Verfahren, um bei Lastabschaltungen den höchsten Druckstoss in der Zufuhrleitung einer Wasserturbine zu verkleinern, und Einrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um bei Lastabschaltungen den höchsten Druck stoss in der Zufuhrleitung einer Wassertur bine mit Leitapparat und selbsttätigemDruck- regler mit Nebenauslass zu verkleinern. Fer ner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist eine Wasserkraftanlage üblicher Auslegung gezeigt, bei welcher eine Rohrleitung L oben an ein Speicherbecken B und unten an eine Turbine T angeschlossen ist. Unmittelbar vor der Turbine T ist in die Leitung L ein selbst tätiger Druckregler D mit Nebenauslass ein gebaut. Wird der Leitapparat der Turbine T während des Betriebes rasch geschlossen, so löst das in bekannter Weise ein Öffnen des Druckreglers D und zusammenhängend damit Druckschwankungen in der Rohrleitung L aus.
In Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung zeigt der ausgezogene Linienzug z wie beim Einbau eines ungesteuerten Druckreglers von zum Beispiel 480 mm Nennweite die Druck- sehwankungen au einer Stelle D1 unmittelbar vor der Turbine<I>T</I> und dem Druckregler<I>D</I> bei Lastabnahme der Turbine T für gewöhn lieh verlaufen sind. Dabei sind die Drücke H in Funktion der Zeit t aufgetragen.
In der weiteren Fig. 3 sind, ebenfalls in Funktion der Zeit t, die Öffnungshübe des Servomotors des Turbinenleitapparates und die Öffnungs hübe des ungesteuerten Druckreglers D mit Nebenauslass bisheriger Bauart aufgetragen, was die ausgezogenen Linienzüge r bezw. s ergibt. Wie den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, öffnet der Druckregler D nicht gleich im Augenblicke, wo die Schliessbewegung des Leitapparates einsetzt, so dass bei einer Last abnahme der Turbine T der Druck an der erwähnten Stelle D, vorerst bis zum Punkte P,
der F'ig. 2, ansteigt. Erst wenn die Schliess geschwindigkeit ein gewisses Mass erreicht hat, was bei Punkt P, der Fall ist, beginnt der Druckregler D zu öffnen, so dass.-der Druck an der Stelle D1 entsprechend der Äu- derung der Fliessgeschwindigkeit in der Rohr leitung L anfängt zu sinken, wobei sich all- nmählich, wie die Strecke P2-P3 der Fig. 2 zeigt, ein Gleichgewichtszustand zwischen der abnehmenden Wassermenge Q1T, welche durch die Turbine T fliesst, und der zuneh menden Wassermenge Q,D, welche durch den Druckregler D abfliesst, ausbildet.
In Füg. 4 sind diese Wassermengen Q,T und Q1D be zogen auf 1 m Gefälle in Funktion des prozentualen Öffnungsverhältnisses
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der Tur bine und des Druckreglers aufgetragen, wobei eine Kurve Q,D einer Nennweite des Druckreglers von 480 mm und eine zweite Kurve Q,D einer Nennweite des Druckreglers von 400 mm entspricht. Der er wähnte Gleichgewichtszustand im Druclkver- lauf wird beim Erreichen des Punktes P3 durch den Umstand plötzlich wesentlich an ders beeinflusst, dass die in der Rohrleitung L aufgetretene primäre Störung anfängt nach der Ausgangsstelle zurückzukehren, indem die erste Reflexionszeit
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abge laufen ist.
In diesem Ausdruck bezeichnet L die Rohrlänge in Metern und a die Druclkfort- pflanzungsgeschwindigkeit, die im vorliegen den Falle zum Beispiel mit 1000 m/sek an genommen ist. Beträgt für das gewählte Bei spiel die Rohrlänge L = 500 m, so ergibt sieh als Reflexionszeit:
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Der im vorhergehenden Druckverlauf eingetretene Druckanstieg P0-P1 macht sich daher nach Erreichen des Punktes P3 als eine reflektierte negative Stosswelle geltend, so dass der Druck stossverlauf nach dem Punkte P3 dem Linien zug P3-P4 der Fig. 2 entspricht.
Vom Punkte P4 steigt dann der Druck während des übri gen Teils der zweiten Reflexionszeit dauernd an, weil sich die Drucksenkung P,-P3 aus der ersten Druckstossphase jetzt als positive Stosswelle auswirkt, so dass der Druckverlauf nach dem Linienzug P4-P5 vor sich geht. Am Ende der zweiten Reflexionszeit, das heisst nach zwei Sekunden, ist der Leitappa- rat der Turbine T ganz geschlossen und der Druckregler D ganz geöffnet (vergl. Fig. 3). Der Druck an der Stelle Dl nimmt aber vor erst immer noch zu, da sich jetzt die Druck senkung P3-P4 aus der vorhergehenden Phase geltend macht, wobei der Druck im Punkte PR den höchsten überhaupt vorkom- mnenden Wert annimmt, um hierauf wieder abzunehmen.
Der höchste Druck P8 liegt be trächtlich, das heisst etwa 18% über dem Druck, der an der Stelle D1 bei normaler Be lastung der Turbine T herrscht.
Ein Druckstoss, der den bei normalen Be tr iebsverhältnissen an der Stelle D1 der Lei tung herrschenden Druck um bis zu 18 überschreitet, kann unter Umständen der Lei tung gefährlich werden. Um diese Gefahr zu beheben. wird nun gemäss dem Verfahren nach vorliegender Erfindung während der Schliesszeit des Turbinenleitapparates das Öffnen des Druckreglers D selbsttätig so ge steuert, dass während der ersten Reflexions zeit nur ein solcher Druckanstieg bezw. Druckabfall in der Rohrleitung eintritt, dass während der zweiten Reflexionszeit durch die sich dann geltend machende, reflektierte ne gative bezw. positive Druckstosswelle eine dämpfende Wirkung auf den weiteren Druck anstieg bezw. die weitere Drucksenkung aus geübt wird.
Erreicht wird dlas bei der Ein- rielhtutng; gemäss der Erfindung dadurch, (lass eine Steuervorrichtung das Öffnen des Druck reglers beherrscht. Dabei kann die Steuervor richtung als Kurvenscheibe oder als ein 1iebelmeclianismus, dessen Hebelübersetzun gen die festgelegte Öffnungsweise des Druek- reglers hervorbringen, ausgebildet sein.
Auch kann die Steuervorrichtung durch Bohrungen im Kataraktkolben des Druckreglers beein- flusst werden.
Auf dem beiliegenden zweiten Zeichnungs- blatt - an Hand der Zeichnung wird auch das Verfahren nach der Erfindung beispiels weise erläutert - sind beispielsweise ver schiedene Ausführungsformen von Einrich- linigen zum Ausführen des Verfahrens ge mäss der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. 5 eine Einrichtung, bei welcher die Steuervorrichtung als Kurvenscheibe ausge bildet ist, Fig. 6 eine Einrichtung, bei welcher die Steuervorrichtung als Hebelmechanismus aus gebildet ist und Fig. 7 eine Einrichtung, bei welcher die Steuervorrichtung durch Bohrungen im Kata- r a ktl olben des Druckreclers eD beeinflusst wird.
In Fig. 5 bezeichnet 1 den Leitapparat einer Turbine 2, welcher das Wasser in Rich tung des Pfeils A zuströmt. Dieser Turbine 2 ist ein Druckregler 3 mit Nebenauslass 4 zu geordnet. Die selbsttätige Betätigung des Ventilkörpers 5 des Druckreglers 3 erfolgt von einem Servomotor 6 aus, der in Abhän gigkeit von der Belastung der Turbine 2 von einem nicht gezeigten Drehzahlregler in üb licher Weise beeinflusst wird. Die Stange 7 des Servomotorkolbens 8 steht einmal mit der Verstelleinrichtung 9 des Leitapparates 1 und sodann mit einer als Kurvenscheibe 10 ausgebildeten Steuervorrichtung in Wirkungs verbindung. Gegen die Steuerfläche der Kur venscheibe 10 liegt ständig das eine Ende eins um einen Zapfen 11 drehbaren Winkel hebels 12 an, dessen anderes Ende mit der Stange 13 eines Körpers 14 gelenkig verbun den ist.
Dieser Körper 14 beherrscht das Überströmen im Innern eines Kataraktes, des sen Kolben mit 15 und dessen Gehäuse mit 16 bezeichnet ist. Am untern Boden des Ka taraktgehäuses 16 ist ein Ventilkopf 17 be festigt, der den Ausfluss von Flüssigkeit aus dem oben offenen Hohlraum eines starr mit dem Ventilkörper 5 verbundenen Ansatzes 22 beherrscht. Es handelt sich diesbezüglich um Flüssigkeit, die aus der zum Druckregler 3 führenden Leitung 18 durch eine Nebenlei tung 19 mit eingebauter Blende in einen Raum 20 oberhalb des Ventilkörpers 5 und aus diesem Raum 20 durch Öffnungen 21 im Ansatz 22 in dessen Hohlraum gelangen kann. Die Flüssigkeit, die aus dem Hohlraum des Ansatzes 22 austritt, fliesst durch eine Lei tung 23 ins Freie ab.
Wird bei einer Bewegung des Körpers 14 nach aufwärts der Kataraktkolben 15 von jenem mitgenommen, so entsteht unterhalb des Kolbens 15 ein Vakuum, so dass das Ka taraktgehäuse 16 veranlasst wird, sich eben falls nach aufwärts zu bewegen; der Ventil kopf 17 wird infolgedessen vom Ansatz 22 wegbewegt. Es fliesst daher nun mehr Flüs sigkeit aus dem Raum 20 durch den Hohl raum des Ansatzes 22 und die Leitung 23 ab, als diesem Raum 20 durch die Leitung 19 mit eingebauter Blende zufliessen kann. Der Druck im Raume 20 vermindert sich infolge dessen stark, so dass der Ventilkörper 5 jetzt durch den ständig von unten auf ihn einwir kenden Wasserdruck angehoben wird, und zwar um so viel, als dem vorher von der Steuerfläche der Kurvenscheibe 10 abgenom menen Hub entspricht.
Diese Steuerfläche ist nun entsprechend der Anordnung von Stollen, Wasserschloss und Rohrleitung, das heisst den Wasserzuflussverhältnissen, und ferner ent sprechend den Durchflussmengen der Turbine 2 und des Druckreglers 3 sowie dem Schliess gesetz des nicht gezeigten Turbinenreglers ausgelegt, so dass in Fig. 3 die Hubbahn des Ventilkörpers 5 nicht mehr, wie es bisher der Fall war, nach dem Linienzug s, sondern bei einer Nennweite des Druckreglers von zum Beispiel 480 mm nach dem gestrichelten Linienzug s, und bei einer Nennweite von zum Beispiel 400 mm nach dem strichpunk tierten Linienzug s2 verläuft. Dementspre chend ergeben sich in Fig. 2 auch ganz andere Druckverlaufe als bisher.
In dieser F'ig. 2 ist die Druckverlaufkurve, welche der Ilub- bahn s, entspricht, mit dem Bezugsizeichen zi. und die D,ruckverlaufkurve, welche der Hub bahn s2 entspricht, mit dem Bezugszeichen z2 belegt.
Dadurch, dass die Steuerfläche der Nurvenscheibe 10 in der angegebenen Weise im voraus festgelegt wird, lässt sich für die erste Reflexionszeit an der Stelle Dl (Fix. 1) gegenüber dem Zustand vor dem Öffnen des Druckreglers 3 nicht wie bisher ein Druck abfall, sondern ein Druckanstieg erreichen. Infolgedessen wird während der zweiten Re flexionszeit durch die sich dann geltend machende negative Druckstosswelle eine dämpfende Wirkung ausgeübt.
Als Folge da- von liegt der höchste Punkt der Kurve z1 jetzt nicht einmal 7c % und derjenige der Kurve z2 nicht einmal l4 % über demn Druck, welcher an der Stelle Dl bei normalen Be triebsverhältnissen der Turbine herrscht. Da bei liegt der höchste Punkt der Druckverlauf kurve z2, welche sich beim Einbau eines ge steuerten Druekreglers von 400 mm ergibt, selbst tiefer als der höchste Punkt P6 der Druckverlaufkurve z, welche sich beim Ein bau eines ungesteuerten Druckreglers von 480 mm ergibt, und dies trotzdem im letzte ren Falle die durch den Druckregler abflie ssende Menge doch wesentlich grösser ist und folglich zu erwarten wäre, dass die Druck stösse weniger starki ausfallen wurden. Als Ergebnis von dem lässt sich daher feststellen.
dass sich hei Anwendung der Lehre nach vor liegender Erfindung die Druckregler bei glei cher Betriebssicherheit wesentlich kleiner und daher auch billiger ausbilden lassen als die bisher verwendeten ungesteuerten Druck regler. Die Steuervorrichtung, welche das Öffnen des Druckreglers beherrscht, kann in der in Fig. 6 gezeigten Weise auch als Hebelmecha nismus 24 ausgebildet sein, wobei sich durch entsprechende Festlegung der Hebelüberset zungen die festgelegte Öffnungsweise des Ventilkörpers 5 des Druckreglers 3 hervor bringen lässt.
In Fig. 7 ist schliesslich eine Einrichtung gezeigt, bei welcher die Steuervorrichtung von einem Katarakt aus beeinflusst wird, der ein Gehäuse 26 und einen aus zwei Teilen 27, 28 bestehenden Kolben sowie eine zwischen diesen Teilen 27 und 28 eingeschaltete Feder 29 aufweist. Im Kolbenteil 27 ist eine grössere Bohrung 30 und im Kolbenteil 28 eine klei nere Bohrung 31 vorgesehen. Wird der Hebel 25 entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn bewegt, so wird das Gehäuse 26 vorerst nur langsam mitgenommen, denn am Beginn der Aufwärts bewegung des Kataraktkolbens können sich dessen Teile 27, 28 in bezug auf einander noch etwas verschieben.
Die dabei aus demn Raum zwischen diesen Teilen 27, 28 ver- drängte Luft wird durch die grössere Boh rung 30 hindurch in den Raum unterhalb des Kataraktkolbens geschoben, so dass im letzt genannten Raum nur allmählich ein das Mit- nchmnen des Gehäuses 26 bedingendes Va kuum auftritt. Sobald aber der Kolbenteil 27 gegen den Kolbenteil 28 zum Anliegen kommt, so bestimmt ausschliesslich die klei nere Bohrung 31 die in den Raum unterhalb des Kataraktkolbens gelangende Luftmenge und somit auch dlas in diesem Raum bei der Aufwärtsbewegung jenes Kolbens sich bil dende Vakuum. Infolge der Kleinheit der Bohrung 31 nimmt dieses Vakuum rasch zu, so dlass nun auch das Gehäuse 26 rascher mit- ge nommen wird.
Die Erfindung lässt sich in der beschrie benen Weise ahne weiteres auch anwenden, wenn während der ersten Reflexionszeit an Stelle eines Druckabfalles ein Druckanstieg eintritt.