CH651633A5

CH651633A5 - Verfahren zum betrieb einer zweistufigen pumpenturbine.

Info

Publication number: CH651633A5
Application number: CH6412/80A
Authority: CH
Inventors: Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1985-09-30
Also published as: JPS5634972A; DE3032023A1; JPS6113112B2; US4344735A; DE3032023C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden zweistufigen Pumpenturbine, in welcher Hoch- und Niederdruckstufen durch eine Rückfuhrleitung miteinander verbunden sind und bei der Hoch- und Niederdruckstufe verstellbare Leitschaufeln aufweisen.

Allgemein sind in einer einstufigen Pumpenturbine eine Mehrzahl beweglicher Leitschaufeln ringförmig zwischen einer Läuferkammer und einer Wirbelkammer eines Spiralgehäuses angeordnet, und es ist an einem Einlassteil der Wirbelkammer, und zwar stromaufwärts von dieser gelegen, ein Ventil angeordnet. Die durch den Läufer fliessende Wassermenge kann durch Einstellung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln gesteuert werden, nachdem das Einlassventil vollständig geöffnet worden ist.

Für den Betrieb einer einstufigen Pumpenturbine ist eine derartige Steuerung sehr geeignet, um den hydraulischen Wirkungsgrad zu verbessern.

In einer mehrstufigen hydraulischen Pumpenturbine jedoch, in der die jeweiligen Stufen durch eine Rückführleitung in Reihe geschaltet sind, ist es äusserst schwierig, Leitschaufeln und einen Mechanismus für deren Betätigung in jeder Stufe anzuordnen. Deshalb wird heutzutage bei bekannten mehrstufigen Pumpenturbinen die Strömungsmenge durch Einstellung der Öffnung des Einlassventils gesteuert, das stromaufwärts des Spiralgehäuses angeordnet ist.

In letzter Zeit sind die Anforderungen an mehrstufige Pumpenturbinen erhöht worden, und zwar wegen deren Verwendung bei Pumpenspeicheranlagen mit grosser Fallhöhe. Insbesondere war es wichtig, ein Verfahren zum Betrieb einer Pumpenturbine mit einer kleinen Stufenzahl (z.B. zweistufig) zu entwickeln, wobei die verstellbaren Leitschaufeln und deren Betätigungsmechanismus am Aussenumfang des Läufers jeder Stufe angeordnet werden konnten.

Figur 1 zeigt eine typische zweistufige Pumpenturbine, die mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird. Ein Laufrad 2 einer Hochdruckstufe und ein Laufrad 3 einer Niederdruckstufe sind axial mit Abstand voneinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Das obere Laufrad 2 ist mit oberen und unteren Abdeckungen 4 und 5 abgedeckt, um eine Läuferkammer 8 der Hochdruckstufe zu bilden, während das untere Laufrad 3 mit oberen und unteren Abdeckungen 6 und 7 abgedeckt ist, um eine Läuferkammer 9 der

Niederdruckstufe zu bilden. Die beiden Läuferkammern 8 und 9 sind miteinander durch eine Rückführleitung 10 verbunden. An die Aussenseite der Läuferkammer 8 schliesst ein Gehäuse 11 mit einer Spiralkammer 12 an.

Die Einlassseite der Spiralkammer 12 ist an ein Druckrohr 14 über ein Einlassventil 13 angeschlossen. Mehrere verstellbare Leitschaufeln 15 und 16, deren Öffnungsgrade einstellbar sind, sind ringförmig um die Läufer 2 und 3 der Hoch- und Niederdruckstufen angeordnet. Die Leitschaufeln jeder Stufe sind mit nicht dargestellten Betätigungsvorrichtungen verbunden. Eine Steuervorrichtung erlaubt die individuelle Verstellung der Leitschaufeln jeder Stufe.

Die oben beschriebene zweistufige hydraulische Pumpenturbine wird in folgender Weise als Turbine betrieben:

Wasser aus dem Druckrohr 14 gelangt über das Ventil 13 zum Spiralgehäuse 11 und durchsetzt nacheinander die verstellbaren Leitschaufeln 15, das Laufrad 2, die Rückführleitung 10, die verstellbaren Leitschaufeln 16 und das Laufrad 3. Das Wasser wird dann über ein Saugrohr 17 in einen nicht gezeigten Abzugsgraben abgegeben. Wenn andererseits die Pumpenturbine als Pumpe mit gleicher Geschwindigkeit betrieben wird, strömt das durch das Laufrad 3 aufgepumpte Wasser von dem Saugrohr 17 zum Druckrohr 14, und zwar in einer der oben genannten Richtung entgegengesetzte Richtung.

Die gesamte hydraulische Charakteristiken der zweistufigen Pumpenturbine können erhalten werden durch Kombination der hydraulischen Charakteristiken der entsprechenden Druckstufen. Um die bei einer zweistufigen Pumpenturbine auftretenden Probleme erfassen zu können, ist es deshalb besser, im voraus die Probleme bezüglich der hydraulischen Charakteristiken einer einstufigen Pumpenturbine zu diskutieren.

Figur 2 zeigt die für eine einstufige Pumpenturbine geltenden Kurven, welche die Verhältnisse zwischen den Wirkungsgraden bei jedem Öffnungsgrad der Leitschaufeln und bei günstigen Drehgeschwindigkeiten von N/-/H und H/VHp zeigen, wenn die Pumpenturbine als Turbine bzw. als Pumpe arbeitet, wobei die verwendeten Ausdrücke folgendes bedeuten: N: Umdrehungen pro Minute der Pumpenturbine, Ht (m): die Turbinen-Netto-Fallhöhe, T|t: der Turbinenwir-kungsgradbei Betrieb als Turbine; HP (m): Pumpen-Förder-höhe, T|p: Pumpenwirkungsgrad bei Betrieb der Pumpenturbine als Pumpe.

Wie sich aus Figur 2 ergibt, stimmt die Rotationsgeschwindigkeit N/-\/Hto, die als Turbine erreicht wird nicht mit der Rotationsgeschwindigkeit N/-\/Hpo, bei der der höchste Wirkungsgrad als Pumpe erreicht wird, überein, und es ist N/-\/Hpo immer grösser als N/V Hto. Dies ist ein unvermeidliches Problem einer umkehrbaren hydraulischen Pumpenturbine die mit gleicher Geschwindigkeit als Turbine und als Pumpe betrieben wird.

Im tatsächlichen Betrieb einer Pumpenturbine besteht zwischen diesen günstigen Rotationsgeschwindigkeiten folgende Beziehung:

N/VWo gr.LQ4_L16 (1)

N/yHto f Hpo w

Diese Beziehung zeigt, dass die günstigste Drehgeschwindigkeit N/yHpo mit bestem Wirkungsgrad beim Pumpenbetrieb von der günstigsten Drehgeschwindigkeit N/yHpo beim Betrieb als Turbine beträchtlich abweicht.

Wird bei einem Pumpenspeicherwerk der Betrieb so geführt, dass die Pumpenturbine beim Pumpen mit etwa dem höchsten Wirkungsgrad arbeitet, bedeutet dies, dass sie beim Betrieb als Turbine mit gleicher Drehgeschwindigkeit einen schlechteren Wirkungsgrad hat.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

651633

Im folgenden werden Probleme der hydraulischen Charakteristiken einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine beschrieben, die mit Läufern mit gleichen Aussen-durchmessern (z.B. Di = D2 in Figur 1) in den entsprechenden Stufen versehen ist, wobei die Diskussionen über die einstufige hydraulische Pumpenturbine, wie sie vorher in bezug auf Figur 3 beschrieben ist, in Betracht gezogen ist.

In Figur 3 bezeichnet Hi den Staudruck am Eingang der Hochdruckstufe, H2 den Staudruck beim Eingang der Niederdruckstufe, Q die Wasserströmungsmenge, Qo die Wasserströmungsmenge bei Betrieb mit Oberwasserstand gleich dem Stauziel (Normalbedingungen O), ao den Öffnungsgrad der Leitschaufeln in jeder Stufe unter der Bedingung O, an (n = 1,2,3,...) den Öffnungsgrad grösser als ao unter einer anderen Bedingung, a-n (n = 1,2,3,...) Öffnungsgrad kleiner als ao unter einer anderen Bedingung, Ati die relative Wirkungsgraddifferenz in bezug auf den höchsten Turbinenwirkungsgrad. In Figur 3 stellt eine Abszisse ein Strömungsmengenverhältnis Q/Qo dar, und es stellt eine Ordinate die wirksamen Druckunterschiede Hi /Hio und H2/H20 in den Hoch- bzw. Niederdruckstufen dar. Figur 3 zeigt somit die Beziehung zwischen den hydraulischen Charakteristiken der wirksamen Druckhöhe und der Strömungsmenge. Somit kann der gesamte Turbinen-Netto-Druck einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine durch Adition der Turbinen-Netto-Drücke der jeweiligen Stufe erhalten werden.

Unter der Normalbedingungen O (Figur 3) beim Betrieb als Turbine, in welcher die jeweiligen Stufen unter hydraulisch äquivalenten Bedingungen durch volle Öffnung des Einlassventils 13 betrieben werden, ergeben sich folgende Beziehungen in bezug auf die Turbinen-Netto-Drücke der einzelnen Stufen.

H10 +H20 = Ho 1 H>o = H2O = HO/2 J

Dabei sind Hio und H20 Turbinen-Netto-Drücke der Hoch-und Niederdruckstufen und Ho der gesamte Turbinen-Netto-Druck.

Es wird aber daraufhingewiesen, dass die Normalbedingungen O jeder Druckstufe in einem Arbeitsbereich von der wirksamsten Bedingung (das ist At| = 0) entfernt ist, wenn die Pumpenturbine als Turbine mit niedrigerer Fallhöhe betrieben wird. In diesem Bereich arbeitet die Pumpenturbine als Turbine mit zu hoher, der Fallhöhe nicht entsprechender Drehgeschwindigkeit und weist daher einen niedrigen Wirkungsgrad auf. Es tritt eine Wasser-Trennungs-Erscheinung auf, wodurch eine örtliche Sekundärströmung erzeugt wird, die zur Kavitation, Vibration und Geräuschentwicklung führt. Solche Wasser-Trennungs-Erscheinungen und örtliche Sekundärströmungen treten dann auf, wenn der Druck an der Auslassseite des Laufrades niedriger ist als an dessen Einlasseite. Bei einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine ist der Druck an der Auslassseite der Hochdruckstufe (entsprechend der Einlassseite der Niederdruckstufe). Deshalb ist es wichtig zu bestimmen, wie der Betrieb der Niederdruckstufe einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine, die mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit als Turbine arbeitet, gesteuert werden soll.

Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betrieb einer zweistufigen Pumpenturbine anzugeben damit diese trotz Änderung der Fallhöhe und/oder der Belastung mit konstanten Rotationsgeschwindigkeit sowohl als Pumpe wie als Turbine betrieben werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene Verfahren.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine typische zweistufige Pumpenturbine, auf die die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der hydraulischen Charakteristiken der als Turbine bzw. als Pumpe arbeitenden Pumpenturbine,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der hydraulischen Charakteristiken der als Turbine arbeitenden Pumpenturbine, und zwar an den entsprechenden Stufen, einer Pumpenturbine nach Figur 1

Fig. 4 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Fallhöhe und Öffnungsgrad der Leitschaufeln, wenn die Pumpenturbine als Turbine arbeitet,

Fig. 5 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Belastung und Öffnungsgrad der Leitschaufeln, wenn die Pumpenturbine als Turbine arbeitet.

Fig. 6 grafische Darstellungen, welche die hydraulischen und

Fig. 7 Charakteristiken zeigen, wenn die Pumpenturbine als Pumpe arbeitet, und

Fig. 8 Blockdiagramme, welche die Steuereinrichtungen und

Fig. 9 für die Steuerung der Leitschaufeln der hydraulischen Pumpenturbine zeigen, wenn diese mit gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit arbeitet.

Figur 4 zeigt bei einer Steuerungsart gemäss der Erfindung die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad der Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine und der Änderung der Fallhöhe, dass heisst des Druckes, in jeder Druckstufe.

In Figur 4 ist angenommen, dass der Oberwasserstand und damit die Fallhöhe H sich vom Stauziel Ho bis zum Absinkziel Hm ändert, wobei sich die Wasserdurchsatzmenge Q von einem nominalen Wert O auf einen verringerten Wert A ändert. In diesem Falle wird der Öffnungsgrad a der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe in Übereinstimmung mit einem geometrischen Ort O — Ai gesteuert, wobei der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 15 unter der Bedingung Ai grösser ist als unter der Bedingung A, und es wird der Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 16 der Niederdruckstufe in Übereinstimmung mit dem geometrischen Ort O — A2 gesteuert, wobei der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 16 unter der Bedingung A2 kleiner ist als unter der Bedingung A.

Somit werden die Öffnungsgrade der Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen unabhängig voneinander unterschiedlich gesteuert.

Die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der jeweiligen Druckstufen entlang der geometrischen Orte O — Ai und O — A2 werden nach folgender Beziehung gesteuert:

wobei H der gesamte Turbinen-Staudruck und Hi und H2 die Staudrücke der Hoch- und Niederdruckstufen sind.

Figur 3 zeigt die hydraulische Charakteristiken entsprechender Stufen in einem Fall, in welchem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der entsprechenden Stufen gemäss der Erfindung unabhängig voneinander gesteuert werden, wobei die Änderung des Druckes so ist, wie es in Figur 4 gezeigt ist.

Ein Verfahren zum Steuern des Öffnungsgrades der Leitschaufeln in einem Falle, in dem die zweistufige Pumpentur-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

651633

bine als Turbine arbeitet, wobei die Fallhöhe konstant bleibt, dagegen die Belastung verändert wird, ist im folgenden anhand von Figur 5 beschrieben.

Wenn eine Wasserdurchsatzmenge Q sich entlang einer Ortskurve O — B verändert, und wenn sich die Betriebslast P von Po auf Pm verändert, während die Fallhöhe auf Ho gehalten wird, wird die Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe entlang der Ortskurve O — Bi gesteuert, in der der Öffnungsgrad a grösser ist als derjenige einer Steuerung entlang der Ortskurve O ■— B. Der Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 16 der Niederdruckstufe wird entlang der Ortskurve O — B2 gesteuert, wobei der Öffnungsgrad kleiner als bei einer Steuerung entlang der Ortskurve O — B.

Die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der jeweiligen Druckstufen entlang der Ortskurven O - Bi und O - B2 werden gesteuert, indem die folgende Beziehung zwischen den Turbinen-Netto-Drücken aufrechterhalten wird:

Hi < H2

Figur 3 zeigt auch die Ortskurven, welche die hydraulischen Charakteristiken der jeweiligen Stufen für einen Fall darstellen, in welchem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln in Übereinstimmung mit Figur 5 gesteuert werden.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Steuerung des Öffnungsgrades den verstellbaren Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine beschrieben, wenn diese als Pumpe betrieben wird. Die Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7.

Figur 6 zeigt eine grafische Darstellung, in welcher die Öffnungsgrade a der beweglichen Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen entlang einer Ortskurve O — C gleich gesteuert werden, wobei die Förderhöhe H vom Staudruck Ho auf einen Staudruck Hm zunimmt. Die Beziehung zwischen dem gesamten Staudruck H und den wirksamen Pumpen drücken Hi und H2 der Hoch- und Niederdruckstufen in dem Zwischenpunkt dieser Ortskurve O — C ist folgende:

HI + H2 = H 1 /g-j

Hl=H2 J

Figur 7 zeigt die hydraulischen Charakteristiken der entspre-s chenden Druckstufen für den Fall, dass die Öffnungsgrade a der Leitschaufeln beider Druckstufen gleichzeitig in Übereinstimmung mit der in Figur 6 gezeigten Betriebsart gesteuert werden. In Figur 7 bezeichnet Hi den Staudruck in der Hochdruckstufe, H2 den Staudruck in der Niederdruckstufe, Q eine 10 Strömungsmenge, Hio, H20 und Qo die Werte entsprechend Hi, H2 und Q bei nominalem Oberwasserstand (Punkt O in Figur 7), in welchem die jeweiligen Stufen unter im wesentlichen gleichen hydraulischen Bedingungen betrieben werden. Ao bezeichnet den Öffnungsgrad der Leitschaufeln ls jeder Stufe bei nominalem Oberwasserstand, ai den Öffnungsgrad der Leitschaufeln grösser als Ao, a-i den Öffnungsgrad der Leitschaufeln kleiner als a0 und Ar) die Wirkungsgraddifferenz bei einem Betrieb als Pumpe in bezug auf den höchsten Wirkungsgrad.

20 Die verstellbaren Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine, die als Turbine oder als Pumpe betrieben wird, können durch eine Steuervorrichtung gesteuert werden, wie sie in Figur 8 gezeigt ist. Diese Vorrichtung enthält in Kombination eine Oberwasserstand-Anzeige-25 Vorrichtung 21, eine Leitschaufel-Reguliervorrichtung 22 und Leitschaufeln 15 und 16, wodurch der Öffnungsgrad der Leitschaufeln entsprechend der Änderung des Oberwasserstandes (das ist der Staudruck) gesteuert wird. Oder es kann die Pumpenturbine durch ein Steuersystem gesteuert werden, 30 wie es in Figur 9 gezeigt ist. Dieses Steuersystem enthält in Kombination eine Last-Messvorrichtung 23, eine Leit-schaufel-Reguliervorrichtung 22 und Leitschaufeln 15,16, um den Öffnungsgrad der Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Änderung der Last zu steuern.

35 Wie vorher beschrieben, werden gemäss der Efindung in einer mit konstanter Geschwindigkeit unter einer gleichbleibenden Bedingung rotierenden, als Turbine betriebenen zweistufigen Pumpenturbine die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der entsprechenden Stufen unabhängig gesteuert, 40 während sie im Betrieb als Pumpe an den jeweiligen Stufen gleich gesteuert werden, wenn sich der Oberwasserstand oder die Betriebslast ändert.

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims

651633 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb einer mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden zweistufigen Pumpenturbine, in welcher Hoch- und Niederdruckstufen durch eine Rückführleitung miteinander verbunden sind und bei der Hoch- und Niederdruckstufe verstellbare Leitschaufeln aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Hoch- und Niederdruckstufen gleichmässig auf gleiche Grösse gesteuert werden, wenn die zweistufige Pumpenturbine als Pumpe arbeitet, während die Leitschaufeln unabhängig voneinander auf gleiche oder unterschiedliche Öffnungsgrade gesteuert werden, wenn die Pumpenturbine als Turbine arbeitet, um trotz Änderung der Fallhöhe und/oder der Belastung eine konstante Rotationsgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Niederdruckstufe so gesteuert wird, dass er gleich oder grösser ist als derjenige der Hochdruckstufe, wenn die zweistufige Pumpenturbine als Turbine arbeitet.