CH663824A5

CH663824A5 - Verfahren zur steuerung einer mehrstufigen, hydraulischen maschine.

Info

Publication number: CH663824A5
Application number: CH196/83A
Authority: CH
Inventors: Shinsaku Sato; Ichiro Yamagata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1982-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1988-01-15
Also published as: DE3300978A1; DE3300978C2; US4502831A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine, wobei die Laufradgehäuse der verschiedenen Druckstufen durch Umlenkleitungen in Serie verbunden sind und wobei die höchste und die niedrigste Druckstufe mit Leitschaufeln mit verstellbarem Öffnungsgrad versehen sind.

Bei einem bekannten Betriebsverfahren erfolgte die Steuerung der hydraulischen Maschine in Abhängigkeit der durch ein Laufrad strömenden Durchflussmenge. Diese Steuerung beziehungsweise Anpassung geschah mittels an der Peripherie der Laufräder angeordneten Leitschaufeln oder mittels einem Einlassventil im Einlassbereich der hydraulischen Maschine. Bei bekannten, mehrstufigen, hydraulischen Maschinen, bei denen die Laufräder über Umlenkleitungen miteinander verbunden sind, wurden verschiedene Steuerverfahren in Abhängigkeit der Durchflussmenge in den entsprechenden Stufen vorgeschlagen, bei denen der Betrieb der hydraulischen Maschine über an der Peripherie der Laufräder angeordneten Leitschaufeln geregelt wurde.

Die bautechnischen Möglichkeiten eines solchen, eben beschriebenen Types einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine sind wegen der Anordnung der Leitschaufeln an der Peripherie der Laufräder der entsprechenden Stufen und der entsprechenden Leitschaufelsteuervorrichtungen zur Steuerung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln ausserordentlich begrenzt, und sie erschweren den Einsatz solcher mehrstufigen, hydraulischen Maschinen.

Bei jenen mehrstufigen, hydraulischen Maschinen mit stationären Leitschaufeln mit gleichbleibendem Öffnungsgrad, die an der Peripherie der Lauf räder jeder Stufe angeordnet sind, erfolgt die Steuerung ausschliesslich über das an der Einlass-Seite der hydraulischen Maschine angeordnete Einlassventil in Abhängigkeit der Durchflussmenge.

Folglich lässt sich bei diesem Verfahren die Durchfluss-Bedingung an der Peripherie des Laufrades jeder einzelnen Stufe nicht exakt in Abhängigkeit der durch sie strömenden

Durchflussmenge steuern, so dass in den Bereichen hoher und niederer Durchflussraten unabhängig von konstruktiven Gesichtspunkten die hydraulische Wirkung sinkt und die hydraulische Maschine gesamthaft mit niedrigem, hydraulischem Wirkungsgrad arbeitet.

Im Bestreben, die obgenannten Nachteile und Probleme zu vermeiden, wurde auch ein Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine vorgeschlagen, bei dem lediglich die höchste Druckstufe mit beweglichen Leitschaufeln ausgerüstet ist und die Wasserdurchflussmenge durch Verstellung des Öffnungsgrades dieser beweglichen Leitschaufeln gesteuert wird. Dieses Betriebsverfahren zeigte im Gegensatz zum Fall ohne bewegliche Leitschaufeln in der höchsten Druckstufe nicht den sonst zu beobachtenden Druck-Verlust am Einlassventil, so dass dieses Steuerverfahren gegenüber dem erstgenannten Verfahren erheblich effizienter war.

Trotz den Vorteilen des soeben beschriebenen Verfahrens treten bei geringer Durchflussmenge in der niedrigsten Druckstufe Betriebs-Verhältnisse auf, die von denjenigen weit entfernt sind, für die die Maschine entworfen wurde. Demzufolge tritt an der Austrittseite der Niederdruckstufe oftmals eine Wasserablösung und eine lokale Sekundärströmung auf, wodurch die Maschine unstabil wird, Kavitation aufritt und Vibrationen und Geräusche verursacht werden.

Folgerichtig entschloss man sich, mehrstufige, hydraulische Maschinen zu bauen mit beweglichen Leitschaufeln an der höchsten und niedrigsten Druckstufe, wodurch eine ideale, mehrstufige, hydraulische Maschine mit vernünftigem Aufbau und relativ hohem hydraulischem Wirkungsgrad geschaffen wurde.

Die Steuerung einer solchen Maschine zur Erzielung eines kontinuierlichen Betriebes ist sehr viel komplizierter als die Steuerung einer einstufigen, hydraulischen Maschine.

Erfolgt die Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln nicht genau richtig, wird die Druckverteilung auf die diesbezüglichen Stufen ungleichförmig, der hydraulische Wirkungsgrad sinkt und bei der niedrigsten Druckstufe tritt Kavitation mit Vibrationen und Geräuschen auf.

Die Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 und 7 einen vereinfachten Längsschnitt einer zweistufigen, hydraulischen Maschine

Fig. 2 eine schematische Darstellung der hydraulischen Verhältnisse für eine Maschine nach Fig. 1

Fig. 3a-c und Fig. 4a-c sind Block-Diagramme, die sich auf die Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine beziehen

Fig. 5a-c, Fig. 6a-c sowie Fig. 7-10 sind graphische Darstellungen, welche den Zusammenhang zwischen Wassersäule und Druckdifferenzen beim Dauerbetrieb unter verschiedenen Verhältnissen zeigen.

Beschreibung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Steuerverfahrens einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine wird anhand von Fig. 1 beschrieben, in welcher eine zweistufige, hydraulische Francis-Maschine dargestellt ist.

In Fig. 1 stellt 2 das Laufrad der Hochdruckstufe und 3 das Laufrad der Niederdruckstufe dar, die räumlich axial getrennt auf einer Achse 1 befestigt sind. Das Laufrad 2 ist umhüllt von einer oberen und einer unteren Abdeckung 4 und 5, die die Laufradkammer 8 der Hochdruckstufe bilden. Das Laufrad 3 ist umhüllt von einer oberen und unteren Abdeckung 6 und 7, die die Laufradkammer 9 der Nieder5

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druckstufe bilden. Die Laufradkammern 8 und 9 sind durch eine Umlenkleitung 10 miteinander verbunden, in welcher bewegliche Leitschaufeln 12 mit verstellbarem Öffnungsgrad in der Niederdruckstufe angeordnet sind.

Um die Laufradkammer 8, welche mit der Spiralkammer 14 kommuniziert, verläuft das Spiralgehäuse 13. Der Einlassbereich der Spiralkammer 14 steht über ein Einlassventil 20 und einer Druckleitung 21 in Wirkverbindung mit einem höher gelegenen Stausee Di (Fig. 2).

Um das Laufrad 2 der Hochdruckstufe sind bewegliche Leitschaufeln 15 mit verstellbarem Öffnungsgrad angeordnet. Die Laufradkammer 9 steht über einem Saugrohr 16, einem Abflussrohr 22 mit dem tiefer gelegenen Stausee D2 in Verbindung.

In Fig. 2 ist mit der Bezugszahl 23 die gesamte hydraulische Maschine und mit der Bezugszahl 24 eine mit der hydraulischen Maschine gekoppelte, elektrodynamische Maschine bezeichnet. Eine hydraulische Druckabtastvorrichtung 17 stellt den Druck in der Umlenkleitung 10 zwischen den Laufradkammern 8 und 9 fest.

Die Fig. 3a und 4a zeigen Block-Diagramme der Betriebsüberwachung. Die Überwachung und Anpassung der Last im Dauerbetrieb durch den Öffnungsgrad der beweglichen Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe lässt sich durch die Leit-schaufel-Verstellvorrichtung 26a in Abhängigkeit der Befehle der Lastüberwachungsvorrichtung 25a steuern.

Durch das Steuerverfahren mit den verstellbaren Leitschaufeln 15 wird die Hauptverteilung der Laufräder 2 und 3 der Hoch- und Niederdruckstufe variiert. Nimmt nämlich der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Hoch(Höchst)druck-stufe zu, nimmt die Lastverteilung am Laufrad 2 relativ ab und falls der Öffnungsgrad sich verringert, so nimmt die Lastverteilung relativ zu, wodurch der Druck des Wasserdurchflusses in der Umlenkleitung 10 zur Niederdruckstufe sich verändert. Während diesem Steuerungsschritt kann betreffend der Steuerung der Nieder(Niedrigst)druckstufe der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 in Abhängigkeit eines Steuersignales bezüglich der Druckdifferenz (Hd 1 ) zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe (zum Beispiel der Druck in der Druckleitung 21 ) und dem Druck an einer Stelle zwischen der Hoch-und Niederdruckstufe (zum Beispiel in der Umlenkleitung 10) gesteuert werden, um so eine hydraulisch angepasste Hauptverteilung zu erhalten.

Im konkreten, in Fig. 4a dargestellten Beispiel wird die Druckdifferenz (Hd 1) zwischen dem Druck, beispielsweise in der Druckleitung 21 an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe mit einem Druck-Detektor 27a, und der Druck in der Umlenkleitung 10 durch die bereits genannte Druckabtastvorrichtung 17 mittels eines hydraulischen Druck-Differenzanzeigers 28a ermittelt.

Der durch den Druck-Differenzanzeiger 28a ermittelte Wert wird mit dem wirksamen, statischen Druck an der Gesamtanlage der hydraulischen Maschine (der Wassersäule Hst zwischen dem oberen und unteren Stausee Di und D2) unter Verwendung eines Druck-Differenzvergleichers 30a verglichen. Sobald das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz, der vom Druckdifferenzvergleicher 30a aufgezeigt wird, einen vorbestimmten Bereich (vergleiche Fig. 5a und 6a), in dem die Hauptverteilung an den betreffenden Stufen eine hohe Betriebsleistung gewährt, überschreitet, das heisst mit anderen Worten, wenn der Druck in der Umlenkleitung 10 und die Hauptverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe steigt, erfolgen im nächsten Schritt Steueranweisungen an die Leitschaufelverstellvorrichtung 31a, die verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe zu öffnen. Falls das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz den obgenannten Bereich unterschreitet, mit anderen Worten, wenn der hydraulische Druck in der Umlenkleitung 10 und die Hauptverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe sinkt, erfolgen Steueranweisungen an die Leitschaufelverstellvorrichtung 31a, die verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe zu schliessen.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe erfolgt so lange in der vorbeschriebenen Weise, bis das Verhältnis beziehungsweise die relative Druckdifferenz wieder im vorgeschriebenen Bereich zu liegen kommt.

Gemäss dieser Ausübungsart des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich eine mehrstufige, hydraulische Maschine mit einer vorbestimmten Last auf diese Weise so betreiben, dass der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hoch-(Höchst)Druckstufe durch die an den Leitschaufeln 15 anliegende Last gesteuert werden und dass gleichzeitig der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst)Druckstufe durch die Steueranweisungen entsprechend der Druckdifferenz (Hd 1) zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe und dem Druck in einem Bereich zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe erfolgt.

Nachfolgend wird beschrieben, wie die Lastüberwachungsanweisungen den verstellbaren Leitschaufeln 12 zugeleitet werden.

Der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe wird durch Übertragung der Überwachungssignale von der Lastüberwachungsvorrichtung 25a an die Leitschaufelverstellvorrichtung 26a gemäss Fig. 3a gesteuert.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe erfolgt gemäss dem in Fig. 4a dargestellten Block-Diagramm.

Bei diesem Steuerverfahren werden Steuersignale an die Leitschaufelsteuervorrichtung 3 la (siehe auch Fig. 4) übermittelt, die Leitschaufeln 15 zu schliessen, sobald das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz, welche vom Druckdifferenzvergleicher 30a angezeigt wird, den Bereich der eine hohe Betriebsleistung bei entsprechender Druckverteilung in der Maschine an den entsprechenden Druckstufen sicherstellt, beziehungsweise Steuersignale an die Leitschaufelver-stellvorrichtung 31 a übermittelt, die Leitschaufeln zu öffnen, sobald das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz jenen Bereich unterschreitet.

Im ersten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel betreffend Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe ist beschrieben, dass der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 durch Steuersignale, abhängig von der hydraulischen Druckdifferenz (Hd 1) zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe und dem Druck an einer Stelle zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe, so gesteuert werden kann, dass eine stabile Verteilung erreicht wird.

Erfindungsgemäss kann der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 12 aber auch durch Steuersignale entsprechend der Druckdifferenz (Hd 2) zwischen dem Druck an einer Stelle zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe (zum Beispiel dem Druck in der Umlenkleitung 10) und dem Druck an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe (zum Beispiel der Druck im Saugrohr 22) gesteuert werden, damit eine stabile Druckverteilung erreicht wird.

Die Druckdifferenz (Hd 2) zwischen dem Druck im Bereich zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe, beispielsweise gemessen in der Umlenkleitung 10 mittels der Messeinheit 17 und dem hydraulischen Druck an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe, beispielsweise gemessen im Saugrohr 22 mittels der Messeinheit 27b, wird durch den Druckdifferenzanzeiger 28b, wie im Block-Diagramm der Fig. 4b darge5

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stellt, festgestellt. Die durch den Detektor 28b festgestellte Druckdifferenz wird mittels dem Druckdifferenzvergleicher 30b mit der anliegenden statischen Wassersäule der gesamten Anlage der hydraulischen Maschine (das heisst mit der Wassersäule Hst zwischen dem oberen und unteren Stausee Di und D2) verglichen.

Sobald das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz, der durch den Druckdifferenzvergleicher 30b aufgezeigt wird, einen vorbestimmten Bereich (vergleiche Fig. 5b und 6b), der der Verteilung an den entsprechenden Stufen bei einer hohen Betriebsleistung entspricht, überschreitet, das heisst mit anderen Worten, wenn der hydraulische Druck in der Umlenkleitung 10 und die Druckverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe sinkt, erfolgen im nächsten Schritt Steueranweisungen an die Leitschaufelverstelleinheit 31b durch Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe, diese zu schliessen. Falls das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz den vorbestimmten Bereich unterschreitet, mit anderen Worten, wenn der Druck in der Umlenkleitung 10 und die Druckverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe sinkt, erfolgen Steueranweisungen an die Leitschaufelsteuereinheit 31b, um die verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe zu öffnen. Die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe erfolgt in der vorbeschriebenen Weise, bis das Verhältnis beziehungsweise die relative Druckdifferenz wieder im vorgeschriebenen Bereich zu liegen kommt.

Gemäss der zweiten Ausübungsart des erfindungsge-mässen Verfahrens lässt sich eine mehrstufige, hydraulische Maschine mit einer vorbestimmten Last derart betreiben,

dass der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hoch-(Höchst-)Druckstufe durch die an den Leitschaufeln 15 anliegende Last gesteuert werden und dass gleichzeitig der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe durch die Steueranweisungen gemäss der Druckdifferenz (Hd 2) zwischen dem Druck in einem Bereich zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe und dem Druck an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe erfolgt.

Nachfolgend wird beschrieben, wie bei dieser Ausführung die Lastüberwachungsanweisungen den verstellbaren Leitschaufeln 12 zugeführt werden.

Zwar wird der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe gemäss der Beschreibung der Fig. 3a gesteuert, jedoch wird der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe gemäss dem Block-Diagramm nach der Fig. 4b gesteuert. Falls das Verhältnis oder die relative Druckdifferenz des statischen Drucks verglichen mit der Druckdifferenz (Hd 2) mittels dem Vergleicher 30b den vorgeschriebenen Bereich, der so festgelegt ist, dass die Druckverteilung eine hohe Betriebsleistung ermöglicht, übersteigt, erfolgt gemäss diesem abgewandelten Steuerverfahren ein Steuerbefehl an die Verstellvor-richtung 31b, die Leitschaufeln 15 zu öffnen, beziehungsweise falls das obgenannte Verhältnis oder die relative Druckdifferenz unterhalb dem vorgeschriebenen Bereich liegt, die Leitschaufeln 12 zu schliessen.

In einer dritten, nachfolgend beschriebenen Ausübungsart des erfindungsgemässen Steuerverfahrens einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine erfolgt die Steuerung unter Berücksichtigung des verändernden Pegelstandes.

Soll eine mehrstufige, hydraulische Maschine im Betriebszustand in Abhängigkeit der statischen Wassersäule durch Anpassung oder Steuerung des Wasserpegels erfolgen, so kann der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hoch-(Höchst-)Druckstufe durch die Leitschaufelverstelleinheit 26b (Fig. 3b) in Abhängigkeit der Steuerbefehle einer Wasserstandregeleinheit 25 gemäss der Wasserstandsänderung gesteuert werden, wie in Fig. 3b dargestellt.

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In dieser Ausführung lassen sich die Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe entsprechend dem Verfahren gemäss dem zweiten Beispiel nach den Fig. 5c und 5d in Abhängigkeit des statischen Druckes steuern.

Gemäss dieser dritten Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe mittels Steuerbefehlen in Abhängigkeit der Änderung der Wassersäule steuern, während gleichzeitig der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe durch Steuerbefehle in Abhängigkeit der Druckdifferenz (Hd 2), zwischen dem Druck an einer Stelle zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe und dem Druck an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe, erfolgt. Derart lässt sich die mehrstufige hydraulische Maschine in Abhängigkeit der Änderungen der Wassersäule effektiv steuern.

Im Betriebssteuerverfahren gemäss dieser Ausführung leitet die Wasserstandanpassungs-Vorrichtung 25b Steuersignale zur Leitschaufelverstellvorrichtung 26b, welche den Öffnungsgrad der Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe steuert, wie in Fig. 3b ersichtlich.

Auch der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe lässt sich gemäss dem in Fig. 4b im Blockschema dargestellten Verfahren steuern. Auch bei diesem Überwachungsverfahren können Steuerbefehle die Leitschaufeln 15 öffnen. Die Leitschaufelverstelleinheit 31b arbeitet in Abhängigkeit des Verhältnisses oder der relativen Differenz der statischen Wassersäule und des Druckes (Hd 2), ermittelt durch den Vergleicher 30b. Liegt das Verhältnis oder die relative Differenz unterhalb des gegebenen vorbestimmten Bereiches, erfolgten Steuerbefehle an die Verstell-.Vorrichtung 3 lb, die Leitschaufeln 12 zu schliessen.

Gemäss einer vierten Ausführungsvariante der Erfindung lassen sich entweder die Leitschaufeln der Hoch- oder der Niederdruckstufe der mehrstufigen, hydraulischen Maschine nach Massgabe von Durchflussmengen-Steuerbefehlen steuern, während der Leitschaufel-Öffnungsgrad der anderen Leitschaufeln nach Massgabe von Laststeuerbefehlen gesteuert wird. Dieses Steuerverfahren wird im nachfolgenden beschrieben.

In Fig. 7 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszahlen versehen. Durchfluss-Anzeiger 18 und 19, die nach der Indexmethode arbeiten, sind mit dem Spiralgehäuse 13, beziehungsweise dem Saugrohr 16, verbunden. Diese Durchfluss-Anzeiger sind vom bekannten Typus, mit welchen die relative Änderung der Durchflussmenge zwischen genau zwei Punkten in der Durchfluss-Strecke gemessen und angezeigt wird, durch Angabe der Vergleichszahlen der Druckdifferenz an jenen beiden Punkten.

Im vorliegenden Beispiel soll bei einer mehrstufigen, beispielsweise zweistufigen, hydraulischen Maschine mit einer gegebenen Betriebswassersäule die Last angepasst und gesteuert werden. Aufgrund der durch die Anzeiger 18 und 19 festgestellten Durchflussmenge werden Steuersignale an die Leitschaufel-Versteilvorrichtung 26c abgegeben, die den Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe bestimmen, wie in Fig. 3c gezeigt. Der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe wird so gesteuert, dass die Leitschaufeln 15 in Schliessrich-tung bewegt werden, falls die von den Durchflussanzeigern 18 und 19 ermittelte Durchflussmenge die einer vorbestimmten Ziellast entsprechende Durchflussmenge, die festgelegt ist durch die Beziehung zwischen Betriebswassersäule und Last übersteigt, und dass die Leitschaufeln in Öffnungsrichtung bewegt werden, falls die Durchflussmenge unter der Ziellast entsprechenden Durchflussmenge liegt.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln der Hochdruckstufe ändert die Druckverteilung an

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den Laufrädern der Hoch- und Niederdruckstufen. Mit anderen Worten, nimmt der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe zu, so wird die Druckverteilung am Laufrad der Hochdruck relativ geringer als jene am Laufrad der Niederdruckstufe und nimmt der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 ab, so wird die Druckverteilung an der Hochdruckstufe relativ erhöht. Folglich verändert sich auch der Druck in einer Umlenkleitung zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe lässt sich durch Steuersignale, die die Druckdifferenz (Hd 3) zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe (beispielsweise in der Druckleitung) und dem Druck in einem Bereich zwischen der Hoch-und Niederdruckstufe (beispielsweise in der Umlenkleitung 10) repräsentieren, über die Leitschaufelverstelleinheit derart steuern, dass eine angepasste hydraulische Druckverteilung erreicht wird.

Die Druckdifferenz oder das Verhältnis (Hd 3) zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe gemessen mittels des Druckanzeigers 27c und dem Druck in einem Bereich zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen gemessen mittels des Druckanzeigers 17, wird mittels des Anzeigers 28c ermittelt.

Überschreitet die ermittelte Druckdifferenz (Hd 3) den vorbestimmten Bereich (siehe Fig. 9 und 10), in welchem die Druckverteilung an den entsprechenden Stufen eine hohe Betriebsleistung erbringt, zum Beispiel falls der Druck in einem Bereich zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen sinkt und die Druckverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe abnimmt, werden die verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe in Schliessrichtung bewegt. Entsprechend werden die verstellbaren Leitschaufeln 12 in Öffnungsrichtung bewegt, wenn die hydraulische Druckdifferenz (Hd 3) den vorgeschriebenen Bereich unterschreitet, zum Beispiel wenn der Druck in einem Bereich zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen und die Druckverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe zunimmt. Die Steuersignale zum Öffnen oder Schliessen der verstellbaren Leitschaufeln 12 erfolgen von der Leitschaufelverstellvorrichtung 31c. Die Verstellung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln 12 wird so lange gesteuert, bis die hydraulische Druckdifferenz (Hd 3) wieder im vorgeschriebenen Bereich zu liegen kommt.

Somit wird der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe durch durchflussmengenabhän-gige Steuerbefehle gesteuert, während der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe durch Steuerbefehle abhängig von der Druckdifferenz (Hd 3) gesteuert wird, so dass folglich die hydraulische Maschine mit einer vorgegebenen Last wirkungsvoll betrieben wird.

Die Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Niederdruckstufe in Abhängigkeit der Durchflussmenge wird im nachfolgenden beschrieben.

Der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 wird von der Leitschaufelverstellvorrichtung 26c mittels durch-flussmerigeabhängige Steuerbefehle gesteuert, wie aus Fig. 3c ersichtlich, und zwar derart, dass sobald die von den Durchflussanzeigern 18 oder 19 angezeigten Werte einen einer Ziellast entsprechenden Durchflussmengenwert überschreitet, die verstellbaren Leitschaufeln 12 in Schliessrichtung bewegt werden oder falls der Durchflussmengenwert unterschritten wird, die Leitschaufeln 12 in Öffnungsrichtung bewegt werden.

Wie bereits oben beschrieben erfolgt die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe gemäss dem Blockdiagramm der Fig. 4c. So werden bei diesem Verfahren, sobald die vom Detektor 28c festgestellte Druckdifferenz oder-Verhältnis (Hd 3) über dem

Bereich liegt, in dem eine einer hohen Betriebsleistung entsprechende Druckverteilung herrscht, die verstellbaren Leitschaufeln 15 in Öffnungsrichtung und sobald die Druckdifferenz (Hd 3) unter diesen Bereich sinkt, werden die verstellbaren Leitschaufeln 12 in Schliessrichtung bewegt. Diese Steuerung erfolgt in Abhängigkeit von Steuersignalen, die der Leitschaufelverstellvorrichtung 3 lc zugeführt werden.

Eine nochmals andere Betriebsart des erfindungsgemässen Verfahrens zur Steuerung einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine unter Verwendung von nach der Indexmethode arbeitenden Anzeiger, sieht wiederum vor, den Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hoch-(Höchst-)-Druckstufe gleich wie im vierten Verfahrensbeispiel zu steuern.

Der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe wird jedoch mittels eines Steuersignals in Abhängigkeit der Druckdifferenz (Hd 4) zwischen dem an einer Stelle zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen (zum Beispiel dem in der Umlenkleitung 10) herrschenden Druck, und dem Druck in einem Bereich an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe (zum Beispiel im Saugrohr 22) so gesteuert, dass eine günstige Druckverteilung erzielt wird.

Wie im Block-Diagramm nach der Fig. 4a dargestellt, wird die Druckdifferenz (Hd 4) zwischen dem Druck an einer Stelle zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen gemessen. Dazu dient die Druckabtastvorrichtung 17 angeordnet in der Umlenkleitung und dem Druck gemessen mit der Druckabtastvorrichtung 27a beispielsweise angeordnet im Saugrohr 22, wobei der Druckdifferenz-Anzeiger 28d die Differenz ermittelt. Die Druckdifferenz, ermittelt vom Anzeiger 28a, und der in der gesamten Anlage der hydraulischen Maschine anliegenden Wassersäule (das heisst die Wassersäule Hst zwischen dem oberen und unteren Stausee Di und D2) ermittelt mit dem statischen Druckanzeiger 29a, wird mittels dem Druckdifferenzvergleicher 30a verglichen. Überschreitet der vom Vergleicher 30a festgestellte Wert den Bereich (siehe Fig. 5b und 6b), in dem die Druckverteilung einer hohen Betriebsleistung entspricht, mit anderen Worten, falls der Druck in der Umlenkleitung und die Druckverteilung am Laufrad der Niederdruckstufe sinkt, wird die Leitschaufel-verstellvorrichtung 3 la die beweglichen Leitschaufeln 12 schliessen. Unterschreitet jedoch der festgestellte Wert den obgenannten Bereich, mit anderen Worten, steigt der Druck in der Umlenkleitung 10, erhält die Leitschaufelverstellvor-richtung 3 la Steuerbefehle, die Leitschaufeln 12 zu öffnen. Diese Steuerung erfolgt so lange, bis die relative Differenz wieder im vorgegebenen Bereich liegt.

Im vorliegenden fünften Beispiel wird die mehrstufige hydraulische Maschine derart mit vorgegebener Last betrieben, dass die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 15derHoch-(Höchst-)Druckstufe durch durchflussmengeabhängige Steuersignale erfolgt, während gleichzeitig die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Nieder-(Niedrigst-)Druck-stufe durch Steuersignale in Abhängigkeit der Druckdifferenz (Hd 4) zwischen dem Druck in einem Bereich zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen und dem Druck an der Auslass-Seite der Niederdruckstufe erfolgt.

Nachfolgend wird ein Betriebsüberwachungsverfahren beschrieben, bei dem die Leitschaufeln der Niederdruckstufe durch Steuersignale in Abhängigkeit der Durchflussmenge verstellt werden.

Die Leitschaufelverstellvorrichtung 26b (Fig. 3c) erhält Steuersignale nach Massgabe der Durchflussmenge und verstellt den Öffnungsgrad der beweglichen Leitschaufeln 12, und zwar derart, dass die Leitschaufeln in Schliessrichtung bewegt werden, sobald die von der Messstelle 18 oder 19

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ermittelte Durchflussmenge über einem Wert liegt, der der gewünschten Ziellast entspricht, oder in Öffnungsrichtung bewegt, sobald die gemessene Durchflussmenge unter dem der gewünschten Last entsprechenden Wert liegt.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe erfolgt, wie bereits beschrieben, gemäss dem Blockdiagramm nach Fig. 4b. Übersteigt folglich bei diesem Verfahren die hydraulische Druckdifferenz (Hd 4), ermittelt durch den Vergleicher 30b, den vorgegebenen Bereich der Druckverteilung, der einer hohen Betriebsleistung entspricht, so werden die verstellbaren Leitschaufeln 15 in Öffnungsrichtung bewegt, oder falls die Druckdifferenz (Hd 4) den vorgegebenen Bereich unterschreitet in Schliessrichtung bewegt. Die Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln erfolgt durch die Versteilvorrichtung 31 b.

Entsprechend der nunmehr beschriebenen Erfindung lässt sich eine mehrstufige hydraulische Maschine im Dauerbetrieb last- oder wasserpegelabhängig steuern, wobei der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln entweder der Hoch-(Höchst-) oder der Nieder-(Niedrigst-)Druckstufe in Übereinstimmung mit der Verstellung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln der anderen Stufe erfolgt, so dass die hydraulisch meist passende Kombination der Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln erzielt wird, die einen guten Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine garantiert.

Zusätzlich lassen sich ungünstigste Erscheinungen wie Kavitationen und Wirbel, welche vor allem im Bereich des Laufrades der Niederdruckstufe auftreten, immer vermeiden, weil die Druckverteilung an den betreffenden s Stufen sich entsprechend steuern lässt. Vermeiden lassen sich diese ungünstigen Erscheinungen dadurch, dass die relative Druckdifferenz zwischen dem statischen Druck und der Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Einlass-Seite der Hochdruckstufe oder an der Auslass-Seite der Niederdruck-lo stufe sowie der Druck in einem Bereich zwischen den Hoch-und Niederdruckstufen so abgestimmt wird, dass diese relative Druckdifferenz immer in einem Bereich gehalten wird, in dem die hydraulische Maschine einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad hat.

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Bei manchen Kombinationen von Öffnungsgraden der verstellbaren Leitschaufeln der Hoch- und Niederdruckstufen können manchmal abnormale Druckschwankungen auftreten. Gemäss der vorliegenden Erfindung lassen sich 20 diese Druckschwankungen jedoch sogleich feststellen und verhüten, weil die verstellbaren Leitschaufeln unter Beachtung des zwischen den Hoch- und Niederdruckstufen herrschenden Druckes verstellt werden.

25 Folglich lässt sich nach dieser Erfindung eine mehrstufige hydraulische Maschine last- und wasserpegelabhängig immer mit hoher Leistung zuverlässig betreiben.

8 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen, hydraulischen Maschine wobei die Laufradgehäuse der verschiedenen Druckstufen durch Umlenkleitungen in Serie verbunden sind und wobei die höchste und die niedrigste Druckstufe mit Leitschaufeln mit verstellbarem Öffnungsgrad versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass man den Öff-. nungsgrad der Leitschaufeln der höchsten oder der niedrigsten Druckstufe entsprechend einer Betriebsgrösse steuert, während man gleichzeitig die Leitschaufeln der niedrigsten beziehungsweise der höchsten Druckstufe durch ein Steuersignal steuert, dessen Grösse vom Druckunterschied zwischen einem zwischen der höchsten und der niedrigsten Druckstufe liegenden Maschinen-Bereich und einem ausserhalb der höchsten oder der niedrigsten Druckstufe liegenden Maschinen-Bereich abhängig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgrösse die Belastung der hydraulischen Maschine ist.

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PATENTANSPRÜCHE

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grad vergrössert, wenn der vorgesehene Wert unterschritten wird, wobei gleichzeitig das dem Druckunterschied entsprechende Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verkleinert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert überschreitet, und vergrössert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe entsprechend der Belastung steuert und einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Einlass-Seite der höchsten Druckstufe entnimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe entsprechend der Belastung steuert und einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Aus-lass-Seite der niedrigsten Druckstufe entnimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe entsprechend der Belastung steuert und einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Einlass-Seite der höchsten Druckstufe entnimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe entsprechend der Belastung steuert und einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Auslass-Seite der niedrigsten Druckstufe entnimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Verhältnis oder die Differenz zwischen dem für das Steuersignal massgeblichen Druckunterschied und dem Druck der für die Maschine massgeblichen Wassersäule einen bestimmten Wertbereich verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe ver-grössert wird, wenn dieser Wertbereich überschritten und verkleinert wird, wenn dieser Wertbereich unterschritten wird, um damit die Druckverteilung in der Maschine der Belastung anzupassen.

8. Verfahren nach Anspruch 4, beim dem das Verhältnis oder die Differenz zwischen dem für das Steuersignal massgeblichen Druckunterschied und dem Druck der für die Maschine massgeblichen Wassersäule einen bestimmten Wertbereich verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe verkleinert wird, wenn dieser Wertbereich überschritten und vergrössert wird, wenn dieser Bereich unterschritten wird, um damit die Druckverteilung in der Maschine der Belastung anzupassen.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verhältnis oder die Differenz zwischen dem für das Steuersignal massgeblichen Druckunterschied und dem Druck der für die Maschine massgeblichen Wassersäule einen bestimmten Wertbereich verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verkleinert wird, wenn dieser Wertbereich überschritten und vergrössert wird, wenn dieser Wertbereich unterschritten wird, um damit die Druckverteilung in der Maschine der Belastung anzupassen.

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10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Verhältnis oder die Differenz zwischen dem für das Steuersignal massgeblichen Druckunterschied und dem Druck der für die Maschine massgeblichen Wassersäule einen bestimmten Wertbereich verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe vergrössert wird, wenn dieser Wertbereich überschritten und verkleinert wird, wenn dieser Wertbereich unterschritten wird, um damit die Druckverteilung in der Maschine der Belastung anzupassen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgrösse die Durchflussmenge durch die hydraulische Maschine ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Einlass-Seite der höchsten Druckstufe entnimmt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Auslass-Seite der niedrigsten Druckstufe entnimmt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussmengen-Detektor am Einlass-Spiralgehäuse oder am Saugrohr angeordnet ist, dessen Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verkleinert, wenn die Druchflussmenge einen vorgesehenen Wert überschreitet und den Öffnungsgrad vergrössert, wenn der vorgesehene Wert unterschritten wird, wobei gleichzeitig das dem Druckunterschied entsprechende Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe verringert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert überschreitet und vergrössert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert unterschreitet.

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15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussmengen-Detektor am Einlass-Spiralgehäuse oder am Saugrohr angeordnet ist, dessen Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe verkleinert, wenn die Durchflussmenge einen vorgesehenen Wert überschreitet und den Öffnungsgrad vergrössert, wenn der vorgesehene Wert unterschritten wird, wobei gleichzeitig das dem Druckunterschied entsprechende Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe vergrössert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert überschreitet und verringert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert unterschreitet.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussmengen-Detektor am Einlass-Spiralgehäuse oder am Saugrohr angeordnet ist, dessen Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verkleinert, wenn die Durchflussmenge einen vorgesehenen Wert überschreitet und den Öffnungsgrad vergrössert, wenn der vorgesehene Wert unterschritten wird, wobei gleichzeitig das dem Druckunterschied entsprechende Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe vergrössert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert überschreitet und verkleinert, wenn der Druckunterschied einen bestimmten Wert unterschreitet.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussmengen-Detektor am Einlass-Spiralgehäuse oder am Saugrohr angeordnet ist, dessen Steuersignal den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe verkleinert, wenn die Durchflussmenge einen vorgesehenen Wert überschreitet und den Öffnungss

18. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgrösse der Druck der Wassersäule ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass man einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Auslass-Seite der niedrigsten Druckstufe entnimmt.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass man einen der für das Steuersignal massgebenden Druckwerte an der Einlass-Seite der höchsten Druckstufe entnimmt.

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21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe vergrössert wird, wenn der Druckunterschied ein gewisses Mass überschreitet, und verkleinert wird, wenn das Mass unterschritten wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der höchsten Druckstufe vergrössert wird, wenn der Druckunterschied ein gewisses Mass überschreitet, und verkleinert wird, wenn das Mass unterschritten wird.