CH643914A5 - Mehrstufige, hydraulische maschine und verfahren zu ihrem betrieb. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige, hydraulische Maschine, in welcher jede Stufe mit Leitschaufeln ausgerüstet ist, und ein Verfahren zum Betrieb derselben. Unter mehrstufigen, hydraulischen Maschinen ist in dieser Beschreibung entweder eine mehrstufige Pumpe, mehrstufige Turbine oder mehrstufige Pumpenturbine zu verstehen.

Üblicherweise wird die Steuerung des Betriebes für eine hydraulische Maschine durchgeführt, indem der Mengenstrom des Wassers, das durch die hydraulische Maschine hindurchströmt mittels Leitschaufeln verändert wird, welche Leitschaufeln um einen Läufer angeordnet sind oder sie wird mittels eines Einlassventiles beim Einlassabschnitt der Maschine durchgeführt.

Für solche Ausbildungen für mehrstufige, hydraulische Maschinen, die für jede Stufe, von der Stufe höchsten Druckes bis zur Stufe niedrigsten Druckes jeweils einen Läufer aufweisen, wobei die Stufen mittels eines Überströmkanals miteinander verbunden sind, sind verschiedene Anordnungen zum Steuern des Betriebes der Maschine gezeichnet und vorgeschlagen worden, mittels welchen der Mengenstrom des Wassers bei jeder Stufe mittels Leitschaufeln gesteuert wird, die um den Läufer jeder Stufe herum angeordnet sind.

Jedoch ist es bei solchen Maschinen, vom strukturellen Standpunkt aus gesehen, äusserst schwierig, eine Betätigungsvorrichtung zum Öffnen und Schliessen der beim Läufer jeder Stufe vorhandenen Leitschaufeln einzusetzen.

Folglich sind bekannte mehrstufige hydraulische Maschinen üblicherweise derart ausgebildet, dass bei jeder Stufe lediglich feste Leitschaufeln mit unveränderlichem Wasserdurchflussquerschnitt für den jeweiligen Läufer angeordnet sind, und dass der Betriebszustand gesteuert wird, indem das Einlassventil der Maschine geöffnet und geschlossen wird, um damit den Mengenstrom des Wassers zu ändern. Bei einer solchen Maschine ist es jedoch unmöglich, den Strömungszustand beim äusseren Umfang des Läufers in Einklang mit dem Mengenstrom einwandfrei zu ändern, so dass die hydraulische Leistung jeder Stufe dann verschlechtert wird, wenn der Mengenfluss einen Wert aufweist, der wesentlich tiefer oder höher ist als der Auslegewert der Maschine, so dass die gesamte hydraulische Leistungsfähigkeit der hydraulische Maschine im Betrieb vermindert wird. Überdies, falls der Mengenfluss geändert worden ist, indem das Einlassventil mässig geschlossen wurde, wird der Verlust an Gefälle beim Einlassventil grösser werden, so dass die aus der Wasserströmung hervorgehende Energie (kinetische Energie) die einem solchen Verlust entspricht, vernichtet wird, so dass der Wirkungsgrad eines Kraftwerks verschlechtert wird.

Ziel der Erfindung ist, eine mehrstufige, hydraulische Maschinenanordnung zu schaffen, bei der die obengenannten Nachteile behoben sind, und ein Verfahren zum Steuern dieser Anordnung zu schaffen, wobei es ermöglicht sein soll, einen kontinuierlichen Betrieb mit zufriedenstellenden, hydraulischen Eigenschaften, bzw. Kennlinien zu schaffen, und auch zu ermöglichen, den Betrieb auch sicher während Übergangszuständen weiterzuführen, welche dann auftreten, wenn der Betriebszustand geändert wird.

Die erfindungsgemässe Maschine ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.

Damit kann die gesamte hydraulische Leistung in einem Betriebsbereich kleinen Mengenflusses für die Seite höherer Gefällshöhe, und dies im Pumpenbetrieb der mehrstufigen, hydraulischen Maschine, verbessert werden indem der veränderliche Wasserdurchflussquerschnitt, der durch die verstellbaren Leitschaufeln bestimmt ist, in bezug auf den unveränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt, der durch die festen Leitschaufeln bestimmt ist, vermindert wird.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine, die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Turbinenkennlinien der einzelnen Stufen einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine nach der Fig. 1 dargestellt sind,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Pumpenkennlinien der einzelnen Stufen der mehrstufigen Maschine dargestellt sind, und

Fig. 4-6 Blockdiagramme von Steuervorrichtungen zum Steuern des Betriebes der mehrstufigen, hydraulischen Maschine.

Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, ist in der Fig. 1 die Ausbildung einer einfachen Ausführung der erfindungsgemässen, mehrstufigen, hydraulischen Maschine gezeichnet, die eine zweistufige, hydraulische Maschine 15 der Francis-Bauartist, und eine Steuervorrichtung 17 für die Maschine 15 aufweist. In der Fig. 1 ist ein Läufer 10 für eine Stufe 10a höheren Druckes gezeigt, vestellbare Leitschaufeln 12 für die Stufe 10a höheren Druckes, die entlang einer Kreislinie um den Läufer 10 herum angeordnet sind und mittels denen ein veränderlicher Wasserdurchflussquerschnitt gebildet werden kann, ist ein Läufer 14 für eine Stufe 14a

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niedrigeren Druckes gezeigt und weiter feste Leitschaufeln 16 für die Stufe 14a niedrigeren Druckes, die entlang einer Kreislinie um den Läufer 14 angeordnet sind und einen unveränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt bestimmen, wobei die Stufe 1 Oa höheren Druckes mittels eines Überströmkanals 18 mit der Stufe 14a niedrigeren Druckes in Serie verbunden ist. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind mit einer Betriebs- bzw. Steuervorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, welche von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit gesteuert ist, derart, dass die Öffnung, d.h. der Wasserdurchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln 12 grösser oder kleiner werden kann als derjenige der festen Leitschaufeln 16, abhängig davon, ob der Wassermengen-fluss während eines kontinuierlichen oder Übergangbetriebes erfolgt. Die Bezugsziffer 20 bezeichnet das Spiralgehäuse, das Druckrohr ist mit 22 und der Absperrschieber mit 24 bezeichnet. Die Bezugsziffer 26 bezeichnet ein Saugrohr, das vom Wasser nach Durchströmen des Läufers der Stufe niedrigeren Druckes durchströmt wird.

Bei dieser Maschine strömt dann im Turbinenbetrieb Wasser vom Druckrohr 22 in das damit verbundene Spiralgehäuse 20, wenn der Absperrschieber 24 offen ist. Nachfolgend strömt das Wasser an den verstellbaren Leitschaufeln 12 vorbei, durch den Läufer 10 für die Stufe 10a höheren Druckes, durchströmt den Überströmkanal 18 und strömt an den festen Leitschaufeln 16 vorbei, durch den Läufer 14 für die Stufe 14a niedrigeren Druckes und endlich in das Saugrohr 26, das mit dem Unterwasserkanal (nicht gezeigt) verbunden ist.

Im Pumpenbetrieb strömt der Wasserstrom in umgekehrter Richtung durch die obigen Bauteile, bzw. an ihnen vorbei.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind also die festen Leitschaufeln 16 mit unveränderlichem Wasserdurchflussquerschnitt um den Läufer 14der Stufe 14atieferen Druckes angeordnet (um alle Stufen mit Ausnahme der Stufen höchsten Druckes für eine mehrstufige, hydraulische Maschine mit drei oder mehr Stufen), welche Stufe 14a aufgrund von strukturellen Schwierigkeiten kaum mit verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden kann, währenddem die verstellbaren Leitschaufeln 12 ausschliesslich um denn Läufer 10 der Stufe 10a höheren Druckes angeordnet sind (Stufe höchsten Druckes für eine mehrstufige, hydraulische Maschine mit drei oder mehr Stufen), welches vom strukturellen Gesichtspunkt aus gesehen ein verhältnismässig einfaches Einbauen der verstellbaren Leitschaufeln ermöglicht.

Es wird nun auf die Fig. 2 der Zeichnungen Bezug genommen, anhand welcher die hydraulischen Eigenschaften, bzw. Kennlinien der zweitstufigen, hydraulischen Maschine mit der oben erwähnten Ausbildungsform in einem kontinuierlichen Turbinenbetrieb beschrieben sein wird. Die Fig. 2 zeigt die hydraulischen Kennlinien für die jeweiligen Stufen der zweistufigen, hydraulischen Maschine im Turbinenbetrieb. In der Fig. 2 ist Hl ein Turbinennettogefälle (Fallhöhe) für die Stufe 10a höheren Druckes, H2 ist das Turbinennettogefälle (Fallhöhe) für die Stufe 14a kleineren Druckes, Q bezeichnet die Wassermenge, d.h. den Mengenfluss des Wassers. H10, H20 und Q0 sind Werte, die H l, H2 und Q entsprechen, die bei üblichem, kontinuierlichem Tur-binenbetriebszustand erhalten werden (Punkt 0 in der Zeichnung), wo Hl gleich H2 ist. a-0 bezeichnet den Wasserdurchflussquerschnitt für jede Stufe für kontinuierlichen Betrieb im Auslegepunkt, und a-1 bezeichnet den Wasserdurchflussquerschnitt der Stufe 10a höheren Druckes, der grösser ist als der Wasserdurchflussquerschnitt a-0 für Auslegungsbetrieb, a-1, a-2,... sind Wasserdurchflussquerschnitte bei der Stufe 10a höheren Druckes, die kleiner sind, als der Auslegungs-wasserdurchflussquerschnitt a-0, und Ar] ist ein Unterschied des Turbinenwirkungsgrades, der durch einen relativen

Unterschied vom grösstmöglichen Turbinenwirkungsgrad dargestellt ist. In der Fig. 2 ist das Verhältnis zwischen der Wassermenge und dem Turbinenettogefälle (Fallhöhe) für jede Stufe dargestellt, wobei die relative Wassermenge Q/Q0 als Abszissenachse und die relative Fallhöhe Hl/Hl0 und H2/H20 bei den höheren und niedrigeren Druckstufen 10a und 14a auf der Ordinatenachse dargestellt sind.

Die Kurvenlinien a-0, a-1,... sind Kennlinien, die dem Wasserdurchflussquerschnitt a-0, a-1,... etc. entsprechen. Dazu ist zu bemerken, dass weil die Kurvenlinien a-0, a-1, ... Kennlinien der verstellbaren Leitschaufeln entsprechend ihrer Offenstellungen sind, wird das Mass der Offenstellung a-0, a-1,... zur Identifizierung der Kurvenlinien verwendet, d.h. die Kennlinien des Masses der Offenstellung und somit des Wasserdurchflussquerschnittes sind mit a-0, a-1,... bezeichnet. Entsprechend kann eine gesamte Turbinenfallhöhe HO der hydraulischen Maschine erhalten werden,

indem man die Turbinenfallhöhe für die zwei Stufen zusammenzählt.

Wenn der Absperrschieber 24 vollständig offen ist und jede Stufe im Auslegungspunkt mit kontinuierlichem Turbinenbetrieb arbeitet (Punkt 0 in Fig. 2) beträgt die Turbinenfallhöhe für jede Stufe die Hälfte der gesamten Fallhöhe HO, die die hydraulische Maschine beeinflusst. Damit erhält man netto:

Hl + H2 = HO Hl = H2

Hl = H10 = HO/2 und (I)

H2 = H20 = HO/2

Wenn nun der Mengenfluss, d.h. die Wassermenge vom Mass des Turbinenbetriebes im Auslegungspunkt und im kontinierlichen Betrieb vermindert wird, indem der Absperrschieber 24 allmählich geschlossen wird, wobei jedoch der Wasserdurchflussquerschnitt bei jeder Stufe unverändert beibehalten wird, d.h. im Auslegungspunkt beibehalten wird, folgt der Betriebszustand für jede Stufe einem geometrischen Ort 0 — A auf der Kennlinie, die dem Wasserdurchflussquerschnitt a-0 beim Auslegungsbetrieb entspricht, wobei er zur Seite der kleineren Fallhöhe bewegt wird, dies um einen Fallhöhenverlust AHv/2 des Absperrschiebers 24, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Folglich wird die Maschine mit einer verminderten hydraulischen Leistungsfähigkeit, entsprechend den nachfolgenden Beziehungen betrieben.

Hl + H2 = HO - AHv Hl = H2

H1 = (HO - AH v)/2 = H10 - AH v/2 und (2)

H2 = (HO - AHv)/2 = H20 - AHv/2

Dieser oben erwähnte Zustand wird nun von einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine erzeugt, die gemäss dem Stand der Technik ausgebildet ist, welche um jeden Läufer feste Leitschaufeln aufweist, und bei der der Zustand für den Turbinenbetrieb gesteuert wird, indem die Wassermenge mittels des Absperrschiebers 24 geändert wird. Aus dem geometrischen Ort 0 — A auf der Kennlinie ist ersichtlich, dass die hydraulische Energie für den Fallhöhenverlust verloren geht, und dass beide Stufen mit einer kleineren hydraulischen Leistungsfähigkeit betrieben werden, woraus folgt, dass die Maschine mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben wird.

Jedoch wird nun bei der zweistufigen, hydraulischen Maschine dieses Ausführungsbeispieles die Wassermenge vom Mass für den kontinuierlichen Turbinenbetrieb im Auslegungspunkt (Punkt 0) vermindert, indem lediglich der Wasserdurchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln 12 der Stufe 10a höheren Druckes verkleinert wird, wobei der Absperrschieber 24 vollständig offengehalten wird.

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Weiter Bezug auf Fig. 2 nehmend, wenn der Wasserdurchflussquerschnitt bei der Stufe 10a höheren Druckes allmählich vermindert wird, folgt der Betriebszustand für die Stufe 14a niedrigeren Druckes mit dem unveränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt dem geometrischen Ort 0— A auf der Kennlinie, die dem Wasserdurchflussquerschnitt im Auslegungspunkt entspricht, um dabei die hydraulische Wirksamkeit etwas zu verschlechtern. Weil nun andererseits die Turbinenfallhöhe H1 vergrössert wird, wenn der Wasserdurchflussquerschnitt vermindert wird, folgt der Betriebszustand der Stufe 10a höheren Druckes einem geometrischen Ort 0 — B, entlang welchem die hydraulische Leistungsfähigkeit gemäss der folgenden Beziehungen vergrössert wird.

Hl + H2 = HO und Hl > H2

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Daher kann bei der zweistufigen, hydraulischen Maschine dieses Ausführungsbeispieles der Betriebsbereich für die Stufe 10a höheren Druckes zu einer höheren hydraulischen Leistungsfähigkeit verschoben werden, so dass die gesamte hydraulische Leistungsfähigkeit der Maschine verbessert wird. Zudem ist kein Anwachsen des Verlustes an Fallhöhe beim Absperrschieber 24 vorhanden, so dass die hydraulische Maschine mit hoher Wirksamkeit und ökonomisch betrieben werden kann, dies im Vergleich mit dem Fall der mehrstufigen, hydraulischen Maschine, die nur durch ein Steuern eines Einlassventils betrieben ist. Wenn die gesamte Turbinenfallhöhe HO, die auf die hydraulische Maschine einwirkt, gegeben ist, ist es unmöglich, mehrstufige, hydraulische Maschinen, die gemäss dem Stand der Technik ausgebildet sind, und die mit einem Steuern nur des Absperrschiebers betrieben werden, mit einer Wassermenge zu betreiben, die höher ist als das Mass für den Turbinenbetrieb im Auslegungspunkt (Punkt 0) wenn der Absperrschieber 24 in der Offenstellung ist, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, weil der Wasserdurchflussquerschnitt für jede Stufe unveränderlich ist. Jedoch ist es nun möglich, bei der zweistufigen, hydraulischen Maschine gemäss dieses Ausführungsbeispiels den Wasserdurchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln für die Stufe höheren Druckes zu ändern, so dass dieser grösser ist als der Wasserdurchflussquerschnitt beim Betrieb im Auslegungspunkt 0 oder grösser als der unveränderliche Wasserdurchflussquerschnitt bei der Stufe niedrigeren Druckes. Daher kann eine grosse Turbinenleistung mit einer Wassermenge erzeugt werden, die höher ist als die für den Betrieb im Auslegungspunkt (Punkt 0) gemäss der folgenden Beziehung.

Maschine in einem üblichen kontinuierlichen Pumpbetrieb beschrieben wird. Die Fig. 3 zeigt die hydraulischen Kennlinien der zweistufigen, hydraulischen Maschine in einem Pumpenbetrieb, der kontinuierlich ist. Die Fig. 3 zeigt die s hydraulischen Kennlinien für die jeweiligen Stufen der zweistufigen, hydraulischen Maschine im Pumpenbetrieb. In Fig. 3 bezeichnet H1 die Förderhöhe für die Stufe 10a höheren Druckes, H2 eine Förderhöhe für die Stufe 14a niedrigeren Druckes, Q bezeichnet die Wassermenge, H10, H20 und Q0 io sind die Werte, die denen von H1, H2 und Q entsprechen, und die bei kontinuierlichem Pumpenbetrieb im Auslegungspunkt (Punkt 0 wie gezeichnet) entsprechen, wo H1 gleich H2 ist, und aO ist ein Wasserdurchflussquerschnitt bei jeder Stufe für den kontinuierlichen Pumpbetrieb im Auslegungspunkt, 15 al ist ein Wasserdurchflussquerschnitt bei der Stufe 10a höheren Druckes, der grösser ist als der Wasserdurchflussquerschnitt aO, a-1 ist ein Wasserdurchflussquerschnitt bei der Stufe 10a höheren Druckes, der kleiner ist als der Wasserdurchflussquerschnitt aO bei kontinuierlichem Betrieb im 20 Auslegungspunkt und Ar| ist ein Pumpenwirkungsgrad-Unterschied. Die Kennlinien aO, al,... entsprechen den

Wasserdurchflussquerschnitten aO bzw. al Eine totale

Förderhöhe HO der hydraulischen Maschine kann erhalten werden, indem man die Förderhöhen der zwei Stufen zusam-25 menzählt. Wenn der Absperrschieber 24 der zweistufigen, hydraulischen Maschine 15 voll offen ist, und jede Stufe im kontinuierlichen Auslegungspunkt arbeitet (Punkt 0 der Fig. 3), kann die gesamte Förderhöhe HO, die durch die hydraulische Maschine erzeugt wird, erhalten werden, indem man 30 die gleichen Förderhöhen für die zwei Stufen wie folgt zusammenzählt:

Hl + H2= HO Hl = HO/2 = H10 und 35 H2 = H0/2 = H20

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Hl + H2 = HO und Hl > H2

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Daher kann gemäss der vorliegenden Erfindung die mehrstufige, hydraulische Maschine wirksam betrieben werden; während des kontinuierlichen Betriebes im Auslegungsbereich der Turbine kann der hydraulische Wirkungsgrad im Bereich kleinerer Wassermenge verbessert werden, indem man den Wasserdurchflussquerschnitt, der durch die verstellbaren Leitschaufeln gegeben ist derart steuert, dass dieser kleiner ist als der unveränderliche Wasserdurchflussquerschnitt, der durch die festen Leitschaufeln gegeben ist, währenddem ein Betrieb mit verhältnismässig grosser Turbinenleistung erzielt werden kann, indem der veränderliche Wasserdurchflussquerschnitt grösser als der unveränderliche gemacht wird.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 der Zeichnungen genommen, anhand derer nun die hydraulischen Eigenschaften bzw. Kennlinien der zweistufigen, hydraulischen

Falls der Wasserpegel eines Kraftwerkes über dem Pegel angeordnet wird, der für den Betrieb im Auslegungspunkt zutrifft, wird an die hydraulische Maschine die Forderung 4o gestellt, einen Pumpenbetrieb durchzuführen, der eine Förderhöhe aufweist, der höher ist als die Förderhöhe im Auslegungspunkt HO, entsprechend einem solchen Wasserpegel. In diesem Fall wird eine mehrstufige hydraulische Maschine, die gemäss dem Stand der Technik ausgebildet ist, und die bei 45 allen Stufen feste Leitschaufeln aufweist, mit einem vollständig offenen Absperrschieber betrieben und auch mit einem unveränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt aO entsprechend dem Betrieb im Auslegepunkt und der für jede Stufe beibehalten wird, das heisst, dass der Betriebszustand so jeder Stufe, mit einem solchen verhältnismässig grossen Wasserdurchflussquerschnitt aO für den Auslegungspunkt zu einem Bereich kleinerer Wassermenge bei der Seite höherer Förderhöhe entlang eines geometrischen Ortes 0 — AI verschoben wird. Entsprechend werden die hydraulischen 55 Eigenschaften für jede Stufe äusserst stark abfallen, so dass der gesamte hydraulische Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine vermindert wird.

Jedoch wird nun bei dem vorliegenden Ausführungsbei-spiel, obwohl die Stufe 14a kleineren Druckes in Richtung 60 der Seite grösserer Förderhöhe verschoben wird, um AI zu erhalten, wobei der Wasserdurchflussquerschnitt aO, gemäss des Auslegungspunktes beibehalten wird, eine hohe hydraulische Wirksamkeit für die Stufe 10a höheren Druckes sichergestellt werden, indem man die Öffnung der verstellbaren 65 Leitschaufeln 12 derart steuert, dass sie kleiner ist als der Wasserdurchflussquerschnitt aO im Auslegungspunkt, und den Betriebszustand der Stufe 10a höheren Druckes gegen die Seite grösserer Förderhöhe entlang des geometrischen Ortes

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0 — B1 verschiebt, um einen optimalen Wasserdurchflussquerschnitt entsprechend folgender Beziehung zu erhalten.

Hl + H2 = Hund

Hl > H2 (6)

Entsprechend kann ein Betrieb mit kleiner Wassermenge durchgeführt werden, wobei ein beträchtlich verbesserter, gesamter hydraulischer Wirkungsgrad im Vergleich mit der mehrstufigen, hydraulischen Maschine gemäss dem Stand der Technik erzielt werden kann. Wenn der Wasserpegel beim Kraftwerk abgesenkt wird, so dass er tiefer ist als der normale Wasserpegel, d.h. der Wasserpegel im Auslegungspunkt, wird andererseits an die hydraulische Maschine die Forderung gestellt, mit einer Förderhöhe einem Pumpenbetrieb durchzuführen, die kleiner ist als die Förderhöhe HO, entsprechend des Auslegungspunktes, dies entsprechend eines solchen, tieferen Wasserpegels. In diesem Fall wird die mehrstufige, hydraulische Maschine, die gemäss dem Stand der Technik ausgebildet ist, und die bei allen Stufen feste Leitschaufeln aufweist, mit einem vollständig offenen Absperrschieber betrieben und auch mit dem unveränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt aO gemäss des Auslegungspunktes, der in jedem Fall beibehalten wird, so dass der Betriebszustand jeder Stufe, mit einem derart verhältnismässig kleinen Wasserdurchflussquerschnitt aO gemäss des Auslegungspunktes, in Richtung zum Bereich grösserer Wassermenge beim Bereich kleinerer Förderhöhe entlang des geometrischen Ortes 0 —A2 verschoben wird. Entsprechend werden die hydraulischen Eigenschaften für jede Stufe abnehmen, so dass der gesamte hydraulische Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine abnimmt. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel kann nun, obwohl die Stufe 14a kleineren Druckes gegen die Seite kleinerer Förderhöhe verschoben wird, um A2 zu erreichen, wobei der Wasserdurchflussquerschnitt aO gemäss der Auslegung beibehalten wird, eine sehr hohe hydraulische Wirksamkeit für die Stufe 10a höheren Druckes erhalten werden, indem man die Stellung der verstellbaren Leitschaufeln 12 derart ändert, dass der Wasserdurchflussquerschnitt grösser ist als der Wasserdurchflussquerschnitt aO gemäss des Auslegungspunktes, so dass der Betriebszustand für die Stufe 10a höheren Druckes gegen die Seite kleinerer Förderhöhe entlang des geometrischen Ortes 0 — B2 verschoben wird, so dass ein optimaler Wasser-durchflussquerschnittszustand erhalten wird, in Übereinstimmung mit den Beziehungen, die durch die Gleichungen (6) gegeben sind, so dass ein Betrieb der hydraulischen Maschine ermöglicht ist, die eine verbesserte gesamte, hydraulische Wirksamkeit aufweist.

Daher kann entsprechend der Erfindung die mehrstufige, hydraulische Maschine auch im Pumpbetrieb gemäss des Auslegungspunktes wirksam betrieben werden, wobei im Bereich kleiner Wassermenge bei der Seite hoher Förderhöhe oder im Bereich grosser Wassermengen bei der Seite kleiner Förderhöhe mit verbesserter, gesamter, hydraulischer Wirksamkeit betrieben werden, indem man den veränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt steuert, der durch die verstellbaren Leitschaufeln beschrieben wird, derart, dass er grösser oder kleiner ist als der unveränderliche Wasserdurchflussquerschnitt, der durch die festen Leitschaufeln für die Stufen kleineren Druckes bestimmt ist.

Die Vorrichtung 17 zum Steuern des Betriebes weist Steueranordnungen 17a und 17b zum Steuern der verstellbaren Leitschaufeln 12 im üblichen Betrieb wie beim Auslegungspunkt auf, und weist eine Betriebssteueranordnung 17c für Übergangsbetrieb auf. Die Steueranordnungen 17a, 17b und 17c sind in den Fig. 4,5 bzw. 6 gezeigt.

In der Fig. 4 ist der Fall gezeigt, bei dem der Wasserdurchflussquerschnitt a der mit einer Steuereinheit verbundenen verstellbaren Leitschaufeln 12 für die Stufe höchsten Druckes, wie oben erwähnt abhängig von der Last für eine gute hydraulische Wirksamkeit, mittels einer Lastverstelleinheit 50 und der Steuereinheit 52 für die Leitschaufeln verstellt ist. Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem der Wasserdurchflussquerschnitt a der verstellbaren Leitschaufeln 12 für eine gute hydraulische Wirksamkeit abhängig vom Wasserpegel (relative Fallhöhe für Turbine bzw. relative Förderhöhe für Pumpe), mittels einer Steueranordnung verändert wird, die aus einer Wasserpegelsteueranordnung 54 und einer Steuereinheit 52 für die Leitschaufeln gebildet ist, welche mit den verstellbaren Leitschaufeln 12 verbunden ist. Eine Steuerung des Betriebes beim kontinuierlichen Betrieb im Auslegungspunkt kann einfach erzielt werden, indem eine oder beide der Einstellungen der Fig. 4 und 5 gemacht wird.

Nachfolgend wird nun das Steuern für Übergangsbetriebs-zustände der mehrstufigen, hydraulischen Maschine beschrieben. Es ist wichtig, zum Steuern von Übergangsbe-triebszuständen der komplexen mehrstufigen, hydraulischen Maschine, die für jede Stufe einen Läufer aufweist, die mittels eines Überströmkanals miteinander verbunden sind, ein einfaches und sicheres Verfahren zu schaffen. Diese Über-gangsbetriebszustände sind beispielsweise das Anfahren oder das Anhalten der Turbine oder der Pumpe, eine Lastabschaltung bei der Turbine und ein Ausfall des Antriebes der Pumpe.

Bei der mehrstufigen, hydraulischen Maschine gemäss des Standes der Technik, die bei jeder Stufe um den Läufer herum angeordnete feste Leitschaufeln aufweist, wird der Betriebszustand gesteuert, indem im Absperrschieber Betriebssteuerbefehle zum Ändern des Wasserdurchflussquerschnittes gegeben werden, so dass der Mengenfluss, d.h. die Wassermenge und damit die Drehzahl geändert wird. Jedoch ist bei einer solchen Steuerung, bei der der Absperrschieber betätigt wird, im Gegensatz zu einer Steuerung der Leitschaufeln sehr schwierig, die Wassermenge gleichförmig zu ändern, so dass eine beträchtliche Turbulenz entsteht, welche spürbaren Lärm und Vibrationen erzeugen würde. Gemäss dieser Erfindung wird jedoch andererseits der Wasserdurchflussquerschnitt geändert, indem die Betriebssteuerbefehle nur den verstellbaren Leitschaufeln 12 zugeführt werden, die um den Läufer der Stufe 10a höheren Druckes angeordnet sind, so dass in dieser Weise die Wassermenge verändert wird, um den Betriebszustand zu steuern. Weil nun die Steuerbefehle nur den verstellbaren Leitschaufeln 12 der Stufe 10a höheren Druckes gegeben werden, kann das Steuern einfach erzielt werden, ohne dass Schwierigkeiten auftreten, die den aufwendigen Steuersystemen eigen sind. Überdies, im Gegensatz zur Steuerung mittels des Absperrschiebers, ermöglicht das Steuern der Leitschaufeln ein gleichmässiges Steuern zum Ändern des Mengenflusses, so dass kein spürbarer Lärm oder keine spürbare Vibration erzeugt wird.

Eine gemäss der vorliegenden Erfindung gebaute mehrstufige, hydraulische Maschine weist noch folgende Eigenheit auf. In der Wasserzufuhrleitung, die mit der Stufe 10a höheren Druckes verbunden ist, können durch Wasserschlag hervorgerufene Druckstösse entstehen, oder es können Druckstösse entstehen, die durch eine schlagartige Änderung des Mengenflusses dann auftreten, wenn die Leitschaufeln geschlossen worden sind. Diese Druckstösse werden weitgehend durch die bewegbaren Teile der verstellbaren Leitschaufeln aufgenommen, wobei diese nun einen kleinen Betrag mehr gegen die Offenstellung bewegt werden, oder vollständig in die Schliessstellung bewegt werden. Damit werden aber innerhalb der Maschine, d.h. bei den Leitschaufeln (bei Turbinenbetrieb) stromabwärts gelegenen Stellen desselben s

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Daher wird verhindert, dass eine solche Druckwelle unmittelbar die Stufe 14a kleineren Druckes beeinflusst, bei welcher der Wasserdurchflussquerschnitt immer gross ist, so dass die gesamte Maschine nie einem übermässig grossen Wasserdruck ausgesetzt ist, so dass ein äusserst sicheres Steuern sichergestellt ist.

Es wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 6 das Steuern für eine Lastabschaltung der Turbine beschrieben, welches unter anderem die grösste Schwierigkeit bei Übergangsbetrieben ist. Eine Drehzahländerung AN (oder Spannungsänderung AV) in einem Generator, der unmittelbar mit der hydraulischen Maschine verbunden ist, wird abgetastet, und somit der Wasserdurchflussquerschnitt für die verstellbaren Leitschaufeln 12 für die Stufe höchsten Druckes gesteuert, welche mit der Steueranordnung verbunden sind, die eine Steuereinheit 56 und eine Steuereinheit 52 für die Leitschaufeln enthält, so dass ein einfaches und sicheres Stabilisieren der Drehzahl, des Mengenflusses, des Wasserdruckes, etc. sichergestellt ist. Im Falle eines Ausfalles des Antriebes der Pumpe und beim Anfahren oder Stoppen der hydraulischen Maschine ist es überdies wichtig, die Betriebszustände der hydraulischen Maschine in solchen Übergangsbetriebszu-ständen sicher zu steuern, indem durch die Betriebssteuerung nur die Leitschaufeln 12 der Stufe höchsten Druckes über die

Steuereinheit 52 für die Leitschaufeln gesteuert werden. Weil der innere Aufbau der Betriebssteuereinheiten, die in den Fig. 4 bis 6 gezeigt sind, allgemein bekannt ist, ist eine ins Einzelne gehende Beschreibung ihrer Bauglieder und Arbeits-s weisen weggelassen.

Wie es oben beschrieben ist, kann gemäss der vorliegenden Erfindung eine mehrstufige, hydraulische Maschine geschaffen sein, die mehrere Stufen vom höchsten bis zum io niedrigsten Druck aufweist, die mittels eines Überströmkanals verbunden sind, wobei verstellbare Leitschaufeln mit einem veränderlichen Wasserdurchflussquerschnitt lediglich um einen Läufer für die Stufe höchsten Druckes angeordnet sind, und wobei feste Leitschaufeln mit unveränderlichem ls Wasserdurchflussquerschnitt um jeden Läufer der Stufe niedrigen Druckes bzw. der Stufen niedrigen Druckes angeordnet ist, so dass in einem kontinuierlichen Betrieb im Auslegungspunkt die Offenstellung der verstellbaren Leitschaufeln für die Stufe 10a höchsten Druckes derart gewählt werden kann, 20 bzw. gesteuert werden kann, dass sie kleiner oder grösser ist als der Wasserdurchflussquerschnitt bei den festen Leitschaufeln bei der Seite tieferen Druckes, dies entsprechend des Mengenflusses, wobei die hydraulischen Eigenschaften im Betrieb im Auslegungspunkt oder während des kontinuier-2s liehen Betriebes verbessert sind und so, dass auch ein sicheres Steuern bei Übergangsbetriebszuständen erzielt ist, welche entstehen, wenn der Betriebszustand geändert wird.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

643914 PATENTANSPRÜCHE

1. Mehrstufige, hydraulische Maschine, in welcher jede Stufe mit Leitschaufeln ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (10a) höchsten Druckes verstellbare Leitschaufeln (12) und jede andere der Stufen (14a) feste Leitschaufeln (16) aufweist und dass eine Steuervorrichtung (17) zum Steuern der verstellbaren Leitschaufeln (12) vorhanden ist, derart, dass falls die zuströmende bzw. geförderte Wassermenge grösser als die Wassermenge im Auslegepunkt der Maschine ist, der Durchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln (12) grösser als der Durchflussquerschnitt bei den festen Leitschaufeln (16) ist, und falls die zuströmende bzw. geförderte Wassermenge kleiner als die Wassermenge im Auslegepunkt der Maschine ist, der Durchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln (12) kleiner als der Durchflussquerschnitt bei den festen Leitschaufeln (16) ist.

2. Verfahren zum Betrieb der Maschine nach Anspruch 1 im Turbinenbetrieb oder Pumpenbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (17) die verstellbaren Leitschaufeln (12) derart steuert, dass falls die zuströmende bzw. geförderte Wassermenge grösser als die Wassermenge im Auslegepunkt der Maschine ist, der Durchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln (12) grösser als der Durchflussquerschnitt bei den festen Leitschaufeln (16) ist, und falls die zuströmende bzw. geförderte Wassermenge kleiner als die Wassermenge im Auslegepunkt der Maschine ist, der Durchflussquerschnitt bei den verstellbaren Leitschaufeln (12) kleiner als der Durchflussquerschnitt bei den festen Leitschaufeln (16) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern des Durchflussquerschnittes bei den verstellbaren Leitschaufeln (12) abhängig von in der Steuervorrichtung (17) auftretenden Steuersignalen erfolgt, die während der Zeitspanne des Anfahrens oder Abschaltens der hydraulischen Maschine (15), einer Lastabschaltung im Turbinenbetrieb oder dem Ausfall des Antriebes im Pumpenbetrieb erzeugt werden.