CH659507A5

CH659507A5 - Mehrstufige hydraulische maschine und verfahren zum betrieb derselben.

Info

Publication number: CH659507A5
Application number: CH3794/82A
Authority: CH
Inventors: Ichiro Yamagata; Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1981-06-22
Filing date: 1982-06-21
Publication date: 1987-01-30
Also published as: JPS636750B2; DE3223114C2; US4472103A; DE3223114A1; JPS57212374A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Maschine, die als Pumpe oder als Turbine betrieben werden kann und die mindestens drei Druckstufen umfasst, die durch Umlenkkanäle miteinander verbunden sind und auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Maschine.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, den hydraulischen

Wirkungsgrad einer solchen Maschine zu verbessern, so dass im stationären Betrieb keine Schwingungen und Geräusche auftreten.

Der Betrieb einer solchen Maschine wird so gesteuert, dass 5 man die Wassermenge, welche die Maschine durchsetzt, regelt.

Man macht dies, indem man die Leitschaufeln, die einen Läufer umgeben, verstellt oder den Durchlass des Schiebers am Eingang der Maschine regelt. Bei mehrstufigen io Maschinen dieser Art ist schon vorgeschlagen worden, bei jeder Stufe um den Läufer herum einen Kranz von verstellbaren Leitschaufeln anzubringen, um damit den Betrieb zu steuern. Bei einer Maschine der beschriebenen Art mit Umlenkkanälen ist dies wegen der räumlichen Einschrän-15 kung am Umfang der Läufer konstruktiv schwierig zu lösen. Auch die Unterbringung einer Betätigungsvorrichtung für die Leitschaufeln der mittleren Stufen ist schwierig.

Bei vielen mehrstufigen Maschinen dieser Art hat man sich daher mit festen, nicht verstellbaren Leitschaufeln begnügt und die Maschine lediglich durch Öffnen oder Schliessen des Einlass-Schiebers den Betriebszuständen ange-passt. Es hat sich gezeigt, dass es fast unmöglich ist, die Strömungsbedingungen für jeden Läufer der totalen Durchsatzmenge anzupassen, so dass bei grösseren und kleineren Durchsatzmengen der hydraulische Wirkungsgrad je Stufe und der totale Wirkungsgrad der Maschine schlecht ist.

Dazu kommt noch, dass beim Regulieren der Wasser-Durchsatzmenge durch teilweises Schliessen des Einlass-Schiebers ein Druckverlust entsteht, der den Wirkungsgrad, beispielsweise einer mit solchen Maschinen ausgerüsteten Elektrizistätszentrale herabsetzt.

Zwecks Umgehung der genannten konstruktiven Schwierigkeiten und zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer solchen Maschine hat man bei der höchsten Druckstufe verstellbare Leitschaufeln angebracht, um mit deren Hilfe die Durchflussmenge dem Betrieb anpassen zu können.

Dadurch lässt sich ein Druckverlust, wie er bei einer Regelung mit Hilfe des Einlass-Schiebers entsteht, vermeiden und eine Wirkungsgrad-Verbesserung erzielen. Wird die Maschine aber als Turbine mit Durchflussmengen, die kleiner sind als der Normalwert, betrieben, treten Wassertrennung und sekundäre örtliche Strömungen oft auf, insbesondere an der Auslass-Seite der untersten Druckstufe, der Betrieb wird unstabil und es treten Kavitationserschei-

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nungen verbunden mit Schwingungen und Geräuschen auf.

Folglich wäre aus Gründen des hydraulischen Wirkungsgrades eine Maschine mit verstellbaren Leitschaufeln für jede Stufe vorzuziehen, was aber sowohl aus praktischen wie aus konstruktiven Gründen schwer zu realisieren ist. Eine Maschine ohne verstellbare Leitschaufeln, die nur durch Öffnen des Einlass-Schiebers geregelt wird, ist einfach im Aufbau, hat aber einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Bei einer mehrstufigen Maschine, bei der nur die höchste Druck-stiife mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist, treten bei

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gedrosseltem Durchfluss Kavitation, Vibrationen und Geräusche auf.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe, nämlich den hydraulischen Wirkungsgrad einer solchen mehrstufigen Maschine 60 zu verbessern und sie auch mit gedrosselter Leistung stabil betreiben zu können, schlägt die Erfindung eine Maschine vor, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Zum Erreichen eines stabilen Betriebes wird die Maschine so betrieben, wie dies im Patentanspruch 2 beschrieben ist. 65 Beim Betrieb der Maschine als Pumpe werden mit Vorteil die Leitschaufeln gemäss dem Verfahren nach Anspruch 3 verstellt.

Beim Betrieb der Maschine als Turbine wird vorzugsweise

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der Öffnungsgrad der Leitschaufeln gemäss dem Verfahren nach Anspruch 4 verstellt.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und zwar in:

Figur 1 einen vereinfachten Längsschnitt einer dreistufigen hydraulischen Maschine

Figur 2 eine graphische Darstellung der hydraulischen Charakteristik, wenn die Maschine als Turbine betrieben wird.

Figur 3 eine graphische Darstellung der hydraulischen Charakteristik, wenn die Maschine als Pumpe betrieben wird.

Figur 4 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer stationären Belastung der Maschine und dem Öffnungsgrad der Leitschaufeln darstellt, wenn die Maschine als Turbine betrieben wird.

Figur 5 eine graphische Darstellung wie bei Figur 4.

Figur 6 und 7 Block-Diagramme der Betätigungs-Vorrichtungen für die Leitschaufeln bei stationärem Betrieb.

Figur 1 zeigt eine dreistufige hydraulische Maschine des Francis-Typs. Der Läufer 1 der höchsten Druckstufe ist von einem Kranz von Leitschaufeln 2 umgeben, deren Öffnungswinkel verstellbar ist. Läufer 3 der mittleren Druckstufe ist von einem Kranz von festen Leitschaufeln 4 umgeben, deren Öffnungswinkel nicht verstellbar ist. Die höchste Druckstufe ist durch einen Umlenkkanal 5 mit der mittleren Druckstufe in Serie geschaltet. Läufer 6 der niedrigsten Druckstufe ist mit einem Kranz von verstellbaren Leitschaufeln 7 umgeben und durch den Umlenkkanal 8 in Serie mit der mittleren Druckstufe verbunden.

Beim Betrieb als Turbine wird der Einlass-Schieber 9 geöffnet, so dass Wasser aus der Druckleitung 10 in das Gehäuse 11 gelangt, durch den Leitschaufelkranz 2 strömt und den Läufer 1 der höchsten Druckstufe beaufschlagt. Durch den Umlenkkanal 5 und den Leitschaufelkranz 4 gelangt das Wasser zum Läufer 3 der mittleren Druckstufe und von dort durch den Umlenkkanal 8 und den verstellbaren Leitschaufelkranz 7 zum Läufer 6 der niedrigsten Druckstufe. Das Wasser gelangt dann durch das Saugrohr 12 zu einem - nicht dargestellten - Abwasserkanal.

Wird dagegen die Maschine als Pumpe betrieben, wird das Wasser aus dem Saugrohr 12 angesaugt und gelangt schliesslich in die Druckleitung 10, wobei es den oben beschriebenen Weg in umgekehrter Reihenfolge durchläuft.

Zwecks Aufrechterhaltung eines stationären Betriebes der oben beschriebenen Maschine werden die verstellbaren Leitschaufeln der verschiedenen Druckstufen unabhängig voneinander oder gleichzeitig so geregelt, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Stufe mit dem niedrigsten Druck immer gleich oder geringer ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe, wobei der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln relativ grösser ist als der Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln im Bereich grosser Strömungsgeschwindigkeit und relativ kleiner als derjenige der festen Leitschaufeln im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeit.

Die hydraulische Charakteristik der verschiedenen Stufen der dreistufigen Maschine während des stationären Betriebes als Turbine sind in Figur 2 dargestellt. In Figur 2 ist die Wassersäule beziehungsweise der Wasserdruck für die höchste Druckstufe mit Hi, für die mittlere Druckstufe mit H2 und für die niedrigste Druckstufe mit Hb bezeichnet. Die Durchflussmenge ist mit Q bezeichnet und ax (x:... -2 -1,0,1,2...) zeigen den Öffnungsgrad der Leitschaufeln in den verschiedenen Druckstufen an. Die Bezugszeichen, angedeutet durch die Buchstaben (Hi, H2, H3, Q und a), wenn sie zusätzlich mit einem «O» versehen sind, zeigen die normalen Betriebsbedingungen in den verschiedenen Stufen an, wenn diese unter gleichen hydraulischen Bedingungen stehen. Der normale Betriebszustand entspricht dem Punkt «O» in Figur 2. Der 5 Öffnungsgrad der Leitschaufeln ist durch ai, a:, a3... angedeutet, wenn diese weiter als ao geöffnet und durch a-u a-2, a-3, wenn sie weniger weit als ao geöffnet sind. A E (%) zeigt die relative Abweichung vom maximalen Turbinenwirkungsgrad an.

10 Figur 2 zeigt auch das Verhältnis des Durchflusses und den Druck in jeder Stufe an, wobei die Abszisse des Durchflussverhältnisses und die Ordinate das Verhältnis des Wasserdruckes Hi/H 10, H2/H20 und H3/H30 in den verschiedenen Stufen darstellt.

15 Dementsprechend kann man den totalen, für eine mehrstufige Turbine zur Verfügung stehenden Wasserdruck erhalten, indem man den für die einzelnen Stufen zur Verfügung stehenden Drucke zusammenzählt.

Bezugnehmend auf Figur 2, wobei das Einlassventil voll

20 geöffnet ist und sämtliche Stufen normal in Betrieb sind (Punkt 0 in Figur 2), beträgt der wirksame Druck Hi, H: oder H3 in jeder Stufe einen Drittel des totalen Druckes Ho und es gelten folgende Verhältnisse:

(1)

25 Hl + H2+H3 = Ho Hl = H2 = H3 Hi = H10 = H0/3 H2 = H20 = Ho/3 H3 = H30 = Ho/3

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Wird der Zufluss reduziert, indem man nur den Öffnungsgrad des Einlassventiles 9 reduziert, wird an Hand von Figur 2 erläutert, was dabei geschieht und dies wird verglichen mit dem Verfahren nach der Erfindung. Bleibt der Öffnungsgrad 35 jeder Stufe ao bei verringertem Zufluss, nimmt der für jede Stufe zur Verfügung stehende Druck mit einem Drittel des Druckverlustes À Hv ab. Dementsprechend verschiebt sich der Betriebspunkt jeder Stufe entlang einer Kurve 0 —■ A2 auf der Kurve entsprechend dem Öffnungswinkel ao und die 40 Maschine arbeitet mit einem stark reduzierten Wirkungsgrad und es gilt:

Hi + H2 + H3 = Ho — A Hv Hi = H2 = H3 45 Hi = (Ho - A Hv)/3 = H10 - A Hv/3 H2 = (Ho - A Hv)/3 = H20 - A Hv/3 H3 = (Ho - A Hv)/3 = H30 - A Hv/3

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Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, arbeiten sämt-50 liehe Stufen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad, wenn man wie bisher üblich den Durchfluss nur mittels des Einlassventiles regelt. Da sämtliche Stufen mit reduziertem Druck und schlechtem Wirkungsgrad arbeiten, tritt eine Unterbrechung im Wasserstrom und eine örtliche Sekundärströmung, insbe-55 sondere in der höchsten Druckstufe auf, weil der Druck an der Austrittseite niedrig ist. Es treten Kavitationserscheinungen, Schwingungen und Geräusche auf.

Als nächstes soll der Fall betrachtet werden, dass für eine Reduktion des Zuflusses die Leitschaufeln der höchsten 60 Druckstufe verstellt werden, während die anderen Leitschaufeln nicht verstellt werden. Gegenüber dem Normalbetrieb verschiebt sich der Arbeitspunkt für die höchste Druckstufe entlang der Kurve 0 — C und für die anderen Druckstufen entlang der Kurve 0 — B, wobei folgendes gilt:

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Hl + H2+H3=H0 )

H2 = H3 = (Ho-Hi)/2 f (3)

H2 = H3<Hl J

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Aus dem Obenstehenden geht hervor, dass man auf diese Weise zwar den Wirkungsgrad, beispielsweise einer dreistufigen Turbine, verbessern kann, wenn man für eine Reduzierung des Zuflusses den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe reduziert, weil bei dieser Stufe noch keine hydraulische Energie verloren geht. Die nachgeschalteten niedrigen Druckstufen arbeiten aber mit schlechtem, hydraulischem Wirkungsgrad und es treten Kavitation, Schwingungen und Geräusche, insbesondere am Auslass der niedrigsten Druckstufe auf.

Schliesslich wird die Wirkung einer Zufluss-Reduktion beschrieben an Hand einer erfindungsgemässen Maschine, bei der sowohl der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe als der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe verstellt werden, während die Leitschaufeln der dazwischenliegenden Druckstufen nicht verstellbar sind.

Wird bei einer solchen Maschine, infolge Änderung der Belastung die Zufuhr gedrosselt, wird der Öffnungsgrad der Leitschaufeln sowohl der höchsten Druckstufe als der niedrigsten Druckstufe reduziert, so dass der Öffnungsgrad dieser Schaufeln relativ kleiner ist als derjenige der festen Leitschaufeln der dazwischenliegenden Stufen. Dabei sollte der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe gleich oder geringer sein, als derjenige der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe.

Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der Betätigung der Leitschaufeln während einer Belastungsänderung der Turbine. Auf der Abszisse ist die Belastung P und auf der Ordinate ist der Öffnungsgrad a der verstellbaren Leitschaufeln und die Durchflussmenge Q angegeben.

Bei der hydraulischen Maschine nach der Erfindung lassen sich die Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe unabhängig von- und relativ zueinander verstellen. In Figur 4 wird die Durchflussmenge Q entlang der Linie O — A reduziert und damit sinkt die Volbelastung zu einer Teillast. Dazu wird der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe entsprechend der Belastung entlang den Linien O — Ai und 0 — A3 verstellt.

Mit Bezug auf Figur 2 ändern sich die Betriebspunkte der Maschine entlang den Kurven O — Ai und 0 — A3 für die höchste und für die niedrigste Druckstufe und von 0 — A2 für die mittlere Druckstufe. Die niedrigste Druckstufe, wo der Druck an der Austrittseite des Läufers gering ist, arbeitet doch noch mit relativ hohem Druck und ihr hydraulischer Wirkungsgrad ist gut. Dadurch bleibt die Strömung am Auslass der niedrigsten Druckstufe stabil und es treten keine Wirbel, keine Kavitation und keine Geräusche erzeugenden Schwingungen auf. Bei dieser Art der Steuerung arbeitet nur die mittlere Druckstufe mit geringerem hydraulischem Wirkungsgrad und geringem Druck, so dass der totale Wirkungsgrad der Turbine auch bei Teillast besser ist als bei einer Turbine bei der nur die Leitschaufeln der höchsten Druckstufe entsprechend verstellt werden.

Soll die Maschine auch als Pumpe mit relativ grosser Förderhöhe arbeiten können, wobei am Ausgang der als niedrigste Druckstufe bezeichneten Stufe ein relativ hoher Druck entsteht, werden kaum Wirbel, Kavitationen, Schwingungen und Geräusche auftreten. Auch wenn dieselbe Maschine als Turbine mit reduziertem Durchfluss arbeitet, wobei der Durchlass durch die Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe gleich ist, aber dafür gesorgt wird, dass dieser kleiner ist als der Durchlass durch die festen Leitschaufeln der mittleren Druckstufe treten kaum Wirbel, Kavitationen, Schwingungen und Geräusche auf.

Bei einer solchen Regulierung bewegt sich der Betriebspunkt der mittleren Druckstufe längs der Kurve 0 — A2

(Figur 2), während sich der Betriebspunkt für die höchste und für die niedrigste Stufe längs der Kurve 0 — B bewegt. Dabei wird der totale hydraulische Wirkungsgrad verbessert, wie oben beschrieben, obwohl bei diesem Regulierverfahren der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln für die höchste und die niedrigste Druckstufe gleich ist. Bei diesem Regulierverfahren gelangt der Betriebspunkt der niedrigsten Druckstufe leicht in einen niedrigen Druckbereich, im Vergleich zum Verfahren, bei dem der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der untersten Druckstufe kleiner war als derjenige der höchsten Druckstufe. Im Vergleich aber mit einer bekannten hydraulischen Maschine, bei der der Betriebspunkt der niedrigsten Stufe bei A2 (Figur 2) liegt, lässt sich die Maschine nach der Erfindung noch mit relativ hohem Druck betreiben. Auch wenn der Pumpendruck relativ hoch ist, besteht daher keine Gefahr einer Wirbelbildung, Kavitation, Schwingung oder Geräuschbildung.

Eine konventionelle mehrstufige hydraulische Maschine kann bei voller Öffnung des Einlass-Schiebers, die dem Betriebspunkt 0 entspricht nicht mit grösserem Durchlassvolumen betrieben werden. Beim Regulierverfahren nach der Erfindung kann die hydraulische Maschine nämlich mit grösserer Durchflussgeschwindigkeit als dem Betriebspunkt 0 entspricht betrieben werden und mehr Leistung erzeugen nach der Formel:

Hi + H2 + H3 = Ho 1

H,>H2 (4)

H3 > H2 J W

Eine hydraulische Maschine, bei der nur die höchste Druckstufe verstellbare Leitschaufeln hat, kann mit einer Durchflussmenge betrieben werden, bei der der Betriebspunkt über dem Punkt 0 liegt, indem der Durchlass bei den verstellbaren Leitschaufeln grösser ist wie der Durchlass der festen Leitschaufeln der übrigen Druckstufen. Die erfin-dungsgemässe Maschine dagegen kann mit höherer Durchflussmenge betrieben werden, als eine Maschine mit nur in der Druckstufe verstellbaren Leitschaufeln.

Bezugnehmend auf Figur 2 wird die Erfindung an Hand einer dreistufigen hydraulischen Maschine nachfolgend beschrieben. Werden von einer dreistufigen hydraulischen Maschine, bei der nur die Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verstellbar sind, diese so weit wie möglich amax geöffnet, verschiebt sich der Betriebspunkt des normalen Betriebes (Punkt 0) entlang der Kurve 0 — D und diejenigen der anderen Druckstufen entlang der Kurve 0 — Fi. Bei der Stellung amax durchsetzt die maximale Durchflussmenge Qi die Maschine.

Werden dagegen bei einer dreistufigen hydraulischen Maschine nach der Erfindung die verstellbaren Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe soweit wie möglich bis amax geöffnet, bewegen sich die Betriebspunkte dieser Stufen längs der Kurve 0 — E, während der Betriebspunkt der mittleren Stufe mit stationären Leitschaufeln sich längs der Kurve 0 — F3 verschiebt. Bei dieser Leitschaufelstellung amax beträgt die Durchflussmenge Q2 und diese ist grösser als Qi, woraus hervorgeht, dass die maximal erzeugbare Leistung bei diesem Regulierverfahren grösser ist als beim herkömmlichen Verfahren.

Punkt E in Figur 2 stellt einen Betriebszustand dar, bei dem der hydraulische Wirkungsgrad gering ist und eine Wassertrennung und örtliche Sekundärströmung oft auftritt. Bei der untersten Druckstufe hat die Austrittsöffnung nur geringen Druck und dort treten Wirbel, Kavitation, Schwingungen und Geräusche auf. Gemäss der Erfindung werden die Leitschaufeln so reguliert, dass der Öffnungsgrad der stationären Leitschaufeln der mittleren Stufe kleiner ist als der

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tionären Leitschaufeln der mittleren Stufe kleiner ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe, wobei das relative Verhältnis so ist, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe geringer ist als derjenige der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe. Bei einem solchen Regulierverfahren bewegen sich die Arbeitspunkte der höchsten, der niedrigsten und der mittleren Druckstufe entlang der Kurven respektive 0 — E2, 0 — Ei und 0 — F2. Daraus geht hervor, dass der Druck vor der niedrigsten Druckstufe höher ist als bei einer Regulierung, bei der die Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe denselben Öffnungsgrad haben, wie diejenigen der höchsten Druckstufe, so dass nun keine Wirbel oder Kavitation mehr auftreten.

Wie oben beschrieben lässt sich ein stationärer Betrieb der Turbine aufrecht erhalten, wenn der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe grösser ist als derjenige der festen Leitschaufeln, wenn der Durchfluss gross ist oder bei kleinem Durchfluss kleiner ist als derjenige der festen Leitschaufeln.

Bei diesem Regulierverfahren können die verschiedenen Druckstufen gemeinsam oder unabhängig voneinander gesteuert werden, der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der untersten Druckstufe sollte immer gleich oder kleiner als derjenige der höchsten Druckstufe sein. Auf diese Weise kann eine mehrstufige hydraulische Maschine sowohl bei geringer als mit grosser Durchflussmenge stabil betrieben werden, wobei Vibrationen und Geräusche stark unterdrückt werden, während der hydraulische Wirkungsgrad verbessert wird und sich eine maximale Leistungsabgabe mit grosser Durchflussgeschwindigkeit erzielen lässt.

Die Verstellung der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe, entsprechend der Änderung des Druckes beziehungsweise der Änderung des Wasserniveaus zwecks Erzielung eines stationären Betriebes kann auf verschiedene Arten erfolgen, wie in Figur 5 dargestellt ist. Figur 5 bezieht sich auf den Fall, dass die Durchflussmenge Q dem Druck der Wassersäule angepasst wird, so dass diese vom normalen Betriebspunkt 0 sich entlang der Kurve 0 — I bewegt, entsprechend der Druckänderung der Wassersäule von Ho zu einer niedrigen Säule Hm. Die entsprechenden Druckstufen werden so geregelt, dass der Durchlass zwischen den verstellbaren Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe kleiner ist als der Durchlass bei den stationären Leitschaufeln der mittleren Stufe, wobei immer der Durchlass bei den Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe kleiner ist als bei denjenigen der höchsten Druckstufe.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise einer mehrstufigen hydraulischen Maschine, insbesondere einer dreistufigen, als Pumpe betriebenen Maschine an Hand von Figur 3 beschrieben. In Figur 3 bezeichnet Hi die Förderhöhe der höchsten Druckstufe, H2 die Förderhöhe der mittleren Stufe und H3 die Förderhöhe der niedrigsten Druckstufe.

Die Durchflussmenge ist mit Q bezeichnet, während Hio, H:o, H30 und Qo die Förderhöhen und die Durchflussmenge beim normalen Pumpbetrieb entsprechend dem Betriebspunkt 0 in Figur 3 bezeichnen, wobei die Wirkungsweise in den verschiedenen Druckstufen hydraulisch gleich ist. Das Bezugszeichen ao gibt den Öffnungsgrad jeder Stufe beim Normalbetrieb an, während ai den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe anzeigt, der grösser ist als ao. Dagegen zeigt a-i einen Öffnungsgrad an, der kleiner ist als ao. Die relative Abweichung des Wirkungsgrades vom maximalen Turbinen-Wirkungs-grades ist mit À E bezeichnet. Die totale Förderhöhe setzt sich zusammen aus den Förderhöhen der einzelnen Stufen. Bei normalem Pumpbetrieb (Punkt 0) gilt für die totale Förderhöhe Ho bei voller Öffnung des Einlassventils und gleichem hydraulischem Wirkungsgrad.

Hi + H2 + H3 = Ho

Hi = Ho/3 = Hio

H: = H0/3 = H20 .

H3 = Ho/3 = H30 P)

Steigt das Niveau im Staubecken über das normale Niveau muss die Maschine das Wasser gegen einem höheren Druck als Ho emporführen.

Bei einer normalen mehrstufigen Maschine, bei der der Öffnungswinkel gleich ao bleibt, arbeiten die Stufen mit niedriger Durchflussgeschwindigkeit und bewegt sich der Arbeitspunkt auf der höchsten Förderstufe entlang der Kurve 0 — Ai, wobei die Stufen mit sehr schlechtem hydraulischem Wirkungsgrad arbeiten. Bei einer herkömmlichen hydraulischen Maschine, bei der nur die Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verstellbar sind, während die Schaufeln der anderen Stufen fest sind, wird sich der Arbeitspunkt der höchsten Druckstufe längs der Kurve 0 — Bi verschieben, der Arbeitspunkt der niedrigsten Druckstufe wo an der Einlasseite des Läufers ein niedriger Druck herrscht, wird sich zum Punkt Ai verschieben, während der normale Öffnungsgrad ao erhalten bleibt. Dadurch treten an der niedrigsten Druckseite Geräusche und Schwingungen infolge örtlicher Sekundärströmungen und Kavitation auf.

Bei einer hydraulischen Maschine nach der Erfindung dagegen wird sich der Betriebspunkt der mittleren Stufen zum Punkt Di auf die Hochdruckseite verschieben, weil der Öffnungsgrad hier gleich ao bleibt, während der Öffnungswinkel der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe so verstellt werden, dass er kleiner ist als ao. Dadurch verschiebt sich der Betriebspunkt dieser Stufen entlang der Kurve 0 — Ci, wofür die Verhältnisse nach der Gleichung (6) gelten. Es wird ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad erzielt und es entstehen wenig Geräusche, geringe Kavitation und kaum noch Sekundärströmungen.

HI + H: + H3 = HO 1

Hi = H3 < H: J (6)

Daraus folgt, dass mit einer solchen mehrstufigen Maschine auch bei grösseren Förderhöhen und bei verringerter Durchflussmenge noch ein besserer hydraulischer Wirkungsgrad als mit einer Maschine herkömmlicher Art erreichbar ist.

Sinkt dagegen das Niveau im Staubecken unter den Normalwert, muss die Maschine mit geringerer Förderhöhe arbeiten. Eine Maschine herkömmlicher Art wird mit normalem Öffnungswinkel ao und ganz geöffnetem Einlassventil arbeiten. Dabei wird sich der Arbeitspunkt der verschiedenen Stufen längs der Kurve 0 —■ A: in Richtung der grösseren Durchflussmengen bewegen, was zur Folge hat, dass die einzelnen Stufen mit schlechtem hydraulischem Wirkungsgrad arbeiten und die Maschine einen schlechten Totalwirkungsgrad hat.

Bei einer Maschine nach der Erfindung haben zwar die mittleren Druckstufen mit ihrem normalen Öffnungsgrad a» einen schlechten Wirkungsgrad, bei der höchsten und der niedrigsten Druckstufe verschiebt sich der Arbeitspunkt längs der Kurve 0 — B2, wenn der Öffnungsgrad der Leitschaufeln dieser Stufen grösser als ao gemacht wird. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad dieser Stufen und wird auch der Totalwirkungsgrad der Maschine besser.

Wie oben beschrieben, kann daher eine hydraulische Maschine nach der Erfindung im Pumpenbetrieb mit erheblich besserem Wirkungsgrad arbeiten, sowohl bei geringerer Fördermenge und grossem Förderdruck als auch bei

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grösserer Fördermenge und kleinerem Förderdruck in dem die Leitschaufeln der niedrigsten und höchsten Druckstufe entsprechend verstellt werden, wobei der Öffnungsgrad der höchsten und der niedrigsten Druckstufe relativ kleiner bzw. grösser ist als derjenige der festen Leitschaufeln der mittleren Druckstufen.

Die Betätigung der Steuerorgane der verstellbaren Leitschaufeln, derart dass ein Pumpbetrieb unter stabilen hydraulischen Bedingungen aufrecht erhalten wird, lässt sich mit einer Steuerung 20 erzielen. Sie umfasst einen Wasserniveau-Regler 13 und einen damit verbundenen Steuerblock 14 für die Verstellung der Leitschaufeln 2 und 7 wie in Figur 6 dargestellt ist.

Figur 7 zeigt die Steuerung 20 für Turbinenbetrieb der Maschine. Sie umfasst einen Belastungs-Reglerblock 15, der mit dem Steuerblock 14 für die Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln 2 und 7 verbunden ist.

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Mehrstufige hydraulische Maschine, die als Pumpe oder als Turbine betrieben werden kann und die mindestens drei Druckstufen umfasst, die durch Umlenkkanäle (5,8) miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch eine höchste Druckstufe mit einem Läufer ( 1 ), der mit einem Kranz von verstellbaren Leitschaufeln (2) umgeben ist, die mit Steuerorganen (20) für deren Verstellung verbunden sind, eine niedrigste Druckstufe mit einem Läufer (6), der mit einem Kranz von verstellbaren Leitschaufeln (7) umgeben ist, die mit Steuerorganen (20) für deren Verstellung verbunden sind, ferner durch mindestens eine mittlere Druckstufe, die einen Läufer (3) aufweist, der mit einem Kranz von festen Leitschaufeln (4) umgeben ist, wobei die Steuerorgane (20) den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten und der niedrigsten Druckstufe steuern, und zwar so, dass bei grosser Durchflussmenge der Öffnungsgrad der Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe grösser ist als derjenige der festen Leitschaufeln (4) der mittleren Druck-stufe(n), während bei kleiner Durchflussmenge der Öffnungsgrad der Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe kleiner ist als derjenige der festen Leitschaufeln (4) der mittleren Druckstufe(n) und gleich oder kleiner ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln (2) der höchsten Druckstufe, um auf diese Weise bei sich ändernden Belastungen einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

2. Verfahren zum Betrieb der mehrstufigen hydraulischen Maschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln (2,7) von den Steuerorganen (20) entsprechend der Belastung verstellt wird, und zwar so, dass bei grosser Durchflussmenge der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe grösser ist als derjenige der festen Leitschaufeln (4) der mittleren Druckstufe, und dass bei kleiner Durchflussmenge der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe kleiner ist als derjenige der festen Leitschaufeln (4) der mittleren Druckstufe, wobei immer dafür gesorgt wird, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe gleich oder kleiner ist als derjenige der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe, um so bei sich ändernden Belastungen einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

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PATENTANSPRUCH E

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass zwischen den verstellbaren Leitschaufeln (2,7) der höchsten und der niedrigsten Druckstufe so verstellt wird, dass deren Durchlass kleiner ist als derjenige der stationären Leitschaufeln (4) der mittleren Druckstufe(n), wobei dafür gesorgt wird, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe kleiner ist als derjenige der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe, wenn die Maschine als Pumpe betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Reduktion des Zuflusses durch Verstellung der Leitschaufeln (2) der höchsten Druckstufe die Leitschaufeln (7) der niedrigsten Druckstufe so verstellt werden, dass ihr Öffnungsgrad gleich oder kleiner ist als derjenige der Leitschaufeln (7) der höchsten Druckstufe, wenn die Maschine als Turbine betrieben wird.