity of the air in the compressor when the load is reduced.

   A decrease in the axial velocity of the air. at part load. is. Not. always unseen, because with reduced speed of the rotor blades the axial speed of the air. should decrease proportionally in order to be able to maintain perfect aerodynamic flow through the rotor blades.

    However, the changes that actually occur do not lead to this result, they are therefore undesirable and can cause pumping. This effect is shown in FIG. 5, in which the solid line F shows the axial speed of the air at full load and the dash-dotted line D shows the axial speed of the air.

   at any load in order to maintain a good aerodynamic flow in accordance with the reduced speed of the rotor blades, while the dashed line P shows the real axial speed of the air. represents at part load. -As can be seen from the drawing. the speed curve through the compressor at part load is greater than would be desired.



  In the same compressor with normal intercooling (down to an almost constant temperature under all loads), the effects of such cooling on the air density ratios and the axial speeds are shown in FIGS. 3 and 6, the curve ven which for full load and part load indicate the diehtev ratios or the axial speeds, according to the relevant curves of FIGS. 2 and 5 are shown.

   In this case, the density ratio increases rapidly when air flows through the cooler, but it should be noted that the change in the density ratio caused by the cooler at part load is smaller than at full load due to the smaller temperature drop that occurs with normal intermediate cooling, as mentioned above, occurs at partial load.

   With regard to FIG. 6, it is assumed that the compressor is designed in such a way that the axial speed at full load at the outlet of the low-pressure part is the same as at the inlet of the flea-pressure part, which is why the full-load speed curve F is continuous. In addition, the speed curve D required for perfect aerodynamic flow is at partial load. also a steady curve.

    The effect of the normal intercooling of the air at part load, due to the smaller change in the air density ratio that occurs at part load, causes the air to be defeated between the compressor stages with the result that the curve P of the real axial speed of the air differs from the desired curve D. deviates by a greater amount than is the case with the non-cooled compressor.



  In the following, a compressor of the type described before, but with inter mediate cooling according to the invention, will be considered. The operating curves shown in FIGS. 4 and 7 correspond to the curves shown in FIGS. 2, 3 and 5, 6, respectively. In Fig. 1 it can be seen that the intermediate cooling at part load results in a greater increase in the weight ratios than at full load.

   For the values shown in FIG. 7, it is again assumed that the axial velocities of the air at the outlet of the low-pressure stage and at the inlet of the high-pressure stage are the same and that the full-load and the desired partial-load speed curves are continuous curves.

   In this case, however, the intercooling at part load, since the increase in the power ratio is greater than at full load, causes a delay in the air flow between the two compressor stages so that the axial speed curve P comes closer to the desired curve D than in all prescribed cases.



  The operating curve characteristics (of the general form shown in FIG. 1) of the three compressors under consideration are compared with one another for the low pressure and the high pressure part in FIGS. 8 and 9, respectively.

   The curve Tr in FIG. 8 represents the operating curve of the uncooled compressor with respect to the surge limit line S and the curve N that of the normally cooled compressor. The curve V shows the operating line of a compressor that has variable intermediate cooling.

   The curves V- and j'3 show further operating curves which can be achieved by different numbers of the degree of the intermediate cover when the load changes, deviating from the one selected according to the curve hl. The curve T shows how the operating curves VI, V., V3 can be continued after reaching the lowest permissible temperature to which the intercooling can be effected with minimal load on the compressor, i.e. in the normal case (read the line of the atmospheric temperature .



  The characteristic of the high pressure part is almost identical for all three compressors and is shown in Fig. 9 as a single curve, the point H corresponding to the rated output of the compressor.



  The above calculations were made for a single-shaft, AYial rotary compressor with. two sets of blades, whereby the final temperature of the air leaving the cooler was assumed to be 350 K at full load, with a change to 293 K at 30% full load.



  For the practical implementation of the method, it is proposed to change the cooling effect of the cooler by means of a control arrangement such that the flow rate of the coolant through the cooler depends on the load on the compressor. The controller should be able to respond to changes in variables that depend on the compressor load, e.g. B. the speed, the flow rate or the delivery pressure of the compressor to the cooler.



  Various constructions of a device for effecting such control are possible. An exemplary embodiment is shown schematically in FIG. The compressor has a low-pressure part 1 and a hydraulic pressure part 2, the rotors of which are seated on the same shaft 3, and also an intercooler 4.

   A centrifugal regulator 5 can be driven via bevel gears 6 through the shaft 3 and is used to actuate a lever 7, which in turn is connected to a valve 8 which is used to control the flow of coolant through the cooler 4. Of course, any other type of speed controller can be used in conjunction with corresponding electrical, hydraulic or mechanical servomechanisms to control valve B.

   Another example of a device for effecting the named control is shown schematically in FIG. 11, the compressor parts, the intermediate cooler and the valve for controlling the coolant flow, as in the example shown in FIG. 10 being designed. In contrast, the valve 8 in this example can be actuated by a pressure-responsive can 9 which is verbun through a line 10 to the outlet of the low pressure part 1 of the compressor.

   In each of the examples described, the control of the coolant flow can also be effected by means of a pump which conveys the coolant into the cooling line instead of a valve. The case described, in which the compressor parts sit on a common shaft, can have various advantages. The successive compressor parts can also be arranged on separate shafts, means can be provided to change the individual shaft speeds in order to obtain a desired characteristic and to avoid pumping.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH I: Verfahren zum Betrieb eines mit Zwischen- kühler versehenen Strömungskompressors, da durch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fluiddiehten nach bzw. vor der Kühlung er höht wird, wenn die Kompressorbelastung sinkt, und gesenkt wird, wenn die Kompres- sorbelastung steigt. UN TER.AN SPRU CH 1. Claim I: A method for operating a flow compressor provided with an intercooler, characterized in that the ratio of the fluid drawn after or before the cooling is increased when the compressor load drops and is reduced when the compressor load increases. SUBSCRIBE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Änderung der art vorgenommen wird, dass die Temperatur f des Fluidums nach der Kühlung wenigstens annähernd die Temperatur der Atmosphäre bei der niedersten verlangten Betriebslast des Kompressors ist und mit zunehmender Bela stung progressiv ansteigt. The method according to claim 1, characterized in that the change is made such that the temperature f of the fluid after cooling is at least approximately the temperature of the atmosphere at the lowest required operating load of the compressor and increases progressively with increasing load. PATENTANSPRUCH II: Einrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, gekennzeich net durch Reguliermittel zur Änderung der Wirkung des Zwischenkühlers und auf Än derungen der Kompressorbelastung anspre chende Steuermittel zur Steuerung der ge nannten Reguliermittel derart, dass das Ver- hältnis der Fluiddichten nach bzw. vor Küh lung erhöht wird, wenn die Kompressorbela- stung sinkt, und gesenkt wird, wenn diese Be lastung steigt. UNTERANSPRÜCHE: 2. PATENT CLAIM II: Device for carrying out the method according to claim I, characterized by regulating means for changing the effect of the intercooler and for changing the compressor load, controlling means for controlling the regulating means mentioned in such a way that the ratio of the fluid densities according to or before cooling is increased when the compressor load decreases and is decreased when this load increases. SUBCLAIMS: 2. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulier mittel die Strömungsgeschwindigkeit Aines Kühlfluidums im Zwischenkühler ändern. 3. Einrichtung nach Patentansprueh TI, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel auf den Druckdes in den Zwischenkühler ein strömenden, komprimierten Fluidums anspre chen. Einrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel auf die Drehzahl des Rotors wenigstens eines Kompressorteils ansprechen. Device according to patent claim II, characterized in that the regulating means change the flow rate of a cooling fluid in the intercooler. 3. Device according to patent claim TI, characterized in that the control means respond to the pressure of a compressed fluid flowing into the intercooler. Device according to Patent Claim 1I, characterized in that the control means respond to the speed of the rotor of at least one compressor part.
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