CH665881A5

CH665881A5 - Mehrstufige pumpenturbine und verfahren zum betrieb derselben.

Info

Publication number: CH665881A5
Application number: CH5224/83A
Authority: CH
Inventors: Ichiro Yamagata; Shinsaki Sato
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1988-06-15
Also published as: JPS5958164A; DE3334867A1; US4538957A; DE3334867C2

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpenturbine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb dieser Pumpenturbine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4. Sie ist insbesondere von Interesse im Zusammenhang mit der hydraulischen Pumpenturbine, die in einem Pumpspeicherwerk Verwendung findet und bei der der Leerlaufbetrieb entweder zu einem Leistungserzeugungsbetrieb oder zu einem Pumpbetrieb umgeschaltet werden kann.

In einer einstufigen Pumpenturbine zur Verwendung in einem Pumpspeicherwerk wird unter hohem Druck stehende Luft im allgemeinen durch eine Wasserpegel-Absenkeinrichtung oberhalb des Wasserspiegels am oberen Ende des Saugrohrs eingeblasen, um das Drehmoment zu verringern, das erforderlich ist, um ein Laufrad während der Turbinenbetriebsweise oder des Einleitens der Pumpbetriebsweise anzutreiben. Diese in die Maschinen eingeleitete Luft bedingt ein Absenken des Wasserspiegels, so dass sich das Laufrad in Luft dreht. Danach wird die in die Pumpenturbine eingespeiste Luft abgeführt, so dass der Wasserspiegel steigen kann und die Pumpenturbine füllt. Dadurch wird die Betriebsweise der Pumpenturbine zu einer vorbestimmten Turbinenbetriebsweise oder Pumpbetriebsweise umgeschaltet.

Bei einer mehrstufigen, hydraulischen Pumpenturbine stehen die Laufradkammern benachbarter Stufen miteinander über Rückführkanäle in Verbindung. Dadurch entstehen zahlreiche Schwierigkeiten beim Abführen von Luft aus der Pumpenturbine, wenn der Leerlaufbetrieb zur Lei-stungserzeugungsbetriebsweise oder zur Pumpbetriebsweise umgeschaltet werden soll. Wenn ferner die Betriebsweise vom Leerlauf zur Leistungserzeugungs- oder Pumpbetriebsweise umgeschaltet wird, kann das plötzliche Einfliessen von unter Druck stehendem Wasser in die Hochdruckstufe eine hohe Aufprallkraft auf den beweglichen Teil der Maschine bewirken. Dies ist höchst unerwünscht, und es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrstufige Pumpenturbine zu schaffen, bei der diese Nachteile überwunden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kenn-

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zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mass- obere Abdeckung 16 der Niedrigstdruckkammer 19 über ein nahmen gelöst. zweites Ventil 30 mit der Atmosphäre.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ver- Der Rückführkanal 20 und das Saugrohr 26 sind direkt fahren zur Steuerung einer solchen Pumpenturbine zu miteinander über ein Wasserverbindungsrohr 31 verbunden, schaffen. s welches ein Zufuhrventil 32 aufweist.

Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeich- Druckmessgeräte 51 und 52 sind mit den entsprechenden nenden Teil des Anspruchs 4 angegebenen Massnahmen Höchstdruck- und Niedrigstdruckkammern verbunden,

erreicht. Ferner ist die Kammer 18 der Höchstdruckstufe mit einer

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nach- (nicht dargestellten) Wasserpegel-Absenkeinrichtung verstehend lediglich im Rahmen eines Beispiels unter Bezug- io bunden.

nähme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in Wird die reversible Pumpenturbine 40 als Turbine denen: betrieben, so ist jedes der Ventile 29,30 und 32 geschlossen.

In dieser Betriebsweise fliesst Wasser vom oberen Behälter

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine zwei- unter Druck zur Spiralkammer 24 des spiralförmigen stufige, reversible Francis-Pumpenturbine in Leerlaufstel- 15 Gehäuses 23 durch die Druckrohrleitung und das Einlass-

lung veranschaulicht und ventil. Das unter Druck stehende Wasser fliesst durch die die Figuren 2 und 3 Längsschnitte durch die Figur 1 verstellbaren Leitschaufeln 25 und trifft auf das Laufrad 12

gezeigte Pumpenturbine veranschaulichen, während der der Höchstdruckstufe, wodurch die Welle 11 in Drehungen

Wasserfüllungs/Luftverdrängungs-Betriebsweise. versetzt wird. Anschliessend fliesst das unter Druck stehende

20 Wasser durch den Rückführkanal 20, trifft auf das Laufrad

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel einer mehrstu- 13 der Niedrigstdruckstufe, um die Welle weiter anzutreiben,

figen Pumpenturbine ist eine zweistufige, reversible Pum- und wird durch das Saugrohr 26 zum unteren Behälter abge-

penturbine vom Francis-Typ gezeigt, die zur Erleichterung führt.

des Verständnisses als Beispiel einer derartigen, mehrstu- Wird andererseits die reversible Pumpenturbine 40 als figen Pumpenturbine dient. Die Pumpenturbine 40 weist 25 Pumpe betrieben, so dreht ein (nicht dargestellter) Motor die eine senkrechte Hauptwelle 11 auf, an der ein Laufrad 12 für Welle 11 mit der gleichen Rotationsfrequenz wie im vorher-

die Höchstdruckstufe und ein Laufrad 13 für die Niedrigst- gehenden Fall, in dem sie als Turbine betrieben wird, jedoch druckstufe befestigt sind, die einen vorgegebenen axialen in entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird Wasser von

Abstand voneinander in Längsrichtung der Hauptwelle auf- dem Laufrad 13 der Niedrigstdruckstufe und ferner durch weisen. 30 das Laufrad 12 der Höchstdruckstufe gefördert zum oberen

Der stationäre Teil der Pumpenturbine weist eine erste Behälter entlang des Weges, aber in umgekehrter Richtung obere Abdeckung 14 und eine erste untere Abdeckung 15 auf, zum vorherigen Fall, in dem die Pumpenturbine 40 als Tur-

die zusammen eine Hochdrucklaufradkammer 18 bilden. bine betrieben wird.

Das Laufrad 12 der Höchstdruckstufe ist in dieser Hoch- Die folgende ausführliche Beschreibung dient der Erklä-

drucklaufradkammer 18 angeordnet. Unterhalb der Höchst- 35 rung des Steuerverfahrens für die reversible Pumpenturbine druckstufe befindet sich eine zweite obere Abdeckung 16 und 40, die oben erläutert wurde, wenn diese vom Leerlaufzu-

eine zweite untere Abdeckung 17, die zusammen eine Nied- stand der Welle 11 in Drehrichtung zur Leistungserzeugung rigstdruckkammer 19 bilden. Das Laufrad 13 für die Nied- in diejenige Richtung umgeschaltet wird, in der die rever-

rigstdruckstufe ist in dieser Niedrigstdruckkammer 19 sible Pumpenturbine 40 zur Leistungserzeugung oder zum angeordnet. Die Höchstdruckkammer 18 ist mit der Nied- 40 Wasserpumpen betätigt wird.

rigstdruckkammer 19 über einen Rückführkanal 20 ver- Vor dem Umschaltvorgang werden die verstellbaren Leitbunden. Ein Umkehrflügel 21 ist im wesentlichen im Mitten- schaufeln vollständig geschlossen. Danach wird das Einlassabschnitt des Rückführkanals 20 angeordnet. Ein Stützflügel ventil geöffnet, so dass unter Druck stehendes Wasser die Spi-22 ist an demjenigen Abschnitt des Rückführkanals 20 vorge- ralkammer 24 füllt. Danach wird komprimierte Luft in die sehen, an dem dieser mit der Niedrigstdruckkammer 19 ver- 45 Kammer 18 der Höchstdruckstufe durch das erste Auslassbunden ist. rohr 27 von der Wasserpegel-Absenkeinrichtung eingelassen,

Ein spiralförmiges Gehäuse 23 ist ausserhalb der Höchst- so dass das Wasser innerhalb der Laufradkammer der druckkammer 18 vorgesehen. Das Innere dieses spiralför- Höchstdruckstufe 18 durch den Rückführkanal 20 nach migen Gehäuses 23 bildet eine Spiralkammer 24. Der Aus- unten gedrückt wird und durch die obere Kammer 19 der gang der Spiralkammer 24 ist mit dem Eingang der Kammer 50 Niedrigstdruckstufe in das Saugrohr 26, wie es in Figur 1 dar-

18 verbunden. Der Eingang der Spiralkammer 24 ist über ein gestellt ist. In dieser Stellung dreht sich die Welle 12 mit Leer-

Einlassventil und eine Druckrohrleitung mit einem oberen laufgeschwindigkeit.

Behälter verbunden (von denen keiner dargestellt ist). Eine Um die Betriebsweise vom Leerlauf zur Leistungserzeu-Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln 25 ist im Wasser- gung oder zum Pumpen umzuschalten, wird das Auslasskanal ausserhalb des Laufrads 12 der Höchstdruckstufe 55 ventil 29 geöffnet. Dadurch wird Luft innerhalb der Höchstangeordnet. Diese Leitschaufel 25 sind koaxial zur Haupt- drucklaufradkammer langsam abgeführt, und zu gleicher welle 11 und können zwischen einer Stellung verschwenkt Zeit steigt der Wasserspiegel, der unterhalb der Niedrigstwerden, in der sie den Wasserkanal verschliessen, und einer drucklaufradkammer 19 lag, langsam an. Erreicht das Stellung, in der er offen ist. Die Bewegung der verstellbaren Wasser die Unterseite des Laufrades 13 der Niedrigstdruck-Leitschaufeln 25 wird durch einen nicht dargestellten Betäti- 6o stufe, wird es in den Rückführkanal 20 geleitet, durch die gungsmechanismus gewährleistet. Niedrigstdruckkammer 19, durch die durch Drehungen her-Ein Ende eines gekrümmten Saugrohres 26 ist mit dem vorgerufene Zentrifugalkraft des Laufrades 13 der Niedrigst-Ausgang der Niedrigstdruckkammer 19 verbunden, während druckstufe. Dadurch beginnt der Einlauf von Wasser in den das andere Ende über ein (nicht dargestelltes) Ablaufrohr mit Rückführkanal 20, und zu gleicher Zeit wird das Zufuhr-einem (nicht dargestellten) unteren Behälter verbunden ist. <55 ventil 32 in der Zufuhrleitung 31 geöffnet. Dies bedeutet,

Ein erstes Auslassrohr 27 verbindet die obere Abdeckung dass ein Teil des von der Niedrigstdrucklaufradkammer 19 in

14 der Höchstdruckkammer 18 über ein erstes Ventil 29 mit den Rückführkanal 20 eingespeisten Wassers durch die der Atmosphäre. Ein zweites Auslassrohr 28 verbindet die Zufuhrleitung 31 in das Saugrohr 26 geleitet wird.

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Wenn Qi die Wassermenge bezeichnet, die vom Saugrohr 26 durch die Niedrigstdrucklaufradkammer 19 in den Rückführkanal 20 aufgrund der durch Drehungen erzeugten Zentrifugalkraft eingespeist wird, Q2 diejenige Wassermenge bezeichnet, die in das Saugrohr 26 über die Wasserzufuhrleitung 31 abgeführt wird, und Q3 diejenige Wassermenge bezeichnet, die durch den Rückführkanal 20 in die Höchst-drucklaufradkammer 18 eingespeist wird, so ist die folgende Bedingung erfüllt:

Q3 = Ql-Q2.

Da nur ein Teil des zum Rückführkanal 20 gepumpten Wassers in die Höchstdruckkammer eintritt, wird ein schnelles Einspeisen von Wasser aus dem Rückführkanal 20 in die Kammer 18 der Höchstdruckstufe verhindert, so dass ein stabiles Einspeisen in die Kammer der Höchstdruckstufe erzielt wird.

Danach wird der Rückführkanal 20 mit Wasser gefüllt und, nachdem das Wasser die Unterseite des Laufrades 12 der Höchstdruckstufe erreicht hat, wird das von der Unterdruckstufe zur Kammer der Höchstdruckstufe geführte Wasser durch die aufgrund von Drehungen erzeugte Zentrifugalkraft eingespeist.

Das von der Niedrigstdruckstufe stammende Wasser wird also in die Höchstdruckstufe eingespeist. Nachdem der Rückführkanal einer jeden Stufe von der Niedrigstdruckstufe zur Höchstdruckstufe, wie oben erwähnt, mit Wasser gefüllt ist, sammelt sich das Wasser allmählich in der Laufradkammer 18 der Höchstdruckstufe an (die die Höchstdruckstufe in einer mehrstufigen hydraulischen Maschine mit drei Stufen und mehr ist).

Ist die Höchstdrucklaufradkammer 18 mit Wasser gefüllt, wie es in Figur 3 dargestellt ist, wird das Auslassventil 30 des zweiten Auslassrohres 28 geöffnet, so dass Wasser von der Kammer 19 über das Auslassrohr 28 abgeführt wird. Zu gleicher Zeit wird das Zufuhrventil 32 vollständig geschlossen. Dies bedeutet, dass der Wasserfluss vom Kanal 20 in das Saugrohr 26 unterbunden wird.

Wenn, wie oben erwähnt, die Höchstdruckstufe mit Wasser gefüllt ist und den vollständig gefluteten Zustand s annimmt, so wird das Abführen von Luft aus der benachbarten Niedrigstdruckstufe eingeleitet, wonach die Luftabfuhr und das Füllen mit Wasser in der Reihenfolge von der Höchstdruckstufe zur Niedrigstdruckstufe erfolgt. Wenn jede Stufe mit Ausnahme der Niedrigstdruckstufe den volilo ständig gefluteten Zustand annimmt, so ist die Abfuhr von Wasser aus dem Rückführkanal in Verbindung mit der Kammer der Niedrigstdruckstufe vollendet. Gleichzeitig wird die Abfuhr von Luft aus der Kammer 19 der Niedrigstdruckstufe eingeleitet. Um das Laufrad befindliche Luft ist is zusätzlich in den Figuren 2 und 3 durch einen Halbkreis angedeutet.

Wenn danach der Wasserdruck in der Laufradkammer 18 der Höchstdruckstufe einen vorgegebenen Druckwert erreicht, der den Druck einer jeden Stufe im vollständig eingetauchten Abschaltzustand bestimmt, werden die Auslassventile 29 und 30 vollständig geschlossen. Anschliessend werden die verstellbaren Leitschaufeln 25 allmählich in eine vorbestimmte Offenstellung über eine nicht dargestellte Vorrichtung gebracht, um so eine Verbindung zwischen der Laufradkammer 18 der Höchstdruckstufe und dem spiralförmigen Gehäuse 23 herzustellen, wodurch die Leistungserzeugung oder das Pumpen eingeleitet wird. Auf diese Weise wird der Leerlaufbetrieb ohne weiteres zur Betriebsweise für die Leistungserzeugung oder den Pumpvorgang umgeschaltet.

In einer mehrstufigen Pumpenturbine mit mehr als drei Stufen kann das Abführen aus der Laufradkammer in jeder Niedrigstdruckstufe durch Verwendung eines Zeitschalters eingeleitet werden, der ein Ausgangssignal in bestimmter Reihenfolge zur Einleitung der Abfuhr und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt abgibt.

Die Abfuhr von Wasser aus dem Rückführkanal 20 in das Saugrohr 26 kann durch das Schliessen des Zufuhrventils 32 vervollständigt werden, als Resultat eines Signals von dem Druckmessgeät 61, das in der Höchstdruckstufe vorgesehen ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Mehrstufige Pumpenturbine mit einer Welle, mit mehreren Lauf rädern, die an der Welle befestigt und von einer Höchstdruckstufe bis zu einer Niedrigstdruckstufe angeordnet sind, mit Laufradkammern, mit Rückführkanälen zur Verbindung benachbarter Laufradkammern miteinander, mit verstellbaren Leitschaufeln, die wenigstens in der Laufradkammer der Höchstdruckstufe angeordnet sind und zwischen einer Stellung, in der sie die Kammer absperren, und einer Stellung, in der sie die Kammer öffnen, bewegbar sind, mit einem mit der Laufradkammer Niedrigstdruckstufe verbundenen Saugrohr, mit einer Einrichtung zum Zuführen von Druckluft in die Laufradkammer der Höchstdruckstufe, mit mehreren Verbindungsrohren, die an die Laufradkammer jeder Stufe angeschlossen sind und je ein Ventil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserzuführrohr (31 ), in dem ein Ventil (32) angeordnet ist, den benachbart zur Laufradkammer (19) der Niedrigstdruckstufe angeordneten Rückführkanal (20) mit dem Saugrohr (26) verbindet, dass jede der Laufradkammern (18,19) mit je einem Druckmessgerät (51, 52) ausgestattet ist und dass eine Einrichtung zur Steuerung der Ventile (29,30) der Verbindungsrohre (27, 28) und des Ventils (32) des Wasserzuführungsrohres (31 ) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Druckmessgeräte (51,52) vorgesehen ist.

2. Pumpenturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung der Ventile (29, 30,32) Mittel aufweist zur Öffnung der Ventile (29,30) eines jeden Verbindungsrohrs von der Stufe höheren Drucks, mit Ausnahme der Höchstdruckstufe, zur Niedrigstdruckstufe, nacheinander, wenn das Ausgangssignal des Druckmessgeräts (51) an der Höchstdruckstufe einen ersten vorgegebenen Wert überschreitet, mit Mitteln zum Schliessen des Ventils (32) des Wasserzuführungsrohres (31 ), wenn das Ausgangssignal des Druckmessgeräts an der Stufe, die der Niedrigstdruckstufe benachbart ist, einen zweiten vorgegebenen Wert überschreitet, und Mitteln zum Schliessen der Ventile eines jeden Verbindungsrohrs, wenn das Ausgangssignal des Druckmessgeräts (51) an der Höchstdruckstufe einen dritten vorgegebenen Wert überschreitet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Pumpenturbine nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Zuführen von Druckluft in die Laufkammer der Höchstdruckstufe eine Wasserpegel-Absenkeinrichtung aufweist.

4. Verfahren zum Betrieb der Pumpenturbine nach Anspruch 1, wobei zum Umschalten von Pump- zu Turbinenbetrieb oder umgekehrt bei geschlossenen verstellbaren Leitschaufeln der Höchstdruckstufe Druckluft in die Laufradkammer der Höchstdruckstufe eingeleitet wird, dass der Wasserpegel in der Pumpenturbine unter die Laufradkammer der Niedrigstdruckstufe absinkt, während die Welle und die Laufräder im Leerlauf in Luft umlaufen, der Wasserspiegel angehoben wird, um die Pumpenturbine zu füllen, und die verstellbaren Leitschaufeln geöffnet werden,

dadurch gekennzeichnet, dass zum Füllen der Pumpenturbine mit Wasser, Luft aus der Laufradkammer (18) der Höchstdruckstufe abgelassen wird, um den Wasserpegel vom abgesenkten Pegel über die Niedrigstdruckstufe auf die Höchstdruckstufe anzuheben, dass ein Teil des Wassers im Rückführkanal (20) der Niedrigstdruckstufe in das Saugrohr (26) zurückgeleitet wird, dass Luft aus der Laufradkammer unterhalb der Höchstdruckstufe und danach der Reihe nach aus jeder Druckstufe abgelassen wird, mit Ausnahme der Niedrigstdruckstufe, nachdem die Laufradkammer ( 18) der Höchstdruckstufe einen gefluteten Zustand erreicht hat, dass das Ablassen von Wasser aus dem Rückführkanal (20) in das Saugrohr (26) unterbrochen wird und gleichzeitig Luft in der Laufradkammer der Niedrigstdruckstufe abgelassen wird,

wenn die Laufradkammern jeder Stufe, mit Ausnahme der Niedrigstdruckstufe, einen gefluteten Zustand erreichen, und dass das Ablassen der Luft aus den Lauf radkammern jeder Druckstufe unterbrochen wird, wenn der Druck der Laufradkammer der Höchstdruckstufe einen vorbestimmten Wert erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassen von Luft aus den Laufradkammern jeder Druckstufe, mit Ausnahme der Höchstdruckstufe, zu einer vorbestimmten Zeit beginnt, nachdem die Laufradkammer der Höchstdruckstufe einen gefluteten Zustand erreicht hat.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdruck im an die Laufradkammer der Niedrigstdruckstufe angeschlossenen Rückführkanal abgetastet wird und dass das Ableiten eines Teiles des Wassers aus dem Rückführkanal in das Saugrohr in Abhängigkeit von der Abtastung des Wasserdruckes unterbrochen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdruck in der Laufradkammer der Höchstdruckstufe abgetastet wird und dass das Ableiten eines Teiles des Wassers aus dem Rückführkanal in das Saugrohr in Abhängigkeit von der Abtastung des Wasserdruckes unterbrochen wird.