DE3346633C1

DE3346633C1 - Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Axialventilatoren

Info

Publication number: DE3346633C1
Application number: DE3346633A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich 7920 Heidenheim Banzhaf
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1984-10-25
Also published as: ES538928A0; BE901291A; IT8468263A1; IT8468263A0; CH666941A5; ES8605618A1; FR2557216B1; IT1182329B; ZA8410051B; FR2557216A1; AU3712884A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pumpengrenzregelung von Axialventilatoren mit verstellbaren Laufradschaufeln im stabilen Betriebsbereich unter Berücksichtigung des Hysteresebereichs mittels einer Regeleinrichtung unter Erfassung der Regelgrößen Druckerhöhung und Volumenstrom.

Axialventilatoren haben einen stabilen und einen instabilen Betriebsbereich, die beide unter unstetigem Verlauf der Ventilatorkennlinie (bei einem Ventilator mit festen Laufradschaufeln) oder des Kennlinienfeldes (bei einem Ventilator mit verstellbaren Laufradschaufeln) ineinander übergehen.

In F i g. 1 ist eine Kennlinie der erstgenannten Ventilatorbauform im Druckerhöhung Ap_ges-Volumenstrom V- Diagramm bei konstanter Ventilatordrehzahl π und konstantem Laufradschaufelwinkel ß_s dargestellt. Wenn an den Ventilator nur eine Rohrleitung und eine variable Drossel einer Anlage angeschlossen ist, so kann der Betriebspunkt des Ventilators entlang der gesamten Kennlinie gefahren werden.

Bei weit geöffneter Drossel liefert der Ventilator einen großen Volumenstrom V bei geringer Druckerhöhung Apges (Betriebspunkt 1). Mit zunehmender Drosselung wird der Volumenstrom ständig kleiner (Betriebspunkt 2,3 und 4). Im Betriebspunkt 5 liefert der Ventilator seine maximal mögliche Druckerhöhung im stabilen Kennlinienbereich a. Bei weiterer Drosselung reißt die Strömung an den Laufradschaufeln ab und die Druckerhöhung des Ventilators geht plötzlich zurück (Betriebspunkt 6). Schließt man die Drossel noch weiter, so steigt die Druckerhöhung des Ventilators zwar wieder an (Betriebspunkt 7), die Strömung an den Schaufeln bleibt jedoch abgerissen. Der Ventilator arbeitet (»pumpt«) nun im instabilen Betriebsbereich b seiner Kennlinie. Dieser Betriebsbereich ist möglichst zu vermeiden, da

— hohe,Biege- und Wechselkräfte an den Laufradschaufeln auftreten,

— die Lager hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind,

— das gesamte angeschlossene Kanalsystem durch ständige Druckschwankungen schwingungsmäßig belastet wird,

— der Ventilator erheblich lauter wird,

— das Überspringen in den instabilen Bereich im normalen Ventilatorregelkreis Probleme mit sich bringt und

— im Extremfall mit Schaden am Ventilator und an der Anlage gerechnet werden muß.

Wird die Drossel wieder geöffnet, so arbeitet der Ventilator in vielen Fällen nach Erreichen des Betriebspunktes 6 nicht gleich wieder auf dem stabilen Zweig der Kennlinie. Erst nach Überschreiten des Betriebspunktes 8 erfolgt bei 9 eine Rückführung auf den Betriebspunkt 3 im stabilen Bereich. Es entsteht also ein Hysteresebereich c (schraffiert in F i g. 1), der vom stabilen Kennlinienbereich her durch den Punkt 3 begrenzt ist (Hysteresegrenze). Der Übergang von Betriebspunkt 5 auf 6 oder von Betriebspunkt 9 auf 3 geschieht plötzlich; Zwischenpunkte können dabei nicht erreicht werden. Außerdem können im stabilen Abschnitt a der Kennlinie zwischen den Punkten 3 und 5 bereits geringfügige Störeinflüsse den Ventilator dazu veranlassen, auf den instabilen Kennlinienzweig b überzuwechseln.

Bei der zweitgenannten Bauform von Ventilatoren, deren Laufradschaufelwinkel in Betrieb verändert werden kann, wird als Druckerhöhung-Volumenstrom-Diagramm ein Kennlinienfeld dargestellt (Fig.2). Unter Zugrundelegung wiederum konstanter Ventilatordrehzahl π sind im Diagramm die Kennlinien eines Ventilators bei unterschiedlichen Laufradschaufeln ß_s aufgenommen.

In das Diagramm gemäß F i g. 2 ist als Abreißgrenze d die Verbindung sämtlicher Punkte 5 (siehe F i g. 1) der einzelnen Kennlinien eingezeichnet. Die durch die Verbindung der Punkte 3 gegebene Hysteresegrenze ist mit e bezeichnet. Des weiteren ist eine Grenzlinie / eingetragen, welche durch die Punkte 9 der Kennlinien verläuft. Durch Projektion des jeweiligen Punktes 9 in Richtung der Ordinate ist der Punkt 10 gefunden. Die Verbindungslinie dieses Punktes 10 sämtlicher Kennlinien ist als Grenzlinie g bezeichnet. Schließlich ist im Diagramm der F i g. 2 eine Anlagenkennlinie h mit parabolischem Verlauf eingezeichnet, die gegeben ist, wenn dem Ventilator mehrere, ihren Drosselzustand nicht ändernde Verbraucher einer Anlage nachgeschaltet sind. Durch Störeinflüsse in der Anlage kann sich die Anlagenkennlinie jedoch verändern und der bisher im stabilen Bereich seiner Kennlinie sowie im Bereich optimalen Ventilatorwirkungsgrades liegende Betriebspunkt B die Grenzlinie / in Richtung auf die Abreißgrenze d überschreiten.

Um nun das Arbeiten (»Pumpen«) des Ventilators im instabilen Betriebsbereich zu verhindern, hat man bisher anhand der Parameter Volumenstrom Vund Druckerhöhung Apges den Betriebspunkt B überwacht und mittels eines Pumpgrenzreglers aus den folgenden Gründen unter Berücksichtigung der auftretenden Hysteresis im stabilen Betriebsbereich nur unterhalb der Grenzlinie /in F i g. 2 halten können.

Wie F i g. 3 als Ausschnitt aus einem Kennlinienfeld entsprechend F i g. 2 zeigt, liegt hier ein Betriebspunkt C sowohl auf dem instabilen Zweig b\ einer Ventilatorkennlinie mit dem Laufradschaufelwinkel ßs 1 als auch auf dem stabilen Zweig a2 einer Kennlinie mit dem Schaufelwinkel ß_s 2. Das bisher angewandte Regelverfahren vermag anhand der erfaßten Parameter V und Jpges nicht zu unterscheiden, ob der Ventilator auf der Kennlinie $ 1 oder der Kennlinie ß_s 2 gefahren wird. Erst unterhalb der Betriebspunkte 9 und der durch diese Punkte verlaufenden Grenzlinie /ist eine eindeutige Zuordnung eines Betriebspunktes durch die Parameter Ϋ und Ap_ges zum stabilen Betriebsbereich des Ventilators gegeben. Bei dem bekannten Regelverfahren, welches

ein Überschreiten der Regelgrenzlinie /verhindert, wird zwar ein sicherer Betrieb und Schutz des Ventilators im stabilen Betriebsbereich erzielt, jedoch bleibt ein relativ weiter Bereich oberhalb dieser Grenzlinie /für den Ventilatorbetrieb bei hohem Wirkungsgrad ungenutzt. Dies gilt insbesondere für mehrstufige Axialventilatoren, bei denen der Hysteresebereich größer ist als bei einstufigen Ventilatoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für Axialventilatoren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen sich der Betriebsbereich bis nahe oder unmittelbar an die Abreißgrenze erstreckt und eine sichere Zuordnung des Betriebspunktes zum stabilen Zweig der Ventilatorenkennlinie erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Betriebspunkt des Ventilators bis zur Grenzlinie g, unterhalb der dem erzeugten Volumenstrom bei einem bestimmten Schaufelwinkel eine eindeutige Druckerhöhung zugeordnet ist, anhand der Regelgrößen Laufradschaufelwinkel ß_s sowie Volumenstrom V und über die Grenzlinie # hinaus bis zur Abreißgrenze d zusätzlich mittels der Regelgröße Druckerhöhung Ap_ges erfaßt wird.

Bereits durch die Erfassung der Regelgröße Laufradschaufelwinkel ß_s ist es möglich, den Betriebspunkt B bis an die Grenzlinie g zu legen. Wie F i g. 3 zeigt, wird durch vertikale Projektion des Punktes 9 der Kennlinie ß_s 1 auf dem stabilen Kennlinienzweig a\ bei einem minimalen Volumenstrom V_m,-„ 1 der Punkt 10 gefunden, durch den die Grenzlinie g gelegt ist. Bei einem unterhalb dieser Grenzlinie g betriebenen Ventilator kann der Pumpgrenzregler anhand der gemessenen Regelgröße ß_s und V den Betriebspunkt B sicher erfassen, da bis zur Grenzlinie feinem bei einem bestimmten Schaufelwinkel ß_s geförderten Volumenstrom T^eine eindeutige Druckerhöhung Ap_ges zuzuordnen ist. Bereits durch die Anwendung dieses Verfahrensschrittes der Erfindung, für die Teilschutz beansprucht wird, ist eine erhebliche Vergrößerung des nutzbaren Kennlinienfeldes (von Grenzlinie /nach Grenzlinie gin F i g. 2) bei stabiler Betriebsweise des Ventilators erzielt.

Mit dem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, auch die Druckerhöhung Ap_ges als zusätzliche Regelgröße zu erfassen, wird erreicht, daß der dem Ventilator zugeordnete Regler den Betriebspunkt B bzw. C auch sicher im Kennlinienfeld (F i g. 2 und 3) zwischen der Grenzlinie g und der Abreißgrenze d überwachen kann. Wird mit dem Regler beispielsweise festgestellt, daß der Ventilator anstelle der Druckerhöhung Apges, wie sie beim Betrieb auf den stabilen Zweig a\ der Kennlinie ß_s 1 bei den Volumenströmen V zwischen den Punkten 5 und 10 erzielt wird, eine geringere Druckerhöhung liefert, so liegt ein Abriß der Strömung und Betrieb im instabilen Kennlinienbereich vor. Es wird also außer den bisher benötigten Regelgrößen ß_s und Ϋ noch zusätzlich eine Entscheidung verlangt, ob die Druckerhöhung Ap_ges die Größe hat, die zu einem Ventilatorbetrieb im stabilen Bereich des Kennlinienfeldes notwendig ist.

Wird durch schnelle Druckänderungen in der Anlage trotzdem die Grenzlinie g (bei Regelung anhand der Regelgrößen ß_s und V) oder die Abreißgrenze d (bei Regelung mit der zusätzlichen Regelgröße Ap_ges) überschritten, so kann der Ventilator in den stabilen Betriebsbereich zurückgeführt werden, indem vom Regler der Laufradschaufelwinkel zuerst zurückgenommen wird, bis der Betriebspunkt B bzw. C unterhalb der Hysteresegrenze e auf dem stabilen Zweig der entsprechenden Kennlinie ß_s liegt. Anschließend wird der Schaufelwinkel wieder langsam vergrößert, um den Betriebspunkt B bzw. C auf dem stabilen Kennlinienzweig der Grenzlinie g bzw. der Abreißgrenze dzn nähern.

Nachfolgend ist anhand eines Blockschaltbildes in F i g. 4 der Aufbau des Regelsystems bei einem Axialventilator mit verstellbaren Laufradschaufeln beschrieben.

An den zur Förderung von Luft vorgesehenen Ventilator 20 ist eine Rohrleitung 21 angeschlossen. An zwei Meßorten 22 und 23 der Rohrleitung wird über eine Druckdifferenzmessung der Istwert des Volumenstroms Vist gemessen, im Meßumformer 24 in einen dem Volumenstrom proportionalen elektrischen Strom / umgeformt und einem externen Volumenstromregler 25 zugeführt. Dieser vergleicht den umgeformten Istwert mit einem gleichfalls umgeformten Sollwert des Volumenstroms Vsoii- Sobald eine Abweichung auftritt, wird vom Volumenstromregler 25 ein Stellsignal Y_an über die Leitung 26, 27 an ein Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln abgegeben, welche der Abweichung entgegenwirkt.

In der Leitung 26,27 ist außerdem ein Pumpgrenzregler 29 angeordnet. Diesem wird vom Meßumformer 24 ebenfalls das dem Istwert des Volumenstroms V;_st proportionale Signal zugeführt. Weitere in einen proportionalen Strom umgeformte Signale erhält der Pumpengrenzregler 29 von den Meßumformern 30, 31 und 32. Mit dem Meßumformer 30 wird an den Meßorten 22 und 33 die Druckerhöhung Aßp_ges erfaßt. Dem Meßumformer 31 wird als Signal die am Meßort 34 der Rohrleitung 21 ermittelte Temperatur f der geförderten Luft zugeführt. Mit dieser Meßgröße wird im Pumpgrenzregister 29 die Druckdifferenzmessung korrigiert, um eine eindeutige Bestimmung des Istwerts des Volumenstroms Vist zu erzielen. Der Meßumformer 32 erhält als Meßsignal den Laufradschaufelwinkel ß_s, der am Meßort 35 mittels eines Stellungsrückmelders am Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln gemessen wird.

Anhand der dem Pumpengrenzregler 29 zugeführten proportionalen Signale für Volumenstrom Y[_St, Druckerhöhung Apges und Laufradschaufelwinkel ß_s überwacht dieser die Lage des Betriebspunktes B bzw. C im Kennlinienfeld des Ventilators 20 (vgl. F i g. 2 und 3). Solange der Betriebspunkt B bzw. C unterhalb der Grenzlinie g (bei Regelung anhand der Größen Laufradschaufelwinkel ß_s und Volumenstrom V) bzw. der Abreißgrenze d (bei Regelung zusätzlich anhand der Größe Druckerhöhung Apges) liegt, wird das Stellglied Y_ei„ des Volumenstromreglers 25 unverändert wieder aus dem Pumpgrenzregler 29 als Signal Y_aus herausgeführt und an das Stellgerät 28 für die Verstellung der Laufradschaufeln weitergeleitet. Wird jedoch vom Volumenstromregler 25 eine Schaufelverstellung verlangt, aufgrund welcher der Betriebspunkt B bzw. C über der Grenzlinie g bzw. der Abreißgrenze d liegen würde, so wird das Stellsignal vom Pumpgrenzregler 29 korrigiert, d.h. verkleinert. Außerdem wird bei einem unvorhergesehenen Abriß der Strömung an den Laufradschaufeln der Betriebspunkt 5 bzw. Cvom Pumpgrenzregler 29 durch Verkleinerung des Laufradschaufelwinkels wieder in den stabilen Betriebsbereich zurückgeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Pumpgrenzregelung von Axialventilatoren mit verstellbaren Laufradschaufeln im stabilen Betriebsbereich unter Berücksichtigung des Hysteresebereichs mittels einer Regeleinrichtung unter Erfassung der Regelgrößen Druckerhöhung und Volumenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebspunkt des Ventilators bis zur Grenzlinie g, unterhalb der dem erzeugten Volumenstrom bei einem bestimmten Schaufelwinkel eine eindeutige Druckerhöhung zugeordnet ist, anhand der Regelgrößen Laufradschaufelwinkel ß_s sowie Volumenstrom V" und über die Grenzlinie g hinaus bis zur Abreißgrenze d zusätzlich mittels der Regelgröße Druckerhöhung Ap_ges erfaßt wird.