Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer thermischen Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung einer thermischen Strö mungsmaschine, die mindestens eine Reihe Lauf schaufeln und eine Reihe unverdrehbarer Leitschaufeln aufweist und deren die Strömung durch die Maschine begrenzenden Gehäusewände als feststehende Bau teile ausgebildet sind.
In vielen Fällen genügt der Arbeitsbereich einer thermischen Strömungsmaschine mit einem Gitter feststehender Leitschaufeln nicht für alle Betriebs erfordernisse. Beispielsweise ist es bei Turbinen oft erwünscht, ihr Schluckvermögen und damit ihre Lei stungsabgabe rasch ändern zu können. Von ein- oder mehrstufigen Verdichtern zur Speisung von Druck luftnetzen, in der chemischen Industrie oder in Stahlwerken wird oft ein sehr breiter Fördervolumen- bereich mit annähernd konstantem Förderdruck ver langt.
Ein ähnliches Problem besteht bei Abgas turboverdichtern an Motoren, die über einen weiten Drehzahlbereich hohen Mitteldruck abgeben müssen. Der Aufladedruck nimmt aber bei unveränderlichem Leitapparat im Turboverdichter mit sinkender Mo tordrehzahl stark ab. Um dies zu verhindern, sollte einerseits der Durchflussquerschnitt des Leitapparates der Radial- oder Axialturbine verkleinert werden können, anderseits muss das Pumpen des Verdichters verhindert werden. Selbst bei festem Leitapparat der Turbine können am Verdichter Schwierigkeiten auf treten.
Bei Viertaktmotoren wandert der Betriebs punkt, wenn die Motordrehzahl bei konstantem Mitteldruck verringert wird, auf einer Kurve, die flacher ist als die Pumpgrenze des Verdichters, so dass bei reduzierter Drehzahl Pumpneigung besteht. Die gleiche Schwierigkeit tritt bei Zweitaktmotoren unter geringer Last auf, wenn der Turboverdichter parallel zu motor- oder fremdgetriebenen Spülver dichtern fördern muss. Dieser letztere Fall soll zur Verdeutlichung eingehender besprochen werden; er stellt jedoch nur eines der Probleme dar, die durch die vorliegende Erfindung ihre Lösung finden.
Im Schaubild Fig. 1 bedeutet V das angesaugte bzw. geförderte Luftvolumen, p den Aufladedruck. Ein Zweitaktmotor schluckt eine Luftmenge ent sprechend der parabelartigen Kurve M. Wird nun durch einen Spülverdichter ein Teil Sv der Luft ge liefert, so verbleibt dem Turboverdichter noch der Anteil Tv zu fördern. Die Betriebspunkte des Turbo verdichters müssen daher auf der Kurve B liegen, Mit 2 ist ein Betriebspunkt hoher Motorlast, mit 1 ein Betriebspunkt bei tiefer Teillast bezeichnet.
Die Kurven P1 und P2 sind Pumpgrenzen des Radial verdichters, die sich bei einem im Austrittsdiffusor angeordneten Leitapparat mit engem bzw. weitem Eintrittsquerschnitt ergeben. Die Kurven C1 und C2 sind entsprechende Betriebscharakteristiken bei kon stanter Verdichterdrehzahl, die so gewählt sind, dass sie durch den Punkt 2 gehen. Bei der Kombination P1-C2 arbeitet der Verdichter im Punkte 2, also bei hoher Motorlast, im Bereiche besten Wirkungsgrades.
Bei Teillast kommt aber der Punkt 1 links der Pumpgrenze P2 zu liegen, so dass stabiler Betrieb nicht mehr möglich ist. Um auch im Punkte 1, also bei tiefer Teillast, stabil fahren zu können, muss ein Leitapparat gewählt werden, der die Pumpgrenze P1 ergibt. Bei grosser Motorlast liegt dann aber der Betriebspunkt 2 weit von der Pumpgrenze ent fernt, wo der Verdichter nur einen verminderten Wirkungsgrad hab.
Es wäre daher erwünscht, eine Verstelleinrichtung zur Verfügung zu haben, um den Punkt 2 bei einer Einstellung fahren zu können, welche die Pumpgrenze P2 ergibt, und den Punkt 1 bei einer Einstellung, welche P1 ergibt. Auf diese Weise könnte die Verdichtercharakteristik der Mo torlast weitgehend angepasst werden. Es sind verschiedenartige Verstelleinrichtungen bekannt, um die mannigfaltigen Aufgaben zu er füllen, die beim Betrieb von Strömungsmaschinen auftreten und eine Regelung oder Steuerung erfor dern.
So wird beispielsweise bei einem Radialver- dichter eine der Begrenzungswände des Austrittsdif- fusors parallel verschoben. Die Verwirklichung dieser Idee ist aber konstruktiv nicht ganz einfach. Es ist auch eine Einrichtung bekannt, um einen Teil des Arbeitsmittels durch einen zwischen Ein- und Aus tritt des Laufrades in der begrenzenden Wand lie genden Spalt abzuführen, der durch Verschiebung eines Bogenstückes dieser Wand verändert werden kann.
Die Ableitung von angesaugtem Arbeitsmittel ins Freie, das bereits einen Teil des Förderweges durch die Maschine zurückgelegt hat, bedeutet nicht zurückgewinnbaren Energieverlust, der den Verdich- terwirkungsgrad wesentlich herabsetzt. Auch darf nicht übersehen werden, dass bei allen Ausführungen mit verschiebbaren Wänden durch vor- oder zurück springende Ecken und Kanten im Strömungsweg des Arbeitsmittels unvermeidlicherweise Stoss- oder Ab lösungsverluste auftreten.
Bei Axialturbinen und -verdichtern werden oft mals verdrehbare Leitschaufeln angewendet. Diese Ein richtung ist sehr zweckentsprechend, doch ist der Verstellmechanismus verhältnismässig kompliziert und bei kleinen Einheiten kaum unterzubringen. Man verwendet sie vor allem dort, wo mit Hilfe einer empfindlichen Regelung eine Feineinstellung erzielt werden soll, also in grösseren Einheiten, bei denen ein Prozent Wirkungsgradverlust bzw. -gewinn sehr ins Gewicht fällt.
Die Aufzählung dieser Nachteile, Schwierigkeiten und Beschränkungen zeigt, dass noch kein allgemein anwendbares Verfahren oder eine danach arbeitende Einrichtung besteht, um mit einfachen und verhält nismässig billigen Mitteln die Anpassung einer thermi schen Strömungsmaschine an die jeweiligen Betriebs bedingungen zu ermöglichen. Dieser Forderung ent spricht die erfindungsgemässe Massnahme bei der im Strömungsweg des: Arbeitsmittels der freie Quer schnitt durch verschiebbare Leitschaufeln sprung- artig veränderlich ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wofür der beschaufelte Diffusor eines Radialverdichters gewählt wurde. Fig.2 zeigt einen Axialschnitt durch den Diffusor und den Verstell- mechanismus nach der Linie II-11 in Fig.3;
in Fig.3 sind ein Radialschnitt durch den Diffusor nach der Linie III-III in Fig.2 und noch weitere Variationsmöglichkeiten veranschaulicht. In beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
An das Laufrad 1 schliesst der mit Leitschaufeln 2 versehene Diffusor 3 an. Im Gehäuse 4 sind zu sätzliche Leitschaufeln 5 untergebracht, die in Rich tung ihrer Längsachse in den Strömungsweg des Ar beitsmittels eingeschoben und wieder in das Gehäuse zurückgezogen werden können. Auf diese Weise wird der freie Querschnitt für das durchströmende Ar beitsmittel sprungartig verändert. Der Durchtritt durch die Gehäusewand 6 erfolgt durch den Schlitz 7, der genau der Profilform der Schaufel entspricht. Zur Vermeidung von Wirbelverlusten ist es von Vorteil, wenn die Deckfläche 8 der Schaufel 5 in der zurückgezogenen Stellung mit der Gehäusewand 6 eine strömungsglatte Fläche bildet.
Um die Hin- und Herbewegung der Schaufeln 5 zu ermöglichen, ist jede von ihnen mit einem Bolzen 9 verbunden, der in einem Lagerkörper 10 geführt ist. Sobald die kolbenartig ausgebildete Unterseite 11 des Bolzens mit Druckgas beaufschlagt wird, be wegt sich dieser nach vorne und schiebt die zusätz liche Schaufel in den Strömungsweg des Arbeits mittels; lässt der Druck nach, zieht die Schrauben feder 12 den Bolzen wieder in seine Ausgangslage zurück und ein grösserer Strömungsquerschnitt ist freigegeben. Es wäre auch möglich, nicht jede Schau fel und ihren Bolzen mit einem eigenen Antrieb zu versehen, sondern alle Schaufeln über einen Ring zu verbinden, der z. B. mit drei Kraftkolben axial verschoben wird.
Es ist wichtig, dass der Einschiebevorgang zwar rasch, aber nicht zu schlagartig, sondern nur ge dämpft vor sich geht, um die Deckfläche 8 der Schaufeln nicht zu beschädigen. Durch zweckmässige Abstimmung von Gasdruck und Federkraft aufeinan der kann das ermöglicht werden. Zur Sicherheit ist an der Innenseite des Lagerkörpers 10 noch ein An schlag für den Federteller 13 vorgesehen. Anderseits muss dafür gesorgt sein, dass die Schaufel 5 an der Gegenwand 14 dicht anliegt, da jeder Spalt eine Störung der Strömung verursacht.
Selbstverständlich kann die Bewegung der Schau feln auch durch einen hydraulischen, mechanischen, elektrischen oder sonstigen Antrieb ausgeführt wer den. Bei Verwendung von Drucköl ist in den meisten Fällen eine vollkommene Dichtheit gegen das Ar beitsmittel unerlässliche Voraussetzung. Die Verwen dung von Druckgas hingegen weist verschiedene Vor teile auf. Der Überdruck verhindert das Eindringen von Staub in den Verstellmechanismus. Es werden genügend grosse Stehkräfte erzeugt, um die Reibung und andere Widerstände sicher zu überwinden und das Einschieben hinreichend rasch durchzuführen. Auch kann Druckgas dem Arbeitsmittel auf dem Strömungsweg durch die Maschine entnommen wer den, steht also jederzeit zur Verfügung.
Wird ein Verdichter im Zusammenhang mit einem Verbren nungsmotor verwendet, ist meist auch Druckluft verfügbar.
Es hängt von den Platzverhältnissen, der Art der Strömung an der betreffenden Stelle und dem Ausmass der gewünschten Verschiebung des Betriebs bereiches ab, welche Form für die zusätzlichen Leit- schaufeln jeweils vorzuziehen ist. Eine Lösung be steht darin, die Schaufelzahl im Diffusor zu ver grössern, indem zwischen die schon vorhandenen Leitschaufeln 2 gleichartige Schaufeln 15 eingescho- ben werden (Fig. 3). Es entsteht dadurch ein Schau felgitter guter Wirkung, doch ist die erreichbare Verengung des freien Strömungsquerschnittes und die Verschiebung des Betriebsbereiches nicht sehr gross.
Eine bessere Wirkung wird durch dicke Schau feln 5 erzielt, die einen wesentlichen Teil des freien Querschnittes versperren, jedoch nur bei tieferen Machzahlen zulässig sind. Durch ihre Kürze sind sie konstruktiv leicht unterzubringen. Noch günstiger sind in dieser Hinsicht Schaufeln mit den Profil formen 16 und 17. Die ersteren stellen einen Vor flügel zu den feststehenden Leitschaufeln dar, wäh rend die letzteren sie nach innen verlängern. Mit diesen lässt sich nicht nur eine Verengung des freien Querschnittes, sondern auch eine Änderung des Ein trittswinkels erreichen. Ferner wäre es möglich, mit dem Einschieben derartiger Zusatzschaufeln gleich zeitig die Vorderkanten der feststehenden Leitschau- feln zu reinigen.
Welche Form für die zusätzlichen Leitschaufeln auch gewählt wird, wesentlich ist, dass sie ein rota tionssymmetrisches Gitter bilden, das sich dem Gitter der feststehenden Leitschaufeln organisch anpasst. Statt der sprungartigen Verstellung wäre es prinzi piell auch möglich, nicht alle Schaufeln zusammen, sondern sie gestaffelt, also in Gruppen einzuschieben. Ferner kann es auch vorteilhaft sein, zwei Schaufel formen zu kombinieren und erst das Schaufelgitter mit der einen, dann das Schaufelgitter mit der ande ren Schaufelform einzuschieben. Es würden sich damit drei Betriebsbereiche der Maschine erzielen lassen.
Wenn vorstehend als Ausführungsbeispiel für in Richtung ihrer Längsachse verschiebbare Leitschau- feln der beschaufelte Austrittsdiffusor eines Radial verdichters gewählt wurde, so lassen sie sich, ebenso gut wie in Kombination mit feststehenden Leitschau- feln, doch auch für sich allein, also z.
B. in einem unbeschaufelten Diffusor anwenden, gleicherweise aber für das Vorrotationsgibter, für axial wie für radial durchströmte Maschinen, mit der Einschiebe richtung parallel, schräg oder senkrecht zur Rota tionsachse der Maschine. Eine andere, aber dem Wesen nach ähnliche Möglichkeit zur Änderung des freien Strömungsquer schnittes besteht darin, die im Strömungsweg des Arbeitsmittels bereits vorhandenen Leitschaufeln senkrecht zu ihrer Längsachse zu verschieben.
In Fig. 3 ist bei der linken Leitschaufel 18 die geänderte Stellung 19 gestrichelt angedeutet. Die Verschiebung kann dabei in der Richtung der Profilachse, aber auch parallel zu ihr erfolgen, z. B. radial nach innen. Das Ergebnis ist in beiden Fällen eine Verkleinerung des Eintrittsquerschnittes in den Leitapparat. Diese konstruktive Lösung kommt praktisch nur für Schau feln in Frage, deren Längsachse parallel oder schräg zur Rotationsachse der Maschine angeordnet ist. Bei senkrecht dazu stehender Längsachse wäre sie wenig wirkungsvoll. Wie eingangs erwähnt, wird von Turboverdich tern oftmals ein sehr breiter Fördervolumenbereich mit annähernd konstantem Förderdruck verlangt.
Dieser Forderung wird durch die beschriebene Ein richtung mit ihren verschiedenen Variationsmöglich keiten in genügender und konstruktiv einfacher Weise entsprochen. Für grosse Volumina wird die Einstel lung des Leitapparates mit weitem, für kleine Volu mina die Einstellung mit engem Eintrittsquerschnitt gewählt. Die Umschaltung vom weiten auf den engen Querschnitt erfolgt zweckmässigerweise durch einen Steuerimpuls, sobald sich bei abnehmendem För- dervolumen der Betriebspunkt zu sehr der Pump grenze nähert.
Dient der Verdichter zur Aufladung eines Zweitaktmotors, wie es beispielsweise in Fig.1 dargestellt ist, dann müssen seine Betriebspunkte auf der Kurve B liegen. Der Punkt 2 wird mit dem weiten Eintrittsquerschnitt gefahren, dem die Pump grenze P2 entspricht. Bei sinkender Last nehmen Fördermenge und Förderdruck ab und der Betriebs punkt wandert nach unten. Bevor er zu nahe<I>an</I> P2 herankommt oder gar überschneidet, tritt z. B. in der Nähe des Punktes A die Verstelleinrichtung in Tätigkeit.
Durch Einschieben von zusätzlichen oder durch Verschieben der im Strömungsweg vorhandenen Leitschaufeln wird der freie Strömungsquerschnitt sprungartig verkleinert und die Pumpgrenze nach P1 verschoben. Nun können auch kleine Teillasten bis zum Punkte 1 hinunter ohne Pumpgefahr gefahren werden. Bei wieder ansteigender Last tritt sinnge mäss der umgekehrte Vorgang ein. Der Impuls zur Schaufelverstellung kann dabei von der Motorlei stung, der Motordrehzahl, dem Aufladedruck oder einer Kombination davon ausgehen. Ganz allgemein kann bei jeder Maschine eine ihrer Betriebsgrössen zur Impulsgabe herangezogen werden.
Die beschriebene Einrichtung zur Steuerung einer Strömungsmaschine lässt sich vor allem dort mit Vorteil anwenden, wo es nicht auf eine dauernde Nachregelung zur Einstellung des bestmöglichen Wirkungsgrades ankommt, sondern eine sprungartige, gegebenenfalls stufenweise Änderung des Betriebs bereiches genügt. Eine solche Einrichtung ist kon struktiv verhältnismässig einfach, daher wenig stör anfällig und niedrig in den Kosten und bedarf nur eines unkomplizierten Impulsgebers, der bei Errei chung des eingestellten Grenzwertes anspricht.