DE2502444B2 - Verfahren und Einrichtung zum Anfahren eines Radialventilators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines einstufigen Radialventilators mit einer Druckziffer größer als 1 und einem ausgeprägten Abreißbereich in der Gebläsekennlinie, in einem Drucksystem, beispielsweise dem Kühlkreis eines Turbogenerator, wobei beim Anfahren und Hochfahren über eine mit einem Drosselorgan versehene Anfahrleitung der Systemwiderstand verändert werden kann. Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß Kennlinien von Gebläsen instabile Bereiche, besonders jene von Axialkompressoren, sowie mehr oder minder ausgeprägte Abreißbereiche, besonders jene von Radialventilatoren aufweisen. Diese labilen oder Abreiß-Bereiche sind von der Fachwelt zum Teil als unbefahrbar anerkannt.

Daraus kann gefolgert werden, daß es nicht möglich ist, zu einem gegebenen Drucksystem ein Gebläse derart auszulegen, daß Systemkennlinie und Gebläsekennlinie einen Schnittpunkt im Scheitel der letzteren bilden, in dem Punkt also, welcher die höchstmögliche erreichbare Druckziffer darstellt.

Zu diesem Schluß kommt B. Eck in seinem Buch (Ventilatoren, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1972, Seite 397), wobei er diesen Mangel zumindest teilweise durch Radialventilatoren aufweisen. Diese labilen oder Abreiß-Bereiche sind von der Fachwelt zum Teil als unbefahrbar anerkannt. Daraus kann gefolgert werden, daß es nicht möglich ist, zu einem gegebenen Drucksystem ein Gebläse derart auszulegen, daß Systemkennlinie und Gebläsekennlinie einen Schnittpunkt im Scheitel der letzteren bilden, in dem Punkt also, welcher die höchstmögliche erreichbare Druckziffer darstellt

Zum gleichen Schluß kommt B. E c k in seinem Buch (Ventilatoren, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1972, Seite 397), wobei er diesen Mangel zumindest teilweise durch Anordnen einer Umführungsleitung behebt Anhand eines Druckvolumendiagramms und eines Schaltschemas, welche in der später zu beschreibenden Figur dargestellt sind, zeigt er ein Verfahren zum Anfahren von Gebläsen in Drucksystemen. Über eine das Gebläse umgehende Umführungsleitung, in der eine einstellbare Drosselklappe mit veränderlichem Widerstand angeordnet ist, wird beim Anfahren bis zur Nenndrehzahl in den Ansaugstutzen des Gebläses zurückgeblasen. Es erfolgt demnach keine Förderung in das Drucksystem, wozu ein das Drucksystem abschließender Schieber benötigt wird. Das unbefahrbare labile Gebiet in der Gebläsekennlinie wird umfahren und bei Nenndrehzahl arbeitet das Gebläse in einem Punkt niederen Druckes und hoher Fördermenge. Das Verfahren sieht vor, den Schieber zum Drucksystem langsam und vollständig zu öffnen, wodurch bei weiter abfallendem Druck die Durchflußmenge ansteigt. Eine geringe Menge wird nun erstmals ins Drucksystem gefördert, der Hauptstrom durchströmt noch immer die Umführungsleitung, bis anschließend das sich in letzterer befindliche Drosselorgan ganz geschlossen wird. Jetzt erst wandert der derzeitige Betriebspunkt der Kennlinie entlang zum vorgesehenen Betriebspunkt.

Die Nachteile dieser Anfahrmethode gehen aus obiger Beschreibung hervor. Zum einen ein das Drucksystem schließender Schieber mit veränderlichem Widerstand benötigt und zum anderen liegt der volle Förderdruck erst nach Erreichen der Nenndrehzahl und anschließendem aufeinanderfolgenden Manipulieren von zwei Drosseorganen vor.

Eine dera^rtige Anfahrmethode für Kühlgebläse von Turbogeneratoren ist wegen der genannten Nachteile undenkbar. Um die axiale Länge des Turbogenerators nicht zu vergrößern, ist man gezwungen, einstufige Gebläse zu verwenden, bei welchen zudem aus konstruktiven Gründen (Einfahren des Rotors in den Stator) der größte Durchmesser begrenzt ist. Um das geforderte Druckverhältnis zu erzielen, muß das Gebläse auf eine hohe Druckziffer ausgelegt werden, womit man bewußt entsprechend große Abreißbereiche der Kennlinie in Kauf nimmt, falls es sich um Radialgebläse handelt. Der Abreißbereich teilt die Kennlinie in einen oberen und einen unteren Ast, wobei sich auf letzterem der Betriebspunkt einstellt, falls die Widerstandskennlinie des Kühlsystems durch diesen Bereich verläuft. Ein solcher Betriebspunkt ist charakterisiert durch eine geringe Druckziffer, durch schlechten Wirkungsgrad und durch ein starkes Ventilatorengeräusch. Infolgedessen war man bisher gezwungen, den Ventilator so auszulegen, daß die gegebene Wider-Standskennlinie in sicherem Abstand zum Abreißbereich verläuft. Dies hat zur Folge, daß, obwohl der Betriebspunkt sich auf dem oberen Kennlinienast einstellt, zum einen die erreichbare Druckziffer niedrigere Werte aufweist als es infolge der Ventilatorkennlinie möglich wäre und zum anderen, daß das Gebläse mit relativ niedrigerem Wirkungsgrad, also mit entsprechend hoher Leistungsaufnahme arbeitet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die

vorgängig erwähnten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, welche es erlauben, beim Anfahren eines Radialgebläses den bisher als unerreichbar geltenden Ast oberhalb des Abreißberciches der Gebläsekennlinie zugängig zu machen.

Eifindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Erreichen des Schnittpunktes der auf Grund des offenen Drosselorgans abgeänderten Systemkennlinie mit der Gebläsekennlinie bei einer beliebigen einstellbaren Gebläsedrehzahl zwischen etwa 10 und 100% der Nenndrehzahl das Drosselorgan geschlossen wird, worauf sich der gewünschte — der Gebläsekennlinie und der Systemkennlinie entsprechende — Betriebspunkt selbsttätig einstellt

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß nunmehr betriebssichere Gebläseränder mit sehr hoher Druckziffer zur Verwendung gelangen können.

E? ist zweckmäßig, wenn sich bei zunehmender Gebläsedrehzahl das Öffnungsverhältnis des Drosselorgans stetig und umgekehrt proportional zur jeweiligen Druckziffer einstellt Schon während des Anfahrvorganges kann damit die Druckziffer stetig und fließend bis auf den erreichbaren Höchstwert gesteigert werden.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer das Gebläse umgehenden Anfahrleitung, welche ein Drosselorgan aufweist.

Sie zeichnet sich dadurch aus, daß das Drosselorgan mit einem federbelasteten Verschlußteil versehen ist, wobei das Federelement derart ausgelegt ist, daß der Federweg proportional dem auf den Verschlußttil wirkenden Druck ist. Hierdurch ergeben sich alle Vorteile einer rein mechanisch, automatisch wirkenden und nahezu völlig wartungsfreien Einrichtung die nicht nur bei Neukonstruktionen, sondern jederzeit bei ausgeführten Drucksystemen nachträglich eingebaut werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema eines zum Stande der Technik zählenden Drucksystemes mit Anfahrhilfe,

Fig. 2 Kennlinien der Anordnung nach Fig. 1 in einem Druck-Volumen-Diagramm,

F i g. 3 ein Schaltschema eines Drucksystemes gemäß der Erfindung,

Fig.4 ein Druck-Volumen-Diagramm der Anordnung nach F i g. 3,

Fig.5 Wirkungsgerade und Kennlinien von Radialventilatoren in einem Drucksystem,

Fig.6 schematisch einen axialen Teilschnitt einer e.-findungsgemäßen Einrichtung an einer elektrischen Maschine.

Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Schemen der Fig. 1, 3 und 6 zeigt die Pfeilrichtung jeweils die Strömungsrichtung an. In den Diagrammen der F i g. 2,4 und 5 sind über der Abzissenachse jeweils das Fördervolumen V, über der Ordinatenachse die vom betrachteten Gebläse zu überwindenden Druckdifferenzen Δρ aufgetragen.

Die schematische Anordnung eines Drucksystemes in F i g. 1 und das Schaubild in F i g. 2 entsprechen der vorgängig beschriebenen bekannten Anfahrmethode von Gebläsen. Stromabwärts vom Gebläse 2 eines Drucksystemes 1 ist ein beim Anfahren verschlossener Schieber 3 mit veränderbarem Widerstand angeordnet. Der Systemwiderstand 6 ist ein einem annähernd quadratischen Gesetz gehorchender Widerstand. Wird das Gebläse 2 auf Nenndrehzahl hochgefahren, daraufhin der Schieber 3 langsam geöffnet, so addieren sich der Systemwiderstand 6 und der Widerstand vom Schieber 3 und ergibt sich im Druck-Volumen-Diagramm eine Widerstandskennlinie 7, die die Gebläsekennlinie 8 in ihrem unbefahrbaren, gestrichelten Ast 8_U schneidet Ein derartiges Anfahren ist demnach nicht möglich. Zweigt nun vor und hinter dem Gebläse 2 eine Anfahrleitung, beispielsweise eine Umführungsleitung 4 ab, in welcher ein einen veränderbaren Widerstand aufweisendes Drosselorgan 5 angeordnet ist, welches beim Anfahren ganz geöffnet ist so schneidet bei geschlossenem Schieber 3 und Betriebsdrehzahl die neue Widerstandskennlinie T die Gebläsekennlinie 8 im befahrbaren Ast jedoch bei tiefem Druck 7" entspricht einer Widerstandskennlinie bei offenem Schieber 3 und offenem Drosselorgan 5, T" einer solchen mit offenem Schieber 3 geschlossenem Drosselorgan 5, deren Schnittpunkt mit 8 der gewünschte Betriebspunkt ist In der Fig.3 ist schematisch das Kühlsystem eines Turbogenerators dargestellt, welches gemäß der Erfindung das Drucksystem 1 repräsentiert und einen Widerstand 6 aufweist, welcher annähernd einem quadratischen Gesetz folgt. Gebläse 2 ist ein einstufiger Radialventilator mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln, welcher für die sehr hohe Druckziffer Φ = 1,4 ausgelegt ist. Vor und hinter dem Radialventilator zweigt eine Umführungsleitung 4 mit dem angeordneten, einstellbaren Drosselorgan 5 ab. Im Gegensatz zur bekannten, vorgängig beschriebenen Schaltung wird kein Schieber 3 benötigt.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand dem in F i g. 4 gezeigten Schaubild erläutert. Die Gebläsekennlinie 8 ist für die drei Drehzahlen 1500, 2000 und 3000 Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Der Abreißbereich zwischen dem oberen Ast 8' und dem unteren Ast 8" ist bei allen Drehzahlen ersichtlich. Die Widerstandskennlinie 7 des Systemes hat somit schon beim Anfahren (nicht gezeigt) sowie bei allen gezeigten Drehzahlen einen Schnitt (A, A', A") mit dem unteren Ast 8" der Gebläsekennlinie, wenn das Drosselorgan 5 geschlossen ist.

Der besseren Übersichtlichkeit wegen sei im folgenden ein Anfahrvorgang beschrieben, bei welchem das Drosselorgan 5 vom Beginn an geöffnet ist. Der zu überwindende Systemwiderstand, dargestellt durch die Kennlinie 7', ist durch die Parallelschaltung der den Elementen 6 und 5 entsprechenden Widerstände nunmehr kleiner, was sich bei gleichem Druck in einem höheren Fördervolumen ausdrückt. Bei der Drehzahl 1500 U/min ist Vi die durch das Hauptsystem strömende Menge, während V2 die durch die Umführungsleitung 4 strömende Menge ist. Der Abreißbereich wird umfahren, und der Betriebspunkt ßPstelltsich auf dem oberen Ast 8' der Kennlinie 8 ein. Bei 2000 U/min schließt das Drosselorgan 5 schlagartig, der ursprüngliche Systemwiderstand, dargestellt durch Kennlinie 7, ist wieder maßgebend für den Betriebspunkt, welcher erwartungsgemäß die Kennlinie 8 von BPb\s zum Schnitt mit 7 auf BP' hinaufwandert. Das Gebläse kann nun ohne weiteres auf die Betriebsdrehzahl von 3000 U/min hochgefahren werden, wobei der Betriebspunkt stabil auf de.η oberen Kennlinienast 8' verharrt.

Man hat damit ein Mittel in der Hand, das Gebläse so auszulegen, daß der Betriebspunkt praktisch auf den höchst erreichbaren Druck, dargestellt durch Punkt C, zu liegen kommt.

Das beschriebene Anfahrverfahren mit von Anfang an offenem und anschließend schlagartigem Schließen des Drosselorgan 5 kann auch in abgeänderter, nicht dargestellter Weise durchgeführt werden. So kann das bei Anfang geöffnete Drosselorgan 5 während des Hochfahrens des Gebläses 2 und bis zum Erreichen der Betriebsdrehzahl (300 U/min) stetig schließen, beispielsweise wenn sich das Öffnungsverhältnis des Drosselorgans 5 umgekehrt proportional zur jeweiligen Druckziffer Ψ ändert. Dies gewährleistet ein besonders »sanftes« stoßfreies Anfahren.

Eine dritte, nicht gezeigte Anfahrmöglichkeit ergibt sich, wenn das Gebläse 2 mit geschlossenem Drosselorgan 5 angefahren wird, der jeweilige Betriebspunkt demnach auf dem unteren Kennlinienast 8" liegt (A, A', A"). Bei irgendeiner Drehzahl, beispielsweise bei Betriebsdrehzahl (3000 U/min), genügt ein kurzes öffnen des Drosselorgans 5, um den Betriebspunkt aufgrund des steigenden Förderstromes auf den oberen Ast 8' zu verlagern, wobei er sich beim nachfolgenden Schließen des Drosselorgans zum vorgesehenen Punkt SP'hinaufschiebt.

In der Regel dauert dieser öffnungs- und Schließvorgang nur wenige Sekunden, wobei es sich versteht, daß der Vorgang automatisch vorgenommen werden kann.

Sehr wichtig kann die letztgenannte Methode insbesondere bei kurzandauernden Betriebsstörungen sein, bei welchen die Fördermenge V schlagartig gedrosselt wird, so daß der Betriebspunkt über C auf den unteren Ast 8" abfällt. Da in solchen Fällen sowohl Druck und Durchsatz den geforderten Werten nicht mehr genügen, käme nur ein Abstellen und erneutes Anfahren des Gebläses in Frage. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, durch kurzzeitiges Betätigen des Drosselorgans den ursprünglichen Zustand (Betriebspunkt BP') wieder herzustellen.

In Fig. 5 wird gezeigt, wie zu einer gegebenen Widerstandskennlinie 7 ein zugehöriges Gebläse gewählt werden kann. Der besseren Verständlichkeit wegen werden die nicht gezeigten Gebläse mit Bezugszeichen genannt. Der zu fahrende Betriebspunkt BP' ist durch das verlangte Volumen V und die zu überwindende Druckdifferenz Ag' vorgegeben. Bisher war man gezwungen, beispielsweise ein Gebläse 2a mit der Kennlinie 8a zu wählen, welche durch einen sehr steilen Verlauf und einen ausgeprägten Abreißbereich charakterisiert war, wobei letzterer in einem bestimmten Sicherheitsabstand zur Widerstandskennlinie 7 verlaufen muß. Im Diagramm ist in Funktion vom Volumen V die Wirkungsgradkennlinie η ., aufgetragen, welche einen ähnlichen Verlauf zeigt wie die Gebläsekennlinie 8a Der dem Betriebspunkt BP'entsprechende Wirkungsgrad rj_Bp- liegt erheblich unter dem Scheitelwert der Kennliinie.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun ohne weiteres möglich, das Aststück oberhalb des Abreißbereiches der Kennlinie 8a zu befahren, wie dies durch den fiktiven Betriebspunkt BPf angedeutet wird. Es kann demnach für die vorgegebenen Daten ein Gebläse 26 mit der Kennlinie 8f> vorgesehen werden, welches sich durch eine bedeutend niedrigere Leistungsaufnahme auszeichnet

Wie eine beträchtliche Druckerhöhung mit einem annähernd gleichen Gebläse zu erzielen ist, wird im Schaubild anhand der Kennlinie 8c erläutert. Das entsprechende Gebläse 2c ist für den gleichen Druck ausgelegt wie jenes entsprechend der Kennlinie 8a, jedoch für ein um Δ V größeres Volumen. Dies kann erreicht werden durch eine dem Mehrvolumen entsprechende axiale Verbreiterung des Gebläses 2c bei sonst gleichen Abmessungen. Naturgemäß bedingt eine derartige Maßnahme eine größere Leistungsaufnahme des Gebläses 2c, wenn die bisher erzielbaren Wirkungsgrade für die Berechnung zugrundegelegt werden. Die Verschiebung der Gebläsekennlinie 8c um Δ V gegenüber 8a zieht selbstverständlich eine ähnlich verlaufende Verschiebung der Wirkungsgradkennlinie mit sich. Der neue Betriebspunkt BP" ist nunmehr mit dem Wirkungsgrad ηβρ befahrbar. Es wird eine bedeutende Wirkungsgradverbesserung Δη festgestellt, die sich sinngemäß auf die Leistungsaufnahme auswirkt, und zwar dahingehend, daß die beiden zu vergleichenden Gebläse 8a und 8c annähernd die gleiche Antriebsleistung benötigen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Gewinne sind im Schaubild einmal die Volumensteigerung Δ V", anderen die Erhöhung der Druckdifferenz um Δρ".

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig.6 anhand eines schematischen Teilschnittes des Wickelkopfraumes eines Turbogenerators. Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise Rotor, Stator, Wickelkopf und Lagerung sind fortgelassen. Da von der angedeuteten Maschinenwelle 10 angetriebene Laufrad 11 des Gebläses 2 saugt das Kühlmedium aus dem Rückführkanal 12 und fördert es über den Leitapparat 13 in den Wickelkopfraum 14 und durch das sich in letzterem befindliche offene Drosselorgan 5. Die den Strömungswiderstand bestimmende Durchtrittsfläche 15 des Drosselorgans 5 ist so bemessen, daß beim Anfahren des Gebläses 2 der Gesamtwiderstand des Kühlsystems genügend verringert wird, um ein sicheres Umfahren des Abreißbereiches der Kennlinie zu gewährleisten (F i g. 4). Das Drosselorgan 5 weist einen Ventilteller 16 auf, welcher bei Druckgleichheit im Wickelkopfraum 14 und im Rückführkanal 12 in offener Stellung gehalten wird. Dies geschieht über eine auf einen Kolben 17 wirkende Schraubenfeder 18, wobei ersterer mit dem Ventilteller 16 starr verbunden ist. Der beidseitig beaufschlagte Kolben 17 ist über öffnungen 19 im Ventilgehäuse 20 mit dem Wickelkopfraum 14 einerseits und über eine Leitung 21 mit dem Rückführkanal 12 andererseits verbunden. Die einfachste Regelmöglichkeit bei der gezeigten Anordnung ergibt sich über die Federauslegung, welche beispielsweise derartig sein kann, daß während des Hochfahrens des Gebläses 2 bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Wickelkopf raum 14 und dem Rückführkanal 12 der Ventilteller 16 schlagartig schließt Es versteht sich, daß der Schließvorgang ebenso von Hand oder mit Hilfe einer beliebigen bekannten Regelung automatisch gesteuert werden kann, und daß der Vorgang sich bei einer beliebigen Drehzahl zwischen etwa 10 und 100% der Betriebsdrehzahl abspielen kann. Desgleichen muß das Drosselorgan 5 nicht schlagartig, sondern kann auch kontinuierlich geschlossen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren eines einstufigen Radialventilators mit einer Druckziffer größer als 1 und einem ausgeprägten Abreißbereich in der "> Druck-Volumen-Kennlinie, in einem Drucksystem, beispielsweise im Kühlkreis eines Turbogenerators, wobei beim Anfahren oder Hochfahren über eine mit einem Drosselorgan versehene Anfahrleitung der Systemwiderstand verändert werden kann, ι ο dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen des Schnittpunktes der auf Grund des offenen Drosselorgans (5) abgeänderten Systemkennlinie (7') mit der Gebläsekennlinie (8) bei einer beliebigen, einstellbaren Gebläsedrehzahl zwischen etwa 10 und 100% der Nenndrehzahl das Drosselorgan (5) geschlossen wird, worauf sich der gewünschte — der Gebläsekennlinie (8') und der Systemkennlinie (7) entsprechende — Betriebspunkt (BP') selbsttätig einstellt

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei zunehmender Gebläsedrehzahl das Öffnungsverhältnis des Drosselorganes (5) stetig und umgekehrt proportional zur jeweils herrschenden Druckziffer einstellt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher in einer das Gebläse (2) umgehenden Anfahrleitung (4) ein Drosselorgan (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (5) mit einem federbelasteten Verschlußteil (16) versehen ist, wobei das Federelement (18) derart ausgelegt ist, daß der Federweg proportional dem auf den Verschlußteil (16) wirkenden Druck ist.