DE2155311A1

DE2155311A1 - Vorrichtung zur steuerung eines turbokompressors

Info

Publication number: DE2155311A1
Application number: DE19712155311
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Duettmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1971-11-06
Filing date: 1971-11-06
Publication date: 1973-05-10
Also published as: GB1364785A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern eines Turbokompressors, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk;,

Ein mit konstanter Drehzahl laufender Turbokompressor verdichtet ein durch seine Auslegung bestimmtes Luftvolumen auf ein ebenso bestimmtes Druckverhältnis JC « PpZp₁ (P₁ ^m Druck am Eintritt in den Verdichter; ρ » Druck am Ausgang des Verdichters). Vermindert man die Fördermenge der Luft,, steigt dieses Druckverhältnis und nähert sich dabei einer Grenze, bei der infolge partiellen oder vollständigen Abreißens der Strömung an den Verdichterschaufeln der Volumenstrom im Kompressor gestört wird und gegebenenfalls ganz zusammenbricht. Meist äußert sich dies in schlagartigen, periodisch aufeinander folgenden Stoßen. Man sagt dann, der Verdichter "pumpt". Seine Bauteile, besonders die Schaufeln, können dadurch außerordentlich stark mechanisch beansprucht und unter Umständen ganz plötzlich zerstört werden. Zu jeder Drehzahl eines Verdichters gehört ein bestimmter Luftdurchsatz und ein bestimmtes Druckverhältnis, bei dem das Pumpen einsetzt. Verbindet man die entsprechenden Punkte im Kennfeld, so erhält man die sogenannte "Pumpgrenze" des betreffenden Kompressors.

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Wegen der Gefährlichkeit des Pumpens hat es nicht an zahllosen Versuchen gefehlt, eine wirksame Schutzeinrichtung gegen das Überfahren der Pumpgrenze zu schaffen. Es wurde z.B. versucht, die Strömung entlang von Schaufelprofilen zu messen und die bevorstehende Strömungsablösung dabei zu erfassen. Auch Messungen der Meridian-, Abström- und Anström geschwindigkeiten vor und nach einzelnen odor mehreren Schaufelgittern im Innern eines Verdichters wurden wiederholt, beispielsweise mit Hitzdrahtsonden durchgeführt.

Weiterhin wurde versucht, die Machzahl (M_n-) am Korapressoraustritt als Steuerparameter zu benutzen (DT-OS 1 601 560). Eine Regelung ist aber dabei nur dann möglich, wenn die gemessene Machzahl mit einer vorgegebenen Soll-Machzahl verglichen wird· Der Sollwert ergibt sich aus der theoretischen Vorausberechnung des Verhaltens des betreffenden Verdichters. Daher werden Serien-Toleranzstreuungen, Anströmungsstörungen und dergleichen nur ungenügend erfaßt, was im praktischen Einsatz zu erheblichen Störungen des Triebwerks führen kann.

Weiterhin wurde versucht» auf pneumatischem Wege ein Abblaseventil direkt anzusteuern (DT-^OS 1 6oi 6.37). Dieses Regelprinzip benutzt ähnliche Elemente wie sie auch in der "Fluidic8"-Technik benutzt wurden. Es ist sehr aufwendig und spricht erst an, wenn es zum Pumpen kommt. Außerdem aind die dabei benötigten Elemente schwierig einzustellen. ™ Auch hier können sich Serien-Toleranzatreuungen, Anströmschwankungen und dergleichen störend auswirken.

Eine weitere bekannte Vorrichtung (DTl 426 317) vermeidet zwar die Nachteile, die mit der theoretischen V'orausbereclmung der Verdichter-Pumpgrenze zwangsläufig entstehen, ist aber sehr kompliziert aufgebaut. Hierbei muß nämlich der Strömungszustand an einer oder gar an mehreren Schaufeln erfaßt werden. Zusätzlich wird ein pneumatischer Impulsgenerator als Vergleichs-Luftquelle benötigt. Das Anbohren von Schaufelprofilen ist sehr schwierig und teuer, bei kleinen

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Maschinen unter Umständen sogar unmöglich.

Schließlich ist bei mehrstufigen Verdichtern kein wirksamer Pumpschutz gewährleistet, wenn man die Strömung nur an einer seiner Stufen erfaßt. Das eingangs Gesagte gilt nämlich auch für jede Einzelstufe: In einem mehrstufigen Verdichter ist diejenige Stufe am meisten gefährdet, die unter den jeweiligen Fahrbedingungen ihrer (Stufen-) Pumpgrenze am nächsten arbeitet. Der Sicherheitsabstand, d.h. der Abstand von Fahrlinie zu Pumpgrenze, ändert sich aber im Betrieb ständig, so daß z.B. unter einer angenommenen Fahrbedingung χ die erste, unter einer anderen Bedingung y aber die letzte Stufe zuerst ins Pumpen gerät. Wenn auch nur eine Stufe im Pumpbereich arbeitet, bringt sie damit im allgemeinen auch den gesamten Verdichter zum Pumpen. Aus der Vielfalt der möglichen Fahrbedingungen, unter die auch alle praktisch vorkommenden Fälle von Störungen der Anströmung vor dem Verdichter gezählt werden müssen, ergibt sich zwangsläufig, daß eine ausreichende analytische Bestimmung derjenigen Stufe, die am meisten gefährdet sein wird und an der logischerweise die Überwachungseinrichtung angeordnet werden sollte, weder theoretisch noch praktisch (durch Vorvereuche) möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Pumpverhinderungsvorrichtungen zu vermeiden und eine Meßvorrichtung zu erstellen, die mit einfachsten Mitteln größte Sicherheit gegen das Erreichen der Pumpgrenze bietet. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß sich alle Turbokompressoren ohne Rücksicht auf ihre Bauart oder ihre Stufenzahl bei Annäherung an die Pumpgrenze ähnlich verhalten. Die beim Drosseln des Durchsatzes zunächst etwa proportionale Zunahme des Druckverhältnisses wird nämlich immer kleiner, je mehr man sich der Pumpgrenze nähert. Bei manchen Verdichtern nimmt das Druckverhältnis nach Erreichen eines Maximums gegen die Pumpgrenze hin sogar wieder ab.

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In einem ganz bestimmten Abstand vox* der Pumpgrenze beginnende Ablösungserscheinungen an den Schaufeln haben außerdem zur Folge_t daß Durchsatz und Austrittedruck zunehmend in Schwingungen versetzt werden, wobei sich insbesondere Amplitude und Frequenz in der vom Verdichter angesaugten oder abgegebenen Gesamtströmung, die auch bei völlig gesunder Strömung mit leichten Druckschwankungen pulsiert, verändern«

Die vorgenannten Aufgaben werden durch die Erfindung dadurch gelöst, daß am Eingang und/oder Ausgang des Verdichters mindestens ein bzw» je ein elektrischer Druckgeber angeschlossen ist, dessen bzw. deren mit hoher Abtastrate " abgegriffene Drucksignale eine elektrisch leitende Verbindung zu einem elektronisch arbeitenden Schaltgerät übermitteln, das bei Überschreiten eines Grenzwertes ein Warnsignal oder automatisch ein Regelgerät betätigt. Bei Verwendung von zwei Druckgebern, wobei einer am Eingang und einer am Ausgang des Verdichters angeordnet ist, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis der von den Druckgebern gemessenen Drücke *TC m ■ ■■ ermittelt und die Abweichung im Anwachsen von ff gegenüber seiner proportionalen Zunahme bei Drosselung der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals oder einer Regelfunktion verwendet werden. Andererseits kann die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer mit leichten Druckschwankungen pulsierenden "gesunden" Strömung als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals oder einer Regelfunktion verwendet werden.

Die Meßeinrichtung kann so ausgestaltet sein, daß an Jedem Druckgeber ein Umsetzer zur Aufbereitung des. Meßsignals angeschlossen ist und der oder die Umsetzer mit einem Stufenraster zur Abtastung der Meßsignale verbunden sind,

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dem eine von Hand oder automatisch einstellbare Signalschwelle und ein mit "Logik" bezeichneter Elektronikbaustein nachgeschaltet sind, der die Meßsignale miteinander oder mit vorhergehenden vergleicht und bei Überschreitung von Grenzwerten die Warnsignalauslösung oder die Schaltung des Regelgeräts veranlaßt.

Die Regelung der Fahrlinie eines Turboverdichtere bei vorgegebener Drehzahl ist nur durch Beeinflussung des angesaugten oder abgegebenen Luftstroms möglich_u Dazu gibt es zahlreiche Regelungsmöglichkeiten (Erfassung von Drücken, Umsetzung der Druckanzeige in elektrische Meßsignale, Weiterverarbeitung dieser Signale), denen gemeinsam ist, daß sie alle von der vorgeschlagenen Erfindung angesteuert werden können.

Wesentlich ist bei der Erfindung, daß die Regelung unabhängig von Toleranzeinflüssen, von Anströmungsstorangen, von klimatischen und Höheneinwirkungen u.dgl. ist. Ablösungserscheinungen an den Schaufeln und damit das Auftreten größerer Schwingungen vor der Pumpgrenze bleiben im ganzen Drehzahlbereich des Verdichters charakteristisch erhalten und unabhängig von äußeren Einflüssen, wie dem Umgebungsdruck, unter dem der Verdichter arbeitet. Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang noch, daß die Ablösungserscheinungen' bei schneller Drosselung eher, d.h. in einem etwas größeren Abstand vor der Pumpgrenze einsetzen als bei langsamer Drosselung·

Ein Vorteil ist, daß sich die Reaktionsschwelle für den Druck oder die beiden zu erfassenden Drücke innerhalb der Elektronik jedem einzelnen Verdichtertyp genau anpassen läßt und gegebenenfalls auch empirisch nachgestellt werden kann, so daß der damit gegebene Pumpschutz über dem gesamten Arbeitsbereich des Kompressors wirksam bleibt, beispielsweise auch während des Anlassens von Gasturbinen, beim Start oder

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der Landung von Plugzeugen· Auch Störungen der Verdichteranströmung, z.B. Unsymmetrie, verlieren ihren schädlichen Einfluß auf den Verdichter, da sie sich im Kernfeld ähnlich wie eine Drosselung auswirken und damit von der vorgeschlagenen Pumpwarn- bzw. -Verhinderungsanlage unter Kontrolle gehalten werden.

Zur Erfassung der Drücke am Einlauf und nach Austritt des Verdichters werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Staurohre oder sonstige in den Strömungskanal hineinragende Teile verwendet, sondern elektrische Druckgeber handelsüblicher Bauart. Diese sind unempfindlich gegenüber ^ mechanischen Beanspruchungen. Durch sie können auch Schaufeln des Kompressors nicht beschädigt werden, wie dies früher oft durch abbrechende Staurohre und dergleichen der Fall war. Die gesamte vorgeschlagene Warn- bzw. Pumpverhinderungsanlage ist einfach im Aufbau, wirtschaftlich in der Herstellung und dabei sehr wirkungsvoll.

In der Zeichnung ist ein Axialströmungskompressor mit einer daran angeschlossenen elektronisch arbeitenden Schalteinrichtung schematisch dargestellt.

Am Eingang und am Auegang des in der Zeichnung schematisch dargestellten Axialströmungskompressors 1 sind handelsübliche elektrische Druckgeber 2 und 3 angeschlossen. Von diesen führen Leitungen 4 und 5 zu je einem Umsetzer 6 und zur Aufbereitung der von den Druckgebern 2 und 3 abgegebenen Meßsignale. Diesen Umsetzern ist ein Abtastgerät 8 zur Abtastung der von den Umsetzern kommenden Meßsignale, ein sogenannter Stufenraster, nachgeschaltet· Dem Stufenraster folgt eine Signalschwelle 9_t die von Hand oder für automatischen Betrieb so einstellbar ist, daß sie Signale weitergibt, die durch vorbestimmte Grenzwerte überschreitende Drücke entstanden sind. Diesem Gerät ist ein Elektronikbaustein, eine sogenannte "Logik" H nachgeschaltet, die

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die in zeitlich sehr kurzen Abständen nacheinander am Eingang und am Ausgang des Verdichters abgetasteten Signale beider Druckgeber 2 und 3 miteinander vergleicht und einen Impuls gegebenenfalls an das nachgeschaltete Warnsignal 12 oder das nachgeschaltete Regelgerät 13 weitergibt. Mit dem Regelgerät 13 kann in üblicher Weise auf die Steuerung des Verdichters eingewirkt werden) bei einem im Zusammenhang mit einem Gasturbinentriebwerk arbeitenden Kompressor, gegebenenfalls dadurch, daß die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer geregelt wird* Im anderen Falle kann der Kompressor beispielsweise dadurch gesteuert werden, daß eine an ihm vorgesehene Öffnung Ik im Kompressormantel mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen wird« Die Öffnung ik kann an einen Bypass 15 angeschlossen werden, mit dem die durch diese Leitung aus dem Kompressor austretenden Gase dem Gasstrom an geeigneter Stelle nach dem Verdichter wieder zugeleitet werden.

Bei der Verwendung der in der Zeichnung dargestellten beiden Druckgeber 2 und 3 ^am Eingang und am Ausgang des Kompressors 1 wird das Verhältnis der von ihnen gemessenen Drücke *Ti " Po ^: P* ermittelt und die Abweichung im Anwachsen von <JJ~ gegenüber seiner proportionalen Zunahme bei Drosselung der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung des Warnsignals durch die Warnvorrichtung 12 oder für die Auslösung einer Regelfunktion durch das Regelgerät 13 verwendet.

Wird nur ein einziger Druckgeber eingesetzt, der beispielsweise am Ende des Kompressors angeordnet ist, dann werden durch die Elektronik die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer mit leichten Druckschwankungen pulsierenden "gesunden" Strömung überwacht und im gegebenen Falle als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignale oder einer Regelfunktion benutzt.

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Die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen können selbstverständlich auch bei der Verwendung der Druckgeber 2 und 3 zur Auslösung von Warnsignal oder Regelfunktion herangezogen werden.

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Claims

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Ansprüche

[ 1.) Vorrichtung zur Steuerung eines Turbokompressors, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang und/oder am Ausgang des Kompressors (l) ein bzw. je ein oder mehrere elektrische Druckgeber (2, 3) angeschlossen sind, dessen bzw« deren mit hoher Abtastrate abgegriffene Drucksignale eine elektrisch leitende Verbindung einem elektronisch arbeitenden Schaltgerät (6 - 11) übermitteln, das bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Warnsignal (12) oder automatisch ein Regelgerät (13) betätigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Druckgeber (2, 3) oder, bei Anordnung mehrerer Geber pro Ebene, an jeder - in geeigneter Form schaltungsmäßig zusammengefaßten - Druckgebergruppe (2, 3) ein Unsetzer (6, 7) zur Aufbereitung des Meßsignals angeschlossen ist und der oder die Umsetzer (6, 7) «it einem Stufenraster (8) zur Abtastung der Meßsignale verbunden sind, dem eine von Hand oder automatisch einstellbare Signalschwelle (9) und ein mit "Logik" bezeichneter Elektronikbaustein (ll) nachgeschaltet sind, der die Meßsignale miteinander oder mit vorhergehenden vergleicht und bei Überschreitung von Grenzwerten die Auslösung des Warnsignals (12) oder die Schaltung des Regelgerätes (13) veranlaßt.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei oder mehreren Druckgebern (2, 3) das Verhältnis der von ihnen gemessenen Drücke TT* ι ermittelt und die Abweichung

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im Anwachsen von ¹JC gegenüber seiner proportionalen Zunahme bei Drosselung der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals (12) oder einer Regelfunktion (13) verwendet wird· -

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer mit leichten Druckschwankungen pulsierenden "gesunden" Strömung als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals (12) oder einer Regelfunktion (von 13) verwendet wird.

5· Vorrichtung zur Steuerung des Kompressors für ein Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (l) durch Steuern der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer regelbar ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (l) durch Offnen und Schließen einer Öffnung (l4) im Kompressormantel regelbar ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnung ein Bypass (15) anschließbar ist.

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