Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine und Strömungsmaschine zum Durchführen des Verfahrens Bei Strömungsmaschinen mit verschwenkbaren Leit- schaufeln ohne überdeckung ist es bereits bekannt, letztere von positiven Öffnungswinkeln auf negative Öffnungswinkel durchzuschwenken (als Öffnungswinkel werden hierbei die spitzen Winkel zwischen der ge schlossenen und den jeweils offenen Leitschaufelstel- lungen bezeichnet), um eine Drehrichtungsumkehr des Laufrades zu erzielen.
Dieses Verfahren konnte sich aber für ein ohne Unterbrechen der Strömung erfolgen des Umsteuern von flüssigkeitsbeaufschlagten Maschinen der genannten Art, beispielsweise an Wasserturbinen, bislang nicht durchsetzen, da sich infolge der grossen Änderung der Strömungsrichtungen während des Um steuervorganges und der damit verbundenen unstabilen Strömungsverhältnisse starke Erschütterungen und Ge räusche einstellten.
Erfindungsgemäss wird nun für derart umsteuerbare Strömungsmaschinen für Flüssigkeiten ein Betriebsver fahren vorgeschlagen, bei dem während des Durch schwenkvorganges der Leitschaufeln von positiven öff- nungswinkeln auf negative Öffnungswinkel und/oder umgekehrt der in Strömungsrichtung vor dem Laufrad befindlichen Strömung Luft zugeführt wird. Zweck mässigerweise erfolgt dieses Luftzuführen entweder durch mehrere oder alle Leitschaufeln oder in ein stromauf- wärts der Leitschaufeln vorgesehenes Spiralgehäuse oder aber durch den Gehäusedeckel, z.
B. durch den Turbi nendeckel einer Wasserturbine.
Diese nur während des Umsteuervorganges erfol gende Luftzufuhr mindert wegen des zeitlich nur sehr ge ringen Umfanges den Gesamtwirkungsgrad der flüssig keitsbeaufschlagten Strömungsmaschine nicht, macht aber ein ohne Strömungsunterbrechung erfolgendes Um steuern durch Leitschaufel-Verschwenken, insbesondere bei Wasserturbinen, erst praktisch brauchbar, indem die sonst auftretenden Erschütterungen undi Geräusche weitgehend vermieden werden.
Besonders vorteilhaft eignet sich dieses Verfahren zum Betrieb von umkehrbaren Pumpenturbinen, da hier bei beim Übergang von Turbinen- auf Pumpenbetrieb das Laufrad auf eine entgegengesetzte Drehrichtung gebracht werden muss. Bei einer solchen Pumpenturbine kann für das Umschalten von Turbinen- auf Pumpen betrieb zuerst durch Durchschwenken der Leitschaufeln von Vorwärts-Turbinenbetrieb auf Rückwärts-Turbi- nenbetrieb umgesteuert und anschliessend die Lauf raddrehzahl durch Fremdantrieb auf die Pumpen-Nenn- drehzahl erhöht werden.
Infolge des Durchschwenkens der Leitschaufeln auf negative Öffnungswinkel bremst sich das Turbinenlaufrad in der Vorwärtsdrehrichtung schnell selbst ab und beschleunigt sich sofort in der entgegengesetzten Drehrichtung, so dass der Fremdan trieb lediglich die verhältnismässig geringe Drehzahl differenz zwischen der durch die Turbine selbst erreich baren höchsten Rückwärts-Drehzahl und der Pumpen- Nenndrehzahl zu überbrücken braucht.
Bisher erfolgte dieses Umschalten umständlicher und zeitraubender, derart, dass zuerst die Turbine im Vorwärtsbetrieb durch eine gesonderte Bremse bis auf Null abgebremst und hierauf durch den Fremdantrieb (Elektromotor oder besondere Anwurfturbine) von Null bis auf die Pumpen drehzahl hochgefahren werden musste.
Die zum Durchführen der vorgenannten Verfahren dienende Strömungsmaschine mit überdeckungslosen und von einem Verstellbereich mit positiven Schaufel öffnungswinkeln auf negative Öffnungswinkel durch schwenkbaren Leitschaufeln, wird zweckmässigerweise so ausgebildet, dass der stromaufwärts des Laufrades befindliche Strömungskanal eine Luftzuführung mit Ab sperrorgan aufweist und dass letzteres mit der Verstell einrichtung für die Leitschaufeln derart in Steuerver bindung steht, dass das Absperrorgan bei den dem übergangsbereich zwischen den positiven und negativen Öffnungswinkeln entsprechenden Leitschaufelstellungen geöffnet ist.
Auf diese Weise werden Fehlschaltungen vermieden und das Bedienungspersonal in seiner Auf merksamkeit entlastet.
Das Zuführen von Luft in die Strömung einer Wasserturbine im Bereich hinter dem Laufrad oder an den Leitschaufeln ist wohl an sich schon bekannt, jedoch zu einem anderen Zwecke, nämlich, um die im normalen Dauerbetrieb bei Teil- oder Überlast im Sau rohr entstehenden Druckschwankungen zu dämpfen so wie eine rotationsbehaftete Laufrad-Abströmung zu ver meiden oder zu mindern. Auch der Ort dieser Stör quellen ist ein anderer wie beim Gegenstand der Er findung, denn die erfindungsgemässen Massnahmen sollen insbesondere im Bereich der Leit- und Laufradbe- schaufelungen wirksam sein.
Des weiteren darf bei den bekannten Ausführungen die Luftzufuhr nur gering sein, damit der Wirkungsgrad der Turbine nicht allzu sehr verschlechtert wird. Gemäss der Erfindung ist dagegen eine weit stärkere Dosierung der Luftzufuhr zulässig, da diese nur während eines kurzen übergangs- betriebes erfolgt.
Bei einer anderen vorbekannten Turbinenausfüh rung wird ebenfalls dauernd: Luft in die Wasserströmung eingeführt, und zwar zum Zweck einer Belüftung des Flusswassers und der Beschleunigung der biologischen Wasserreinigung. Diese Art der Luftzufuhr hat offen sichtlich überhaupt keinen Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeich nung an dem Ausführungsbeispiel einer Pumpenturbine erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine vertikal achsige Pumpenturbine und Fig. 2 einen etwa horizontalen Schnitt durch die Schaufelungen.
Das Laufrad 1 der in der Drehrichtung umkehrbaren Pumpenturbine weist im wesentlichen radial durch strömte Laufradschaufeln 2 auf und treibt bei norma lem Turbinenbetrieb - also bei Vorwärts-Drehrichtung über die Welle 3 den elektrischen Generator 4 an. Die Leitschaufeln 5 sind mit Hilfe der verlängerten Schaufelzapfen 6 und der Schaufelhebel 7 verschwenk- bar. Diese Hebel 7 sind über eine Stange 8 und den Hebel 9 mit einem Absperrorgan 10 (hier als Dreh schieber ausgebildet) bewegungsabhängig gekuppelt.
Der Drehschieber 10 steuert die Luftzufuhr von dem stets mit Druckluft gefüllten Windkessel 11 über die Lei tungsteile 12a und 12b in das Spiralgehäuse 13 der Pumpenturbine. Abweichend davon könnte die Luft zufuhr in die Wasserströmung auch über die Leitungen 12a, 12b und 14 an einer Stelle des Turbinendeckels 15 oder über die Leitungen 12a und 16 an den Leit- schaufeln 5 erfolgen.
Der Horizontalschnitt nach Fig. 2 zeigt ausser den Laufradschaufeln 2 und den verschwenkbaren Leit- schaufeln 5 noch die letzteren benachbarten ortsfesten Stützschaufeln (Traversen) 17.
Bei normalem Turbi nenbetrieb und gemäss Pfeil 21 in Vorwärtsdrehrichtung rotierendem Laufrad strömt das Wasser in Richtung des Pfeiles 18 zu, ferner werden dann alle Leitschaufeln 5 innerhalb des Bereiches 19 bis 20 mit positiven öff- nungswinkeln + a um etwa 20-25 verschwenkbar (ge zeichnete Stellung), und zwar entsprechend der ge- wünschten Wasserdurchflussmenge.
Um auf Pumpenbetrieb überzugehen, werden die Leitschaufeln 5 über die geschlossene Stellung 5" hinaus in die strichpunktiert gezeichnete Stellung 5' mit nega tivem Öffnungswinkel - a verschwenkt (Winkeleinstel lung 22), so dass infolge der sich ändernden Strömungs verhältnisse die Laufradschaufeln 2 und das Laufrad 1 zuerst bis auf Null abgebremst und anschliessend in der entgegengesetzten Richtung 23 beschleunigt werden.
Bei diesem Umsteuern treten im Bereich der Leit und Laufradschaufelungen 5 bzw. 2 sehr starke Strö mungsänderungen, und als Folge davon, unstabile Strö- mungsverhältnisse, Erschütterungen und Geräusche auf, die bisher unter Umständen ein derartiges Umsteuern unmöglich machten. Durch die während dieser Zeit durch die Leitungen 12a, 12b bzw. 12a, 12b, 14 oder 12a, 16 in die Strömung eingeführte Luft werden diese Schwierigkeiten vermieden.
Sobald das Laufrad 1 etwa die höchste Rückwärts drehzahl (in Drehrichtung 23) im Eigenbetrieb erreicht hat - diese Drehzahl liegt in der Regel bei etwa 80 der Pumpennenndrehzahl und darüber je nach Pumpen typ - wird auf Fremdantrieb umgeschaltet und das Laufrad 1 bis auf die Pumpennenndrehzahl hochge fahren. Ausserdem werden nunmehr die Leitschaufeln wieder in die Arbeitsstellung 5 zurückgeschwenkt, in der sie bei dem nun folgenden Pumpenbetrieb mit einer Flüssigkeitsströmung gemäss Pfeil 24 verbleiben.
Nach diesem Umsteuern wird die Luftzufuhr durch die Leitungen 12, 12b, 14 und 16 wieder abgesperrt, da sie während des normalen Pumpen- und Turbinen- betriebes nicht erforderlich ist und während dieser Be triebszeit den Wirkungsgrad der Anlage verschlechtern würde.
Um hiervon abweichende wirkungsmindernde Fehlschaltungen in der Luftzuführung sicher zu ver hindern, sind die Hebel 7 der Leitschaufel-Verstellein- richtung derart über die Stange 8 mit dem Hebel 9 am Drehschieber 10 gekuppelt, dass die Luftleitungen 12a, 12b, 14 und 16 bei den Leitschaufelstellungen im Winkelbereich zwischen 19 und 20 geschlossen sind (dies entspricht dem normalen Turbinen-Vorwärtsbe- trieb und dem normalen Pumpenbetrieb)
und in dem Leitschaufel-Verstellbereich zwischen 20 bis 22 - der dem Umsteuervorgang von Vorwärts- auf Rückwärts- Turbinenbetrieb und von diesem auf Pumpenbetrieb ent spricht - geöffnet ist.
Method for operating a turbo machine and turbo machine for carrying out the process In turbo machines with pivotable guide vanes without overlap, it is already known to pivot the latter from positive opening angles to negative opening angles (the acute angles between the closed and the respectively open guide vane are used as opening angles - called lungs) to reverse the direction of rotation of the impeller.
However, this method has so far not prevailed for a reversal of fluid-loaded machines of the type mentioned, for example on water turbines, without interrupting the flow, since strong vibrations and unstable flow conditions result from the large change in the flow directions during the order control process and the associated unstable flow conditions Stopped noises.
According to the invention, an operating method is now proposed for such reversible flow machines for liquids in which air is supplied to the flow in front of the impeller during the pivoting process of the guide vanes from positive opening angles to negative opening angles and / or vice versa. This air supply is expediently carried out either through several or all guide vanes or into a spiral housing provided upstream of the guide vanes or through the housing cover, e.g.
B. through the Turbi nendeckel a water turbine.
This air supply, which takes place only during the reversal process, does not reduce the overall efficiency of the fluid keitsbeaufschlagten turbomachine due to the very limited amount of time, but makes a reversal without interrupting the flow by swiveling guide vanes, especially in the case of water turbines, only practically usable by the otherwise occurring Vibrations and noises are largely avoided.
This method is particularly advantageous for the operation of reversible pump turbines, since the impeller must be brought into an opposite direction of rotation when the turbine is switched to the pump operation. In such a pump turbine, to switch from turbine to pump operation, the guide vanes can first be switched from forward turbine operation to reverse turbine operation and then the impeller speed can be increased to the nominal pump speed by an external drive.
As the guide vanes pivot through to a negative opening angle, the turbine runner quickly brakes itself in the forward direction of rotation and immediately accelerates in the opposite direction of rotation, so that the external drive only drives the relatively small speed difference between the highest reverse speed that can be achieved by the turbine itself and the nominal pump speed needs to be bridged.
Up to now, this switching was more cumbersome and time-consuming, in that the turbine first had to be braked to zero in forward mode by a separate brake and then ramped up from zero to the pump speed using the external drive (electric motor or special launch turbine).
The fluid flow machine used to carry out the aforementioned method with non-overlapping and from an adjustment range with positive blade opening angles to negative opening angles by means of swiveling guide blades, is expediently designed so that the flow channel located upstream of the impeller has an air supply with a shut-off element and that the latter with the adjustment device for the guide vanes is in such a way in Steuerver connection that the shut-off element is open in the guide vane positions corresponding to the transition area between the positive and negative opening angles.
In this way, incorrect switching can be avoided and the operator's attention is relieved.
The supply of air into the flow of a water turbine in the area behind the impeller or on the guide vanes is already known per se, but for a different purpose, namely to dampen the pressure fluctuations that occur in normal continuous operation with partial or overload in the Sau pipe as well as avoiding or reducing a rotating impeller outflow. The location of these sturgeon sources is also different from the subject matter of the invention, because the measures according to the invention should be effective in particular in the area of the guide and impeller blades.
Furthermore, in the known designs, the air supply may only be small so that the efficiency of the turbine is not deteriorated too much. According to the invention, on the other hand, a far greater dosage of the air supply is permissible, since this takes place only during a short transitional operation.
In another previously known turbine design, air is also continuously introduced into the water flow for the purpose of aerating the river water and accelerating the biological water purification. Obviously, this type of air supply has absolutely no connection with the present invention.
The invention is explained with reference to the drawing voltage using the embodiment of a pump turbine. 1 shows a vertical section through a vertical axis pump turbine and FIG. 2 shows an approximately horizontal section through the blades.
The impeller 1 of the pump turbine reversible in the direction of rotation has essentially radially flowed impeller blades 2 and drives the electric generator 4 via the shaft 3 during normal turbine operation - that is, in the forward direction of rotation. The guide vanes 5 can be pivoted with the aid of the extended vane journals 6 and the vane lever 7. These levers 7 are coupled via a rod 8 and the lever 9 with a shut-off device 10 (here designed as a rotary slide) as a function of movement.
The rotary valve 10 controls the air supply from the air vessel 11, which is always filled with compressed air, via the line parts 12a and 12b into the spiral housing 13 of the pump turbine. In a departure from this, the air could also be fed into the water flow via the lines 12a, 12b and 14 at a point on the turbine cover 15 or via the lines 12a and 16 on the guide vanes 5.
The horizontal section according to FIG. 2 shows, in addition to the impeller blades 2 and the pivotable guide blades 5, the latter, adjacent stationary support blades (cross members) 17.
During normal turbine operation and the impeller rotating in the forward direction of rotation according to arrow 21, the water flows in the direction of arrow 18; furthermore, all guide vanes 5 within the range 19 to 20 can then be pivoted by about 20-25 with positive opening angles + a (drawn Position), according to the desired water flow rate.
In order to switch to pump operation, the guide vanes 5 are pivoted beyond the closed position 5 "into the dot-dashed position 5 'with a nega tive opening angle - a (Winkeleinstel ment 22), so that as a result of the changing flow conditions, the impeller blades 2 and the impeller 1 are first decelerated to zero and then accelerated in the opposite direction 23.
During this change of direction, very strong flow changes occur in the area of the guide and impeller blades 5 and 2, and as a consequence, unstable flow conditions, vibrations and noises, which previously made such a change of direction impossible. These difficulties are avoided by the air introduced into the flow through the lines 12a, 12b or 12a, 12b, 14 or 12a, 16 during this time.
As soon as the impeller 1 has reached about the highest reverse speed (in the direction of rotation 23) in its own operation - this speed is usually around 80 the nominal pump speed and above depending on the pump type - the system switches to external drive and the impeller 1 is increased up to the nominal pump speed drive. In addition, the guide vanes are now swiveled back into the working position 5, in which they remain in the subsequent pump operation with a liquid flow according to arrow 24.
After this reversal, the air supply through lines 12, 12b, 14 and 16 is shut off again, as it is not required during normal pump and turbine operation and would worsen the efficiency of the system during this operating time.
In order to reliably prevent malfunctions in the air supply that deviate from this, the levers 7 of the guide vane adjustment device are coupled via the rod 8 to the lever 9 on the rotary valve 10 in such a way that the air lines 12a, 12b, 14 and 16 in the guide vane positions are closed in the angular range between 19 and 20 (this corresponds to normal turbine forward operation and normal pump operation)
and in the guide vane adjustment range between 20 to 22 - which corresponds to the reversing process from forward to reverse turbine operation and from this to pump operation - is open.