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Verfahren und Vorrichtung zum Regeln hintereinandergeschalteter Kreiselverdichter
Bei der Gestaltung von Kreiselverdichtern ist man vielfach aus baulichen Gründen
gezwungen, die Stufen in mehreren Gehäusen anzuordnen, und aus Regelungsgründen
erhält dann oft jede dieser Stufen ihren eigenen Antrieb. Namentlich bei hohen Druckverhältnissen
erhalten Verdichter axialer Bauart so steile Kennlinien, daß bei größeren Schwankungen
im Luftdurchsatz die Möglichkeit des Betriebes der Verdichterteile mit verschiedener
Drehzahl sehr erwünscht ist.
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Die 1-,Irfitidutig befaßt sich mit der Regelung solcher hintereinandergeschalteter
Einzelverdichter mit getrenntem Antrieb durch je eine Kraftmaschine, die entweder
ein Elektromotor oder eine Dampfturbine oder eine Gasturbine sein kann. Das Ziel
der Regelung ist die Zuweisung einer solchen Drehzahl der Teilverdichter, daß der
geringste Leistungsaufwand für den Antrieb nötig wird und damit ein Betriebszustand
erreicht wird, bei dem auch die vorhandenen Kennfelder der Einzelverdichter so ausgenutzt
werden können, daß der mittlere Gütegrad der Verdichtung ein Optimum wird. Erfindungsgemäß
erfolgt .demnach die Regelung so, daß das Verhältnis der wirklichen Temperaturerhöhung
des zu verdichtenden Mediums zu derjenigen hei adiabatischer (verlustloser) Verdichtung
möglichst gegen i geht. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Regelvorrichtung,
durch die eine genaue Festlegung
der günstigsten Drehzahl der hintereinandergeschalteten
Einzelverdichter unabhängig von dem jeweils geforderten Enddruck erreicht wird.
Dabei wird der Betriebspunkt des im oberen Druckbereich arbeitenden Teilverdichters
durch einen normalen Druckregler mit Drehzahlbegrenzung durch einen Fliehkraftregler
bestimmt. Dieser Druckregler spricht auf einen vorgegebenen Sollwert an, wie er
z. B. bei Drucklufterzeugungsanlagen verlangt wird oder bei Gleichdruckgasturbinenanlagen
als Anfangsdruck für eine geforderte Nutzleistung notwendig ist. Im letzten Falle
können dann die Antriebsmaschinen der Einzelverdichter parallel oder hintereinandergeschaltete
Teilturbinen mit und ohne Zwischenüberhitzung des Arbeitsgases sein.
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Uni den optimalen Wert z. B. elektrisch festzustellen, wird die bekannte
Wheatstonesche Brückenschaltung als Meßprinzip für das Verhältnis von elektrischen
Widerständen verwendet. Die wirkliche Temperaturerhöhung der verdichteten Luft gegenüber
dem Ansaugezustand der Umgebung läßt sich leicht mit Hilfe der Temperaturveränderlichkeit
des elektrischen Widerstandes bei Beheizung eines Teilwiderstandes der Brückenschaltung
durch die verdichtete Luft feststellen. Die Umsetzung der dem vorliegenden Druckverhältnis
entsprechenden adiabatischen Temperaturerhöhung der Verdichtungsluft in eine Widerstandsänderung
(als Impuls für einen Regelvorgang innerhalb der Wheatstoneschen Brücke) wird auf
mechanischem Wege über eine Kurvenscheibe einfach verwirklicht. Es geschieht .dies
durch einen Wiegehebel mit Einleitung der wirksamen Drücke vor und 'hinter dem Teilverdichter
als Kräfte senkrecht zur Hebelachse, so daß das Druckverhältnis
als wirksame Hebellänge eines dieser Druckimpulse auftritt. Dies ergibt über eine
Kurvenscheibe mit dem Bildungsgesetz
-i in Abhängigkeit von diesem Weg kinematisch übersetzt eine Auslenkung des Gleitstückes
für den Angriff des Druckimpulses hinter dem Teilverdichter, die auch auf dem entsprechenden
Teilwiderstand der Brücke den elektrischen Widerstand im Verhältnis der adiabatischen
Temperaturerhöhung verändert. Damit ist das für den Gütegrad der Verdichtung maßgebende
Temperaturverhältnis, elektrisch meßtechnlisch erfaßt, an der Wheatstoneschen Brücke
zum Einsatz gebracht. Die Abstimmung der übrigen Widerstände erfolgt im Einklang
mit dem Auslegepunkt der Verdichter, die wohl meistens in nächster Nähe des Wirkungsgradmaximums
liegen werden. Namentlich bei Teillast werden sich für die Einzelverdichter zunächst
Betriebspunkte einstellen, die nicht immer dem bestmöglichen Gesamtwirkungsgrad
entsprechen, und das Relais an der Strombrücke hat dann die Aufgabe über einen Stellmotor
die Drehzahlverstellung der Einzelverdichter, z. B. durch Veränderung der Federvorspannung
der F liehkraftneglermuffe oder durch Verschiebung der Büchse mit den Steuerschlitzen
an druckölgestetierten Servomotoren, so lange zu hetätigen, bis eine möglichst große
Annäherung an die bei Vollast und bestem Gesanttwirkungsgrad in der Brücke abgestimmte
Widerstandsverteilung vorhanden ist, wodurch dann auch die Einzelverdichter mit
den günstigsten Drehzahlen laufen werden. Im Interesse eines guten Gütegrades der
Einzelverdichter kann man zusätzlich Ouerschnittsveränderungen an Leitapparaten,
7_tiströmrolirleitungen der Strömungsmaschine mit 1 11 die Regelung einbeziehen.
Zu erwähnen ist noch, daß bei mehrteiligen Verdichtern ohne Zwischenkühlung die
Anordnung einer Übertragungseinrichtung für die wirkliche Gesamttemperaturerhöhung
sowie für die der Gesamtdrucksteigerung entsprecdliende verlustlose Temperaturerhöhung
genügt, claß aber bei Zwischenkühlung diese Einrichtungen für jeden Verdichterteil
dazwischen notwendig wird. Die Summierung der sich ergebenden Widerstandsänderungen
ist allerdings ohne weiteres möglich. Die Bedeutung dieser Regeleinrichtung nach
der Erfindung tritt besonders bei den großen Verdichtern von Gleichdruckgasturlyinenanlagen
in Erscheinung, bei denen je nach der Frischgastemperatur der Anteil der Verdichtungsarbeit
an der für eine gewisse Nutzleistung aufzubringenden Gesamtarbeit recht groß ist.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Regelvorrichtungen
nach der Erfindung in schematischer Weise dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine
Regelvorrichtung für zwei hintereinandergeschaltete Verdichter mit elektrischen
Antrieb ohne Zwischenkühlung und Abb.2 eine Regelvorrichtung für zwei hintereinandergeschaltete
'\'erdichter mit Antrieb durch je eine Strömungskraftmaschine mit Zwischenkühlung.
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In Abb. i werden die zwei Verdichter Vi und G'., ohne Zwischenkühlung
des Fördermittels durch zwei Elektromotoren :1l, und jl, angetrieben. Der Förderdruck
p, wird durch den Druckregler i geregelt, der sowohl den Ouerschnitt, wie z. B.
die Klappe 2 am Verdichtereintritt, als auch die Drehzahl des Verdichters VZ über
den Feldregler 3 des Elektromotors M, beeinflußt. Die wirkliche Temperaturerhöhungil-t,
(to=Umgel>ungstemperatur) kann ohne weiteres am Widerstand 1171 der W'heatstonesc'hen
Brücke wirksam werden, wenn derselbe von der verdichteten Luft beheizt wird. Die
der Druckerhöhung
entsprechende verlustlose Temperatursteigerung wird zwecks Übertragung auf den Teilwiderstand
W2 dNer Brücke mittels der Druckdosen für Dpz und Dp, auf den Hebel 4 eingeleitet,
wo das Druckverhältnis im Gleichgewichtsfall als Hebellänge a in Erscheinung tritt.
Am Gleitstück 5 für ,den Angriff von 4., ist eine Abwälzkurve 6 mit dem Bildungsgesetz
-i vorgesehen, durch welche die Auslenkung a am Wiegehehel in eine andere (= b)
verwandelt wird. Jeder Änderung
ist damit eine Änderung von a und b zugeordnet, wobei letztere unmittelbar
als Änderung des Widerstandes W., ausgewertet werden kann. Der Abgleich
sich
ändernder Widerstände W1, W2 im Rahmen der Brückenschaltung erfolgt über das Relais
R in der Strombrücke, welche das Schütz SCH beeinflußt, von wo aus über den
Feldregler 6 in diesem Fall nur die Drehzahl des Elektromotors Ihh eingeregelt wird.
Statt der elektrischen Relais R kann auch ein elektrischer Leistungsregler, ein
Frequenzregler oder ein sogenannter Falirplanregler Verwendung finden.
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Nach 2 werden die beiden Verdichter Vi und V2 durch die Turbinen TI
und T2 angetrieben, wobei eine Rückkühlung des Fördermittels durch den Kühler K
vorgesehen ist. Die Turbine T2 wird über den Druckregler i i, vorgewählt durch den
Solldruck-,vähler 12 mit einer derartigen Drehzahl gefahren, daß bei gleichzeitiger
Verstellung der Querschnittsregelurig 13 die als Drosselklappe an der Ansaugleitung
angedeutet ist, der geforderte Gegendruck p.2 eingehalten wird. Die Turbine TI hat
eine Drehzahlverstelleinrichtung i.1 durch Veränderung der Nlufenfederspannung am
Fliehkraftregler, die ein Stellmotor 15 betätigt, welcher durch das Schütz 16gesteiiert
wird. Das Schütz 16 erhält seine Steuerimpulse vom Relais 17, an der Wheatstoneschen
Brücke, in welcher sowohl die Teileinflüsse der wirklichen Temperaturerhöhung in
den von der Luft der einzelnen Verdichterteile aufgeheizten Widerständen (li-'i)i
und (lT-'@)., als auch diejenigen der adiabatischen Temperaturerhöhungen in den
übersetzten Widerstandsänderungen an den Teilwiderständen (W2)1 und (W2)2 durch
ßintereinanderschalten addiert werden können. Da bei Gasturbinen sehr einfach mit
der Drehzahlverstellung auch die Brennstoffzufuhr für die vorgeschaltete Brennkammer
oder die Zwischenüberhitzung des Arbeitsmittels in der Turbine entweder unmittelbar
oder mittelbar durch hydraulischen oder elektrischen Servomotor gekoppelt werden
können, lassen sich Leistung und Gasdurchsatz derTurbine damit sehr wesentlich beeinflussen.
lil der Abh.2 ist das für die Antriebsturbine T2 strichpunktiert angedeutet. Die
Brennkammer 8 erhält den Kraftstoff dosiert durch das Ventil 4, das über den Servomotor
io mit Drehzahlverstelleinrichtung i-. verbunden ist.