CH407401A - Method and device for controlling a thermal flow machine - Google Patents

Method and device for controlling a thermal flow machine

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Publication number
CH407401A
CH407401A CH1250363A CH1250363A CH407401A CH 407401 A CH407401 A CH 407401A CH 1250363 A CH1250363 A CH 1250363A CH 1250363 A CH1250363 A CH 1250363A CH 407401 A CH407401 A CH 407401A
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CH
Switzerland
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guide vanes
flow path
machine
working medium
section
Prior art date
Application number
CH1250363A
Other languages
German (de)
Inventor
Jenny Ernst Ing Dr
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
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Publication date
Application filed by Bbc Brown Boveri & Cie filed Critical Bbc Brown Boveri & Cie
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Publication of CH407401A publication Critical patent/CH407401A/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/167Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes of vanes moving in translation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/46Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/462Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  

  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.



  Method and device for controlling a thermal flow machine The invention relates to a method and a device for controlling a thermal flow machine, which blades at least one row of running blades and a row of non-rotatable guide vanes and whose housing walls limiting the flow through the machine are designed as fixed construction parts .



  In many cases, the working area of a thermal flow machine with a grid of fixed guide vanes is not sufficient for all operating requirements. In the case of turbines, for example, it is often desirable to be able to change their swallowing capacity and thus their output quickly. Single or multi-stage compressors for supplying compressed air networks, in the chemical industry or in steelworks, often require a very wide delivery volume range with an almost constant delivery pressure.

   A similar problem exists with exhaust gas turbo compressors on engines that have to deliver high mean pressure over a wide speed range. However, the boost pressure decreases sharply as the engine speed drops, with the diffuser in the turbo compressor unchanged. In order to prevent this, on the one hand the flow cross-section of the guide apparatus of the radial or axial turbine should be able to be reduced, on the other hand the pumping of the compressor must be prevented. Difficulties can arise on the compressor even if the turbine nozzle is fixed.

   In four-stroke engines, if the engine speed is reduced at constant mean pressure, the operating point moves on a curve that is flatter than the surge limit of the compressor, so that there is a tendency to surge at reduced speed. The same difficulty occurs with two-stroke engines under low load when the turbo compressor has to promote densities in parallel with engine or externally driven flushing compressors. This latter case will be discussed in more detail for clarity; however, it is only one of the problems which the present invention solves.



  In the diagram of FIG. 1, V denotes the volume of air drawn in or conveyed, p the boost pressure. A two-stroke engine swallows an amount of air in accordance with the parabolic curve M. If a scavenging compressor now supplies part Sv of the air, the turbo compressor still has the part Tv to deliver. The operating points of the turbo compressor must therefore lie on curve B. 2 denotes an operating point with high engine load, and 1 denotes an operating point at low partial load.

   The curves P1 and P2 are surge limits of the radial compressor, which result in a diffuser arranged in the outlet diffuser with a narrow or wide inlet cross section. Curves C1 and C2 are corresponding operating characteristics at constant compressor speed that are chosen to pass through point 2. With the P1-C2 combination, the compressor works in point 2, i.e. with a high motor load, in the range of the best efficiency.

    At partial load, however, point 1 comes to lie to the left of the surge limit P2, so that stable operation is no longer possible. In order to be able to drive stably also in point 1, i.e. at low partial load, a diffuser must be selected that gives the surge limit P1. With a high engine load, however, operating point 2 is far away from the surge limit, where the compressor only has a reduced efficiency.

   It would therefore be desirable to have an adjusting device available in order to be able to move to point 2 with a setting which results in the surge limit P2, and point 1 with a setting which results in P1. In this way, the compressor characteristics could be largely adapted to the engine load. There are various adjusting devices known in order to fill the various tasks that occur during the operation of turbomachines and require regulation or control.

   In a radial compressor, for example, one of the boundary walls of the outlet diffuser is displaced in parallel. The realization of this idea is not very easy in terms of construction. There is also a device known to dissipate part of the working fluid through a between entry and exit of the impeller in the delimiting wall lying lowing gap, which can be changed by moving a curved section of this wall.

   The discharge of sucked-in working fluid into the open air, which has already covered part of the conveying path through the machine, means energy loss that cannot be recovered, which significantly reduces the compressor efficiency. It should also not be overlooked that in all versions with movable walls, jerking or detachment losses inevitably occur due to corners and edges jumping forwards or backwards in the flow path of the working medium.



  Rotatable guide vanes are often used in axial turbines and compressors. This one direction is very appropriate, but the adjustment mechanism is relatively complicated and can hardly be accommodated in small units. They are mainly used where a fine adjustment is to be achieved with the help of a sensitive control, i.e. in larger units where one percent loss or gain in efficiency is very important.



  The enumeration of these disadvantages, difficulties and limitations shows that there is still no generally applicable method or a device operating according to it to enable a thermal flow machine to be adapted to the respective operating conditions with simple and relatively cheap means. This requirement corresponds to the measure according to the invention in which the free cross-section in the flow path of the working medium can be changed abruptly by displaceable guide vanes.



  The drawing shows an embodiment for which the bladed diffuser of a radial compressor was chosen. FIG. 2 shows an axial section through the diffuser and the adjustment mechanism along the line II-11 in FIG. 3;

      FIG. 3 shows a radial section through the diffuser along the line III-III in FIG. 2 and further possible variations. In both figures, the same parts are provided with the same reference numerals.



  The diffuser 3 provided with guide vanes 2 adjoins the impeller 1. In the housing 4 additional guide vanes 5 are housed, which are inserted in the direction of their longitudinal axis in the flow path of the Ar beitsmittel and can be retracted back into the housing. In this way, the free cross section for the Ar flowing through is changed abruptly. The passage through the housing wall 6 takes place through the slot 7, which corresponds exactly to the profile shape of the blade. To avoid eddy losses, it is advantageous if the top surface 8 of the blade 5 in the retracted position forms a smooth surface with the housing wall 6.



  In order to enable the blades 5 to move back and forth, each of them is connected to a bolt 9 which is guided in a bearing body 10. As soon as the piston-like underside 11 of the bolt is acted upon by pressurized gas, be this moves forward and pushes the additional Liche shovel in the flow path of the work means; if the pressure decreases, the coil spring 12 pulls the bolt back into its original position and a larger flow cross section is released. It would also be possible not to provide each blade and its bolt with its own drive, but to connect all the blades via a ring that z. B. is axially displaced with three power pistons.



  It is important that the pushing-in process takes place quickly, but not too suddenly, but only attenuated, so as not to damage the top surface 8 of the blades. This can be made possible by appropriate coordination of gas pressure and spring force. For safety, a stop for the spring plate 13 is provided on the inside of the bearing body 10. On the other hand, it must be ensured that the blade 5 lies tightly against the opposing wall 14, since every gap causes a disturbance of the flow.



  Of course, the movement of the blades can also be carried out by a hydraulic, mechanical, electrical or other drive who the. When using pressure oil, complete tightness against the working medium is essential in most cases. The use of pressurized gas, however, has various advantages. The overpressure prevents dust from entering the adjustment mechanism. Sufficiently large standing forces are generated to safely overcome friction and other resistances and to carry out the insertion quickly enough. Compressed gas can also be taken from the working medium on the flow path through the machine, so it is available at all times.

   If a compressor is used in conjunction with an internal combustion engine, compressed air is usually also available.



  It depends on the available space, the type of flow at the point in question and the extent of the desired displacement of the operating area, which shape is preferred for the additional guide vanes. One solution is to increase the number of blades in the diffuser by inserting blades 15 of the same type between the already existing guide blades 2 (FIG. 3). This creates a swing grid with good effect, but the achievable narrowing of the free flow cross-section and the shift in the operating range are not very large.

   A better effect is achieved by thick blades 5, which block a substantial part of the free cross-section, but are only permitted at lower Mach numbers. Due to their shortness, they are easy to accommodate structurally. In this regard, blades with the profile 16 and 17 are even cheaper. The former are a front wing to the fixed guide vanes, while the latter extend them inward. These can be used not only to narrow the free cross section, but also to change the entry angle. It would also be possible to clean the leading edges of the stationary guide vanes at the same time as such additional vanes are pushed in.



  Whichever shape is chosen for the additional guide vanes, it is essential that they form a rotationally symmetrical lattice that organically adapts to the lattice of the stationary guide vanes. Instead of the sudden adjustment, it would in principle also be possible not to put all the blades together, but rather to push them in staggered, i.e. in groups. Furthermore, it can also be advantageous to combine two blade shapes and first insert the blade grid with one, then the blade grid with the other blade shape. It would be possible to achieve three operating ranges of the machine.



  If the bladed outlet diffuser of a radial compressor was chosen as an exemplary embodiment for guide vanes that can be displaced in the direction of their longitudinal axis, they can be used just as well as in combination with stationary guide vanes, but also on their own, e.g.

   B. use in a non-bladed diffuser, but equally for the Vorrotationsgibter, for axially as for radially flowed machines, with the insertion direction parallel, oblique or perpendicular to the axis of rotation of the machine. Another, but similar in essence, possibility of changing the free flow cross-section is to move the guide vanes already present in the flow path of the working fluid perpendicular to their longitudinal axis.

   In FIG. 3, the changed position 19 of the left guide vane 18 is indicated by dashed lines. The shift can take place in the direction of the profile axis, but also parallel to it, for. B. radially inward. In both cases, the result is a reduction in the cross-section of the inlet to the diffuser. This constructive solution is practically only possible for blades whose longitudinal axis is arranged parallel or obliquely to the axis of rotation of the machine. If the longitudinal axis was perpendicular to it, it would not be very effective. As mentioned at the beginning, turbo compressors often require a very wide delivery volume range with an almost constant delivery pressure.

    This requirement is met by the described device with its various possible variations in a sufficient and structurally simple manner. For large volumes, the diffuser is set with a wide inlet cross-section, for small volumes the setting with a narrow inlet cross-section. Switching from the wide to the narrow cross-section is expediently carried out by means of a control pulse as soon as the operating point approaches the pump limit too closely with decreasing delivery volume.

   If the compressor is used to charge a two-stroke engine, as shown for example in FIG. 1, then its operating points must lie on curve B. Point 2 is driven with the wide inlet cross-section to which the pump limit P2 corresponds. When the load drops, the delivery rate and delivery pressure decrease and the operating point moves downwards. Before it gets too close <I> to </I> P2 or even overlaps, z. B. in the vicinity of point A, the adjustment device in action.

   By inserting additional guide vanes or by moving the guide vanes present in the flow path, the free flow cross-section is abruptly reduced and the surge limit is shifted to P1. Now even small partial loads can be driven down to point 1 without the risk of pumping. When the load increases again, the reverse process occurs. The impulse to adjust the blades can come from the engine performance, the engine speed, the boost pressure or a combination thereof. In general, one of its operating parameters can be used for the impulse generation of every machine.

      The described device for controlling a turbomachine can be used to advantage above all where continuous readjustment for setting the best possible efficiency is not important, but a sudden change in the operating range is sufficient. Such a device is structurally relatively simple, therefore less prone to disruption and low in costs and only requires an uncomplicated pulse generator that responds when the set limit is reached.

 

Claims (1)

PATENTANSPRüCHE I. Verfahren zur Steuerung einer thermischen Strömungsmaschine, die mindestens eine Reihe Lauf schaufeln und eine Reihe unverdrehbarer Leitschau- feln aufweist und deren die Strömung durch die Ma schine begrenzenden Gehäusewände als feststehende Bauteile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Arbeitsmittels der freie Querschnitt sprungartig veränderlich ist. Il. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Arbeitsmittels verschiebbare Leitschaufeln (5, 15, 16, 17, 18) angeordnet sind. PATENT CLAIMS I. A method for controlling a thermal fluid-flow machine which has at least one row of blades and a row of non-rotatable guide vanes and whose housing walls limiting the flow through the machine are designed as fixed components, characterized in that the free flow path of the working medium Cross-section is changeable suddenly. Il. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that displaceable guide vanes (5, 15, 16, 17, 18) are arranged in the flow path of the working medium. UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichneü, dass die im Strömungsweg bereits vor handenen Leitschaufeln (18) senkrecht zu ihrer Längsachse verschiebbar sind. 2. Einrichtung nach Patentanspruch II, gekenn zeichnet durch zusätzliche Leitschaufeln (5, 15, 16, 17), die im Maschinengehäuse (4) untergebracht und in Richtung ihrer Längsachse in den Strömungsweg des Arbeitsmittels einschiebbar sind. SUBClaims 1. Device according to claim I, characterized in that the guide vanes (18) already present in the flow path can be displaced perpendicular to their longitudinal axis. 2. Device according to claim II, characterized by additional guide vanes (5, 15, 16, 17) which are housed in the machine housing (4) and can be pushed in the direction of their longitudinal axis into the flow path of the working medium. 3. Einrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (8) der in das Maschinengehäuse (4) zurückgezogenen Leitschaufel (5, 15, 16, 17) mit der Gehäusewand (6) eine strö mungsglatte Fläche bildet. 4. Einrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (5, 15, 16, 17, 18) mit Hilfe von Druckgas verschoben werden. 5. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas dem Arbeitsmittel auf dem Strömungsweg durch die Maschine entnom men wird. 6. 3. Device according to dependent claim 2, characterized in that the top surface (8) of the guide vane (5, 15, 16, 17) retracted into the machine housing (4) forms a smooth surface with the housing wall (6). 4. Device according to claim 1I, characterized in that the guide vanes (5, 15, 16, 17, 18) are moved with the aid of compressed gas. 5. Device according to dependent claim 4, characterized in that the compressed gas is taken from the working medium on the flow path through the machine. 6th Einrichtung nach Patentanspruch II und Unter ansprüchen 1 und 2 bei einem Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass bei abnehmender Fördermenge und Annäherung des Betriebspunktes an die Pump grenze die Leitschaufeln (5, 15, 16, 17, 18) im Sinne einer Verkleinerung des freien Strömungsquer schnittes verschoben werden. Device according to claim II and dependent claims 1 and 2 in a compressor, characterized in that with decreasing delivery rate and approaching the operating point to the pump limit the guide vanes (5, 15, 16, 17, 18) in the sense of a reduction of the free flow cross-section be moved.
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