Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Turbinenleistung bei Wasserkraftanlagen mit Zufuhrleitungen.
<B>M</B> Bei den Wasserturbinen gebräuchlicher Bauart wird<B>je</B> nach der Belastung der Wasserdurchfluss durch das Laufrad und so mit die Turbinenleistung mittelst eines Leit- apparates bei ungefähr gleichbleibendem<B>Ge-</B> fälle geregelt, Die Regelung erfolgt hierbei <B>je</B> nach dem Leistungsbedarf durch Drosseln der Querschnitte vor<B>'</B> dem Laufrad in der Weise, dass die normale Drehzahl bezw. Spannung oder Frequenz in keinem Fall in bestimmten Grenzen nach auf- oder abwärts überschritten wird.
Die Folge davon ist, dass sich bei Kraft anlagen mit längeren Zuleitungskanälen und grösseren Crefällsstufen bei Abwesenheit von. genügend fassenden Stalubeeken oder wem) letztere bereits gefüllt sind, unmittelbar vor dem Krafthaus die Notwendigkeit ergibt, bei plötzlich auftretenden und länger anhaltenden Entlastungen der Turbinen für den Ablauf der in Strörnung befindlichen Wassermengen durch eine entsprechend ausgebildete Leer- schussleitung Sorge zu tragen,
welche im stande sein inuss, die den überschüssigen Wassermengen inne wohnende Energie un schädlich zu vernichten.
Erfindungsgemass besteht das vorliegende Verfahren zur Regelung der Turbinenleistung bei Wasserkraftanlagen mit Zufuhrleitungen darin, dass die Regelung bei ÄnderLing der Belastung durch Änderung des auf die Tur binenlaufräder wirksamen Gefälles erfolgt.
Zweckmässigerweise wird mittelst einem durch Belastungenderung beeinflussten Regel organ die jeweils unausgenützt abzuführende Wassermenge einem an die Zufuhrleitung angeschlossenen Euergievernichter zugeführt, wodurch sich das auf das Turbinenlaufracl wirksame Gefälle ändert.
Bei Wasserkraftanlagen<B>-</B> mit mehreren Zufuhrleitungen zu den Turbinen kann durch Zwischenverbindung der letzteren und.durch Anordnung eines gemeinsamen Regelorganes und Energievernichters eine zentrale Regelung der TLirbillellICiStLItig bewerkstelligt werden.
Weist die nach vorliegendem Verfahren geregelte Wasserkraftanlage eine Stauanlage auf, so kann die bei Überschreiten eines Höchstwasserspiegels überflutende Wasser- Menge benützt werden, (im züi ihrer Ab- fährung selbsttätig eine Offnung des Energie vernichters herbeizuführen, unabhängig von der auf Belastungsänderung erfolgenden Ände rung des Durchflusses durch den Energie vernichter.
Die Vorrichtung zur Ausführung des er findungsgemässen Verfahrens weist zweck- mässigerweise Mittel auf, welche von einem bei Belastungsänderung betätigten Regelorgan beeinflusst werden, um einen veränderbaren Abfluss der jeweils ungenützten Wassermenge nach einem Energievernichter und dadurch eine Änderung des auf die Turbinenlaufräder wirksamen Gefälles zu bewirken.
Zweckmässigerweise besitzt dieVorrichtung ein gegen Druck im Zuführungsrohrinnern entlastetes, zwischen der Wässerzuführung züi den Turbinen und dem Energievernichter angeordnetes Steuerorgan, welches durch das Regelorgan, bei Belastungsänderungen derart bewegt wird, dass es beim Öffnen des Wasser- durchtrittes zu den Turbinen den Wasser- dUrChtritt zum Energievernichter schliesst und umgekehrt,
Vorrichtungen zur Ausführung des er- lindungsgemässen Verfahrens sind auf bei liegender Zeichnung beispielsweise dargestellt, Vii welcher F4-.<B>1</B> eine Turbinenanlage mit Regelungs- Vorrichtung schematisch dar"tellt: Fig. 2 zeigt schematisch eine Regelungs einrichtung<B>für</B> mehrere Turbinen durch ein zentrales Regelorgan; Fig. <B>3</B> ist eine Einzelheit der Turbine;
Fig. 4 zeigt im Schnitt ein abgeändertes Au#iführungsbeispiel der Vorrichtung; Fig. <B>5</B> zeigt schematisch die Anordnung der Vorrichtung nach Fig. 4 für eine Mittel- druckgrosskraftanlage; Fig. <B>6</B> zeigt eine abgeänderte Ausführungs form einer Reguliervorrichtung für Wasser kraftanlagen Mit Stauanlagen.
In Fig. <B>1</B> ist mit H das Roh- bezw. Normalgefälle, mit Iliz das Nutzgefälle be zeichnet, mit<B>1</B> die Turbinenzuleitung, mit 2 die Abzweigleitung, mit<B>3</B> die Leersihuf,)- leitung mit dein Steuerorgan 5 und dem Mit letzterem zusammengebautem Energievernich ter 4 am Ende der Leitung<B>3.</B> Das Turbinen gehäuse<B>6</B> ist in üblicher Weise mit dem & atigrohr <B>7</B> versehen.<B>8</B> ist die Antriebsvor richtung<B>für</B> das Steuerorgan<B>5</B> des Energie vernichters am Ende der Leitung<B>3,</B> weiches bei Belastungswechsel in Tätigkeit tritt.
Die gesamte Wassermenge in der Zuleitung<B>1</B> ist Mit Q, die durch die Turbine gehende Teilwasserineuge mit Qi und die durch<B>Ab-</B> zweig- und Leerleitung fliessende Wasser menge Mit<B>Q2</B> bezeichnet.
Wird der Durch- fluss durch den Energievernichter teilweise durch das Steuerorgan freigegeben, so wird nur ein Teilbetrag des Gefälles wirksam und ist er voll geöffnet, so wird in den Turbinen nur jener Teil des Gefälles ausgenützt, der für die entsprechend der Wasserführung einge stellten Turbinenöffnungen eben zur Über windung der Turbinenleerlaufarbeit hinreicht.
In Fig. 2 ist die gemeinsame Regelung von vier Turbinen durch paarweise Zusammen führung der Leitungen<B>1</B> bezw. 2 veran schaulicht. Das gemeinsame Steuerorgan ist dabei zentral zwischen den Turbinenzuleitungen nach dem Energievernichter hinabgeführt. Die Anordnung könnte auch eine andere sein, wie beispielsweise Fig. 4 und<B>5</B> zeigen.
Die Regulierung aller Turbinen gemein- sain bei Belastungswechsel erfolgt immer durch Betätigung des zentralen Steuerorganes. Ausserdem können aber noch die Turbinen mit verstellbaren Leitschaufeln versehen sein, um bei Änderung der Wasserführung, trotz des veränderlichen senkrechten Wasserdurch- tritts,
durch die Winkelinderung der Leit- radsehaufeln stets ein stossfreies Arbeiten der auf die Laufräder einwirkenden Wassermengen zu gewt ährleisten. Für die Dimensionierung der Gesaintdurchflussquerschnitte von Turbinen und Energievernichter kann die Angabe als Richtlinie dienen,
dass das erzielbare Leer- laufgefälle in den Turbinen ungefähr '/3 des normalen Gefälles betragen soll; die durch den Energievernichter abzuführende (4esanit- wassermenge beträgt also rund l,/,i Voll- wassermenge, während durch die Turbinen als Leerlaufwassermenge abzuführen ist. Die Strömungsgeschwindigkeiteii im Energiever nichter können hoch. angenommen werden.
In Fig. <B>3</B> ist die Art der Verstellung der RegulieiTinge des Leitapparates einer Turbine bei Änderung der Wasserführung veranschau licht. Hierbei ist mit<B>9</B> das Laufrad, mit<B>10</B> und<B>11</B> sind die verstellbaren Leitschaufeln, init 12 und<B>13</B> die Regulierringe und mit 14 iöt die Regulierwelle bezeichnet.
Durch die verstellbaren in entsprechender Anzahl vorge- seheilen Leitscbaufeln <B>10</B> und<B>11</B> wird das Wasser in achsialer Richtung dem Laufrad stosstrei zugeführü bezw. von demselben ab geführt.
Bei der Ausführungsforin nach Fig. 4, bei welcher die Turbinenanlage durch das Steuerorgan bei Belastungswechsel direkt und zentral gesteuert wird, ist mit<B>16</B> die Wasser zuführung zu den Turbinen, mit<B>17</B> das als drückentlasteter Kolbenschieber ausgebildete Steuerorgan, mit<B>18</B> ein Ringraum in dem das Steuerorgan aufnehmenden Gehäuse<B>19</B> bezeichnet, von welchem aus die Leitung 20 durch die Drosselklappe 21 abschliessbar, beziehungsweise entsprechend der natürlichen Wasserführung regulierbar, zum Energiever nichter führt.
Mit 22 ist ein Ringrauni im Gehäuse<B>19</B> bezeichnet, von dem die Turbinen leitung<B>23</B> abgezweigt ist, welche die Tur binen il, V', <B>13,</B> t' speist. Mit 24 ist eine Regulierwalze bezeichnet, welche den Steuer- kolbenschieber <B>17,</B> dessen Gewicht durch die Wirkung einer Feder<B>25</B> ausgeglichen wird, bei zunehmender Belastung anhebt und dabei den Ringrauin <B>18</B> schliesst, beziehungsweise den Ringrauin 22 öffnet.
Die Betätigung des <B>H</B> ebelgestänges <B>26</B> wird in. der üblichen Weise durch einen Öldruckregler in Abhängigkeit von der Drehzahl oder, wie in der Zeichnung dargestellt, durch einen eigenen kleinen Steuer motor<B>297</B> eingeleitet, welcher bei Über- oder Unterschreiten einer Normalspannung für Gleichstromanlagen, oder einer Normalfre quenz für Drehstromanlagen zum Rechts- oder Linkslauf gebracht wird# Da die Ringräume<B>18</B> und 22 gleiche Höhe besitzen, wird mit dem Schliessen des Ringraumes<B>18</B> ein gleich grosses öffnen des Ringraumes 22 bewirkt,
so dass bei nicht speicherfähigen Anlagen bei jeder Stellung des Kolbenschiebers<B>17</B> die Wasserführung ohne Rückstau erhalten bleibt. Für die Grösse der bewirkten Gefälleänderung sind die Durch- flussquerschnitte durch Energievernichter und Turbinen massgebend, welche nach vorstehend angeführten Angaben gewählt, beziehungs weise versuchsmässig ermittelt werden.
Bei der vorbeschriebenen Anlage kann eine der Turbinen, die Regulierturbine,<B>für</B> Teilbeaufschlagung bei sich ändernder Wasser führung automatisch oder von Hand einstell bar sein und ferner kann die Einrichtung geschaffen sein, dass die übrigen Turbinen, die Grundbelastungsturbinen, <B>je</B> nach Wasser führung Lind jeweils eine um die andere durch vollständiges Öffnen, bezw. Schliessen eines Absperrschiebers voll ein- oder ausgeschaltet werden.
Diese Ein- und Ausschaltung kann bei spielsweise von der Turbine t' aus in der Weise ei-folgen, dass bei Überschreitung einer oberen oder unteren Grenze der Beaufschla- gung dieser Turbine. (z.
B. maximal 4/5, mini mal<B>'/5</B> Beaufschlagung) die Turbinen il, tl, t4 usw. eine um die andere und nach deinMass des augfnblicklichen Belastungs- oder Ent lastungsbedarfs in bezw. ausser Aktion treten.
Bei Wasserkraftanlagen mit Speicherfähig keit kann einem nutzlosen Absinken des Gefälles, bezw. Oberwasserspiegels durch ent sprechendes Schliessen des Drosselorgans 21 und durch gleichzeitiges Schliessen der Tur binen<B>l',</B> t' usw. vorgebeugt werden, welcher Vorgang nur in längeren Zeiträumen und mit kleinsten Leistungen vorzunehmen ist., #vobei die Steuerung von Hand oder vom Ober wasserspiegel aus an der' Entuahmestelle automatisch erfolgen kann. Die Regelung der Turbinen bei Belastungsänderungen mit Hilfe des Kolbenschiebers<B>17</B> hat auch hier jeweilen Änderungen des Gefälles<B>für</B> die arbeitenden Turbinen zur Folge.
Für ein all fälliges Auftreten von Stössen infolge Ver sagens der Regulierung kann eine Sicherheits abzweigung<B>28</B> mit Sicherheitsabsperrschieber ,in der Zuleitung<B>16</B> vorgesehen sein, welcher Absperrschieber etwa abhängig vom Druck (1,enlacht ist und zum Beispiel elektrisch ge steuert werden kann.
Bei der Mitteldruckkraftanlage nach Fig. <B>5</B> sind ein' Regulierturbine t' (Turbine mit Regulierteilen) und drei Grundbelastungs- turbinen t2, t' und J4 "Turbinen ohne Regulier teile) vorgesehen.
Die Wasserzuführung er folgt durch die vier Rohre 22,<B>23,</B> 214 und <B>25,</B> die in das Rohr<B>16</B> münden, welches mit dem Steuergehäuse<B>19,</B> das ein Steuerorgan ent hält, wie bei Betrachtung voll Fig. 4 be schrieben, ferner mit der Sicherheitsabzweigung <B><U>'28,</U></B> sowie mit der zum Energievernichter führenden Abzweigung 20 verbunden ist.
Der Zustrom des Wassers zum Rohr 20 stellt unter dem Einfluss des ginanntep Steuer organes und all das Rohr<B>29</B> sind die Tur binenrohre<B>30, 31,</B> 3 )2 und <B>33</B> angesehlossen, voll denen das erste zur Regulierturbine t', die andern zu den Grundbelastungsturbinen t!', 1;', t4 führen. Die gesamte Anlage steht bei Belastungswechsel unter der Einwirkung dieses einen erwähnten Steuerorgancs.
Die Einrichtung nach Fig. <B>6</B> gehört einem Wasserkraftwerk all, da# gleichfalls mit einer Vorrichtung zurRegelung der Turbinenleistung durch Änderung des Gefälles ausgestattet ist, und das voll einer Stauanlage her gespeist wird. Hier dient der Energievernichter gleich zeitig zur Abführung jener Wassermengen, welche ohne diese besondere Einrichtung des Energievernichters die Stauanlage überfluten würden.
Mit 35 ist der Oberwassergraben bezeich net, aus welchem durch die Ausnehmung <B>36</B> Wasser bei Überschreitung des Höchstwasser spiegels in die Kammer<B>37</B> übertreten kam), von welcher eine Leitung<B>38</B> abgezweigt ist, die zu der genannten besonderen Einrichtui)g des Energievernichters führt. Diese besitzt einen Zylinder<B>39,</B><U>in</U> den ein unter dein Einfluss der Feder 40 stehender Kolben 41 eingesetzt ist.
Auf der Anschlussseite, der Leitung<B>38</B> all den Zylinder<B>39</B> ist an diesen eine durch ein Ventil 42 absperrbare Abfluss- leitung 43 angeschlossen. Die Kolbenstange 44 ist all einem zweiarinigen Hebel 45 angelenkt, welcher bei 46 drehbar gelagert ist, an seinem einen Ende das Gegengewicht 47 trägt und ani andern. mit einer Gelenkstange 48 ver bunden ist, die all einen Steuerschieber 49 des Energievernichters angelenkt ist.
Letzterer führt sieh in dein Zylinder<B>50,</B> welcher mit einem Kranz voll Ausnehmungen <B>51</B> versehen ist, die in den Ringraum<B>52</B> des Energiever nichters münden, dessen Gehäuse<B>53</B> mittelst des Stutzens 54 all die Leitung<B>55</B> ange- ächlossen ist, welch letztere voll der vom Oberwassergraben<B>35</B> zu dein Kraftwerk, beziehungsweise zu den Turbinen führenden Leitung<B>56</B> abgezweigt ist.
Auf das Gehäuse<B>503</B> ist ein Regulierring<B>57</B> aufgesetzt, welcher mit einer Reihe voll Aus- nehntungen <B>58</B> versehen ist, die mit Ans- nehmungen <B>59</B> im Gehäuse<B>53</B> zusammen arbeiten, durch welche mehr oder weniger Wasser aus dein Ringraum<B>52</B> austreten kann,<B>je</B> nachdem die Öffnungen 58 im Regulierring<B>57</B> bei Belastungswechsel der Turbinen mit den Offnungen <B>59</B> des Gehäuses <B>53</B> mehr oder weniger zusammenfallen.
Durch die Öffnungen<B>51</B> des Energieverniehters wird jene Wassermenge, welche ohne diese be sondere Einrichtung die Stauanlage überfluten würde, zum Austritt beispielsweise in den Unterwassergraben gebracht.
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. <B>6</B> ist folgende: Ohne Hochstau im Oberwassergraben ar beitet nur der äuCkre Regulierring<B>57</B> unter dem Einfluss einer beispielsweise voll der Drehzahl der Turbinen abhängigen Steuer bewegung.
Übersteigt die dem Oberwasser graben<B>305</B> zugeführte Wassertnenge jene voll den Turbinen und dein Energievernichter abgeführte, was bei einer Änderung der Wasserführung, aber auch zum Beispiel bei Versagen eines Reglers oder der von illin zu veranlassenden eben genannten Steuer bewegung der Fall ist, so steigt das Wasger im Oberwassergraben und flutet dann in die Kammer<B>37</B> über, um durch die Rohrleitung <B>38</B> in den Zylinder<B>39</B> zu gelangen.
'[Triter dem statischen Druck der Wassersäule in der Leitung 38 wird der Xolben 41 hei,- nach entgegen dem Widerstand 'der Feder 40 nach unten bewegt und dadurch inittelst der Teile 44, 45, 48<B>der</B> Steuerschieber 49 des Euergievernichters angehoben, so dass die iltissti#;
5möfftiuiigen <B>51</B> nach innen zu ganz freigelegt werden und nun eine der Leitung<B>55</B> zufliessende Wassermenge, entsprechend der vordcrn oben übergefluteten Wassermenge2 alis dein Energievernichter austritt.
Bei Auf- hüren des Wasserzuflusses zur Leitung<B>38</B> führt die Feder 40 den Kolben 41 und den Steuerschieber 49 in die Ausgangslage zurück, die restierende Wassersäule fliesst während dessen durch Ventil 42 und Abflussleitung 43 ab. D er Kolben 41 könnte auch zur Ver stellung des Leitrades mindestens einer Tur bine herangezogen sein.
<B>.</B> Durch das an Hand der Zeichnung ge schilderte Verfahren wird mit der bisherigen Forderung gleichbleibender bester Wirkungs grade für jede Turbine und jede Turbinen belastung gebrochen, da diese Forderung<B>für</B> alle Regulierfälle, bei welchen da-. vorhandene Wasser nicht voll zum nutzbaren Durchfluss gelangt, unrichtig ist.
Es ist vielmehr, wie dies betriebsmässig feststellt, in allen Fällen bei einem Weellgel der Belastung der Wir kungsgrad der Turbinen gleichgültig, sobald Wasser über den Leerschuss oder durch den Energievernichter ungenützt zum Abflura kommt, da ein Bestreben zur Erreichting 'bester Wirkungsgrade nur bei voller Aus- nützung der vorhandenen Wassermenge (Zeiten der Wasserklemme) dominierende Bedeutung hat.
Der Wechsel in den zu strömenden Wassermengen ist kein sekund- lieb warriehmbarer, sondern er vollzieht sieh, im Gegensatz zu dem der Stromerzeugung entsprechenden viel regeren Belastungswechsel der Kraftanlage, innerhalb Stunden und Tagen. Deshalb darf zum Beispiel bei länger an dauerndem Wasserüberschuss angestrebt wer den, die Regelung der Turbinen bei Be lastungswechsel ohne die Betätigung von Drehschaufeln, Ringschützen und dergleichen bei Reaktionsturbinen, ohne die Betätigung von Nadeln, Zungen und dergleichen bei AktionsturbInen, lediglich durch Änderung des auf die Turbinen wirksamen Gefälles vorzunehmen.
Dadurch wird erreicht, dass all die Stelle der vielen Türbinenregler einer Kraftanlage nun ein einziger allen Turbinen gemeinsamer Regler treten kann, wodurch Kostenerspar nisse in der Turbinenlieferung bis zu 50"/o gewährleistet sind.
Ferner fallen durch das kontinuierliche Fliessen der gesamten vor handenen Wassermengen in den Zuleitungs rohren zu den Turbinen und zum Energie vernichter sämtliche Stösse in den Rohr leitungen bei plötzlichem Belastungswechsel weg, wodurch dieselben wesentlich schwächer und bei erhöhtem Sicherheitsgrad billiger gebaut werden können. BeiKraftwerken mit nicht speicherfähigen Stauanlagen wird die gesamte bisher erforderliche Leerschussleitung überflüssig, wodurch in den Baukosten eine weitere erhebliche Ersparnis eintritt.
Dadurch., dass die Regulierwiderstände für das zentrale Steuerorgan sehr klein sind und die Betäti gung des Steuerorganes Kusserst rasch erfolgen kann, ergeben sich weitere Ersparnissie <B>durch</B> Wahl kleiner Reglertypen auch<B>für</B> grosse und grösste Werkleistungen und durch Weg fall der Schwungräder beziehungsweise der zusätzlichen Schwungmassen.