DE102022102237B3 - Pelton Turbine and Operating Procedures - Google Patents
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Abstract
Pelton Turbine umfassend ein Laufrad (1) und mehrere regelbare Düsen (2.1, 2.2) in zwei Gruppen, und wobei die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe einen größeren Durchmesser hat als die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe, und wobei die Pelton Turbine eine Steuereinrichtung (3) umfasst, welche so ausgebildet ist, dass sie einen Wasserfluss durch die Düsen in Abhängigkeit von Regelparametern im Normalbetrieb steuern kann, und wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in einem ersten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe durchströmt, und dass sie in einem zweiten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe durchströmt. Pelton turbine comprising an impeller (1) and several adjustable nozzles (2.1, 2.2) in two groups, and wherein the at least one nozzle of the first group has a larger diameter than the at least one nozzle of the second group, and the Pelton turbine has a control device (3) which is designed in such a way that it can control a water flow through the nozzles as a function of control parameters in normal operation, and wherein the control device is designed in such a way that it controls the water flow through the nozzles in a first predefined control parameter range of normal operation can ensure that water flows through the at least one nozzle of the first group and no water flows through the at least one nozzle of the second group, and that it can control the water flow through the nozzles in a second predefined control parameter range of normal operation in such a way that water flows through the at least one nozzle the second group flows through, and no water, the at least one nozzle flows through the first group.
Description
Die Erfindung betrifft eine Pelton Turbine und ein Betriebsverfahren zum Betrieb der Turbine.The invention relates to a Pelton turbine and an operating method for operating the turbine.
Aus dem Stand der Technik sind Pelton Turbinen bekannt. So offenbart beispielsweise die
Aus der
Gewöhnlich umfassen Pelton Turbinen einen Synchrongenerator für die Stromerzeugung. Das bedeutet, dass die Regelung so erfolgen muss, dass das mit dem Generator verbundene Laufrad stets mit der Synchrondrehzahl umläuft. Außerdem gibt es Pelton Turbinen, welche für die Stromerzeugung einen Asynchrongenerator umfassen. Dann kann das Laufrad mit Drehzahlen in einem vordefinierten Bereich umlaufen. Regelparameter für die Einstellung der Düsenöffnung sind dabei der Eingangsdruck des Triebwassers und die am Generator abgeführte Leistung. Ein effizienter Betrieb einer Pelton Turbine ist in gewissen Regelparameterbereichen möglich. Dieser Bereich wird als der Betriebsbereich der Turbine bezeichnet. D.h. die Regelparameter können auch als Betriebsparameter bezeichnet werden.Typically, Pelton turbines include a synchronous generator for power generation. This means that the regulation must be carried out in such a way that the impeller connected to the generator always rotates at the synchronous speed. There are also Pelton turbines, which include an asynchronous generator for power generation. The impeller can then rotate at speeds within a predefined range. The control parameters for setting the nozzle opening are the inlet pressure of the driving water and the power dissipated at the generator. Efficient operation of a Pelton turbine is possible within certain control parameter ranges. This range is referred to as the operating range of the turbine. I.e. the control parameters can also be referred to as operating parameters.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pelton Turbine anzugeben, welche in einem größeren Betriebsbereich effizient betrieben werden kann, als vergleichbare bekannte Pelton Turbinen.The object of the invention is to specify a Pelton turbine which can be operated efficiently in a larger operating range than comparable known Pelton turbines.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by an embodiment corresponding to the independent claim. Further advantageous embodiments of the present invention can be found in the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 Pelton Turbine gemäß dem Stand der Technik; -
2 Erfindungsgemäße Pelton Turbine; -
3 Düsen und Düsendurchmesser; -
4 Erfindungsgemäße Pelton Turbine in einer weiteren Ausführungsform; -
5 Erfindungsgemäße Pelton Turbine mit Generator.
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1 Prior art Pelton turbine; -
2 Pelton turbine according to the invention; -
3 nozzles and nozzle diameter; -
4 Pelton turbine according to the invention in a further embodiment; -
5 Pelton turbine with generator according to the invention.
Die folgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Pelton Turbine geht der Einfachheit halber von der Randbedingung aus, dass die Leistung der Turbine konstant bleiben soll, d.h. dass der einzige freie Regelparameter der Wasser-Eingangsdruck ist. For the sake of simplicity, the following description of the Pelton turbine according to the invention is based on the boundary condition that the output of the turbine should remain constant, i.e. that the only free control parameter is the water inlet pressure.
Das bedeutet, dass alles was im Folgenden über den Eingangsdruck gesagt wird, im allgemeinen Fall auf alle frei variablen Regelparameter übersetzt werden muss.This means that everything that is said below about the inlet pressure must generally be translated to all freely variable control parameters.
Bei einem gegebenen Wasser-Eingangsdruck ist der Wasserfluss durch die Düsen 2 proportional zur Leistung, welche vom Wasser transportiert wird. Bei gegebenen Wasserfluss ist die Leistung andererseits proportional zum Wasser-Eingangsdruck. Das bedeutet, dass eine Änderung des Wasser-Eingangsdruckes durch eine Änderung des Wasserflusses durch die Düsen 2, d.h. durch eine Verstellung der Nadeln, kompensiert werden kann, wenn die Leistung konstant bleiben soll.For a given water inlet pressure, the water flow through the
Der Druckbereich [pmin, pmax] (d.h. der Wasser-Eingangsdruckbereich - im Folgenden wird für „Wasser-Eingangsdruck“ der Kürze halber „Druck“ verwendet), der auf diese Weise kompensiert werden kann, hängt dabei von folgenden Faktoren ab. Beim minimalen Druck pmin werden die Düsen 2 vollständig geöffnet. Daher wird der Durchmesser und die Anzahl der Düsen 2 so ausgelegt, dass bei pmin der gewünschte Wasserfluss durch die Düsen fließen kann. Wie erwähnt werden die Düsen bei steigendem Druck nach und nach geschlossen, indem die Nadeln nach vorne bewegt werden. Dabei wird schließlich ein Punkt erreicht, bei dem die Strahlqualität durch die im Strahl befindlichen Nadeln so stark beeinträchtigt wird, dass dadurch die Effizienz der Turbine signifikant verringert wird. Der maximale Druck pmax ist also dadurch gegeben, dass bei einem Überschreiten des maximalen Druckes die geforderte Effizienz der Turbine nicht mehr gewährleistet werden kann.The pressure range [p min , p max ] (ie the water inlet pressure range - in the following for the sake of brevity "water inlet pressure" is used for the sake of brevity) that can be compensated in this way depends on the following factors. At the minimum pressure p min, the
Die Erfinder haben erkannt, dass der Druckbereich, in dem die Turbine noch effizient betrieben werden kann, dadurch vergrößert werden kann, dass Düsen mit unterschiedlichem Durchmesser verwendet werden, wie im Folgenden näher dargelegt wird.The inventors have recognized that the pressure range in which the turbine can still be operated efficiently can be increased by using nozzles with different diameters, as will be explained in more detail below.
Die erfindungsgemäße Pelton Turbine umfasst eine Steuereinrichtung, welche mit 3 bezeichnet und welche so ausgeführt ist, dass sie den Wasserfluss durch die Düsen der beiden Gruppen so steuern kann, dass in einem ersten vordefinierten Druckbereich Wasser durch die Düsen der ersten Gruppe und kein Wasser durch die Düsen der zweiten Gruppe strömt, und dass in einem zweiten vordefinierten Druckbereich Wasser durch die Düsen der zweiten Gruppe und kein Wasser durch die Düsen der ersten Gruppe strömt. Dabei schließen sich die beiden vordefinierten Druckbereiche aneinander an, und der Übergang von ersten zum zweiten Druckbereich ist durch einen vordefinierten Druck p0 gegeben. p0 ist so zu sagen der Umschalt-Druck, bei dem der Wasserfluss von der ersten auf die zweite Düsen-Gruppe (und umgekehrt) umgeschaltet wird. Dabei werden die Düsen der ersten Gruppe bei kleineren Drücken von Wasser durchflossen und die Düsen der zweiten Gruppe bei größeren Drücken.The Pelton turbine according to the invention comprises a control device, which is denoted by 3 and which is designed in such a way that it can control the water flow through the nozzles of the two groups so that in a first predefined pressure range water flows through the nozzles of the first group and no water flows through the Nozzles of the second group flows, and that in a second predefined pressure range, water flows through the nozzles of the second group and no water flows through the nozzles of the first group. In this case, the two predefined pressure ranges adjoin one another, and the transition from the first to the second pressure range is given by a predefined pressure p 0 . p 0 is, so to speak, the switching pressure at which the water flow is switched from the first to the second group of nozzles (and vice versa). Water flows through the nozzles of the first group at lower pressures and through the nozzles of the second group at higher pressures.
Es ist zu erwähnen, dass sich der beschriebene Umschalt-Vorgang auf den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Pelton Turbine bezieht. In der eingangs beschriebenen
Optional kann es auch einen Druckbereich geben, bei den Wasser durch alle Düsen, d.h. sowohl durch die Düsen der ersten als auch durch die Düsen der zweiten Gruppe fließt. Das kann bei kleinen Drücken von Vorteil sein. In diesem Fall gibt es einen weiteren vordefinierten Schalt-Druck p1, und die Steuereinrichtung 3 ist so ausgebildet, dass sie folgende Zustände einstellen kann:
Ohne diesen optionalen Druckbereich mit Wasserfluss durch alle Düsen ergeben sich folgende Zustände:
Die erfindungsgemäße Pelton Turbine kann bei höheren Drücken effizienter betrieben werden als eine vergleichbare Pelton Turbine herkömmlicher Bauart, da die Düsen mit kleinerem Durchmesser noch bei kleineren Wasserflüssen und damit höheren Drücken einen Strahl mit guter Qualität bereitstellen können.The Pelton turbine according to the invention can be operated more efficiently at higher pressures than a comparable Pelton turbine of conventional design, since the nozzles with a smaller diameter can provide a jet of good quality even with smaller water flows and thus higher pressures.
Die Erfindung ist nicht auf zwei Düsengruppen beschränkt, d.h. es können im Prinzip so viele Düsengruppen mit Düsen von unterschiedlichen Durchmessern vorliegen, wie es Düsen gibt. In diesen Fällen gibt es mehr als einen Umschalt-Druck, weil dann sukzessive zwischen den Gruppen umgeschaltet wird, d.h. zuerst zwischen der ersten und der zweiten Gruppe, dann zwischen der zweiten und der dritten Gruppe, usw. Es ist dabei klar, dass der Düsen-Durchmesser mit der Gruppennummer abnimmt, d.h. die Düsen der ersten Gruppe haben den größten Durchmesser und die folgenden Gruppen immer kleinere Durchmesser.The invention is not limited to two groups of nozzles, i.e. in principle there can be as many groups of nozzles with nozzles of different diameters as there are nozzles. In these cases there is more than one switching pressure, because then the groups are switched successively, i.e. first between the first and the second group, then between the second and the third group, etc. It is clear that the nozzles -Diameter decreases with the group number, i.e. the nozzles of the first group have the largest diameter and the following groups always have smaller diameters.
Die Auslegung der Düsendurchmesser erfolgt dabei gemäß folgenden Kriterien. Wenn beim Minimaldruck pmin nur die Düsen der ersten Gruppe verwendet werden sollen, dann wird der Durchmesser so gewählt, dass durch die Düsen der ersten Gruppe der zugehörige Wasserfluss bereitgestellt werden kann. Dabei ist der maximal verwendbare Durchmesser durch die Bechergröße des Laufrades nach oben begrenzt. Um den nötigen Wasserfluss unter dieser Randbedingung zu erreichen, kann natürlich die Anzahl der Düsen in der ersten Gruppe mehr als eine Düse betragen. Dann wird der Wasserfluss und damit der zugehörige Druck bestimmt, bis zu welchem die Düsen der ersten Gruppe einen Strahl mit hinreichender Qualität liefern können. Dieser Druck oder ein geringfügig kleinerer Druck wird dann als Umschalt-Druck zwischen der ersten und zweiten Düsengruppe gewählt. Die Düse bzw. Düsen der zweiten Gruppe werden dann so ausgelegt, dass ein Wasserfluss, welcher durch die Düsen der ersten Gruppe in der zum Umschalt-Druck zugehörigen Nadelstellung fließt, durch die Düsen der zweiten Gruppe fließen kann, wenn dieselben vollständig geöffnet sind. Dabei bezieht sich die Bedingung des gleichen Wasserflusses jeweils auf den Umschalt-Druck. Die Düsen der zweiten Gruppe können auch etwas größer ausgelegt werden, um einen gewissen Überlapp zu erzielen. Dann wird der Wasserfluss und damit der zugehörige Druck bestimmt, bis zu welchem die Düse bzw. Düsen der zweiten Gruppe einen Strahl mit hinreichender Qualität liefern können. Wenn dieser Druck bereits den gewünschten maximalen Druck pmax erreicht, dann ist der Auslegungsprozess beendet. Ansonsten werden eine oder mehrere weitere Gruppen nach den beschriebenen Kriterien hinzugefügt.The design of the nozzle diameter is based on the following criteria. If only the nozzles of the first group are to be used at the minimum pressure p min , then the diameter is selected in such a way that the associated water flow can be provided through the nozzles of the first group. The maximum diameter that can be used is limited by the bucket size of the impeller. Of course, in order to achieve the necessary water flow under this boundary condition, the number of nozzles in the first group can be more than one nozzle. Then the water flow and thus the associated pressure is determined, up to which the nozzles of the first group can deliver a jet of sufficient quality. This pressure or a slightly lower pressure is then selected as the switching pressure between the first and second nozzle group. The nozzle or nozzles of the second group are then designed so that a water flow which flows through the nozzles of the first group in the needle position associated with the switching pressure can flow through the nozzles of the second group when they are fully open. The condition of the same water flow always refers to the switchover pressure. The nozzles of the second group can also be made slightly larger in order to achieve a certain overlap. Then the water flow and thus the associated pressure is determined, up to which the nozzle or nozzles of the second group can deliver a jet of sufficient quality. If this pressure has already reached the desired maximum pressure p max , then the design process is over. Otherwise, one or more additional groups are added according to the criteria described.
Wenn beim Minimaldruck pmin alle Düsen verwendet werden sollen, dann können die Durchmesser der Düsen der ersten Gruppe entsprechend kleiner gewählt werden. D.h. im ersten Schritt erfolgt die Auslegung gemäß dem vorhergehenden Abschnitt, und dann werden die Durchmesser der ersten Gruppe reduziert. Die Durchmesser der Düsen der höheren Gruppen können dann meist beibehalten werden, da das nur zu einem etwas größeren Überlapp zwischen der ersten und der zweiten Gruppe führt. If all nozzles are to be used at the minimum pressure p min , then the diameters of the nozzles in the first group can be selected to be correspondingly smaller. That is, in the first step, the design is carried out according to the previous section, and then the diameters of the first group are reduced. The diameters of the nozzles of the higher groups can then mostly be retained, since this only leads to a slightly larger overlap between the first and second group.
Bei der Anwendung der dargelegten Kriterien ergeben sich in manchen Fällen mehrere Möglichkeiten, was die Anzahl der Düsen in den einzelnen Gruppen anbelangt. Der Fachmann kann zwischen diesen Möglichkeiten wählen, indem er die ihm geläufigen allgemein bekannten Kriterien zur Anwendung bringt. Dazu gehören Betrachtungen zur Materialersparnis, Reduktion des Maschinenverschleißes oder bzgl. der Laufruhe der Turbinen in den einzelnen Betriebsbereichen.When applying the criteria presented, in some cases there are several possibilities as far as the number of nozzles in the individual groups is concerned. The person skilled in the art can choose between these possibilities by applying the well-known criteria with which he is familiar. This includes considerations of material savings, reduction of machine wear or with regard to the smooth running of the turbines in the individual operating areas.
Das Umschalten zwischen den Düsen zweier Gruppen bzw. das Zuschalten der Düsen einer Gruppe kann mit Hilfe der Nadeln der betreffenden Düsen erfolgen. Dabei erfolgt die Ansteuerung der Nadeloperationen durch die Steuereinrichtung, ohne dass das im Folgenden eigens erwähnt wird. Für die folgende Beschreibung der Um- und Zuschaltvorgänge wird der Einfachheit halber außerdem von einer Turbine mit nur zwei Gruppen von Düsen ausgegangen. Dabei wird immer von den Düsen der ersten bzw. zweiten Gruppe im Plural gesprochen. Es kann jedoch genau so gut eine oder beide der Gruppen nur eine Düse umfassen.Switching between the nozzles of two groups or switching on the nozzles of a group can be done using the needles of the relevant nozzles. In this case, the needling operations are controlled by the control device, without this being specifically mentioned below. For the sake of simplicity, a turbine with only two groups of nozzles is also assumed for the following description of the switchover and connection processes. The nozzles of the first or second group are always spoken of in the plural. However, one or both of the groups may just as well comprise only one nozzle.
Das Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Gruppe läuft dann beispielsweise folgendermaßen ab. Der Druck nähert sich von unten dem Wert p0. Dabei werden die Düsen der ersten Gruppe mit ihren Nadeln nach und nach geschlossen. Die Düsen der zweiten Gruppe sind währenddessen geschlossen. Beim Druck p0 erreichen die Düsen der ersten Gruppe denjenigen Schließgrad bei dem gerade noch ein Strahl mit ausreichender Qualität erzeugt werden kann. Dann werden die Düsen der ersten Gruppe vollends geschlossen und gleichzeitig die Düsen der zweiten Gruppe so weit wie notwendig geöffnet. Wenn es keinen Überlapp zwischen den beiden Gruppen gibt, bedeutet das, dass die Düsen der zweiten Gruppe ganz geöffnet werden müssen. Bei einem vorhandenen Überlapp werden die Düsen der zweiten Gruppe dann nur beinahe ganz geöffnet. Bei weiter steigendem Druck werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geschlossen. Wenn die Düsen der zweiten Gruppe den Schließgrad erreichen, bei dem gerade noch eine ausreichend hohe Strahlqualität gewährleistet werden kann, dann hat der Druck den maximalen Wert pmax erreicht.Switching between the first and the second group then takes place, for example, as follows. The pressure approaches the value p 0 from below. The nozzles of the first group with their needles are gradually closed. The nozzles of the second group are closed during this time. At pressure p 0 the nozzles of the first group reach the degree of closure at which a jet of sufficient quality can just about be produced. Then the nozzles of the first group are completely closed and at the same time the nozzles of the second group are opened as far as necessary. If there is no overlap between the two groups, it means that the nozzles of the second group must be fully opened. If there is an overlap, the nozzles of the second group are then only opened almost completely. As the pressure continues to rise, the nozzles of the second group are gradually closed further. When the nozzles of the second group reach the degree of closure at which a sufficiently high jet quality can just still be guaranteed, then the pressure has reached the maximum value p max .
Es ist klar, dass der Umschaltvorgang eine gewisse Zeit beansprucht. Dabei tritt gleichzeitig Wasser aus den Düsen beider Gruppen aus. Außerdem ist klar, dass die Düsen beider Gruppen bei dem Umschaltvorgang Bereiche durchfahren, in welchem der emittierte Strahl eine schlechte Qualität aufweist. Daher ist es wünschenswert, dass der Umschaltvorgang möglichst schnell abläuft. Die Gefahr eines Druckstoßes muss allerdings vermieden werden. Da jedoch mit dem Schließen der Düsen der ersten Gruppe ein Öffnen der Düsen der zweiten Gruppe einher geht, ist die Gefahr für einen Druckstoß nicht sehr groß. Im Prinzip wäre es auch denkbar, dass das Schließen der Düsen der ersten Gruppe und das Öffnen der Düsen der zweiten Gruppe nacheinander (in beliebiger Reihenfolge) durchgeführt wird. Das würde dann aber auf jeden Fall mehr Zeit beanspruchen.It is clear that the switching process takes a certain amount of time. At the same time, water emerges from the nozzles of both groups. In addition, it is clear that during the switching process the nozzles of both groups pass through areas in which the emitted jet is of poor quality. It is therefore desirable for the switching process to take place as quickly as possible. However, the risk of a pressure surge must be avoided. However, since the closing of the nozzles in the first group is accompanied by the opening of the nozzles in the second group, the risk of a pressure surge is not very great. In principle, it would also be conceivable for the nozzles in the first group to be closed and the nozzles in the second group to be opened one after the other (in any order). But that would definitely take more time.
Der Umschaltvorgang bei abnehmendem Druck läuft umgekehrt ab. Dabei sind zunächst nur die Düsen der zweiten Gruppe geöffnet. Wenn sich der Druck gegen p0 bewegt, werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geöffnet. Beim Erreichen von p0 sind die Düsen der zweiten Gruppe ganz (kein Überlapp) oder fast ganz (mit Überlapp) geöffnet. Dann werden die Düsen der zweiten Gruppe geschlossen und die Düsen der ersten Gruppe so weit wie notwendig aufgefahren. Die Düsen der ersten Gruppe sind dann so weit geöffnet, dass die Strahlqualität hoch genug ist, um die geforderte Effizienz zu gewährleisten.The switching process with decreasing pressure runs in reverse. Initially, only the nozzles of the second group are open. When the pressure moves towards p 0 , the nozzles of the second group are gradually opened wider. When p 0 is reached, the nozzles of the second group are fully (no overlap) or almost fully (with overlap) open. Then the nozzles of the second group are closed and the nozzles of the first group are opened as far as necessary. The nozzles of the first group are then opened so wide that the jet quality is high enough to ensure the required efficiency.
Eine alternative Beschreibung der genannten Vorgänge kann folgendermaßen erfolgen: Das Verfahren zum Normalbetrieb einer erfindungsgemäßen Pelton Turbine umfasst die folgenden Schritte:
- - Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der Düsen der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im ersten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die Düsen der zweiten Gruppe kein Wasser strömt;
- - Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der Düsen der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im zweiten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die Düsen der ersten Gruppe kein Wasser strömt;
- - Unterbinden des Wasserflusses durch die Düsen der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom ersten vordefinierten Regelparameterbereich in den zweiten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern;
- - Unterbinden des Wasserflusses durch die Düsen der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom zweiten vordefinierten Regelparameterbereich in den ersten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern.
- - controlling the Pelton turbine solely by controlling the nozzles of the first group when the control parameters are in the first predefined control parameter range, with no water flowing through the nozzles of the second group;
- - controlling the Pelton turbine solely by controlling the nozzles of the second group when the control parameters are in the second predefined control parameter range, with no water flowing through the nozzles of the first group;
- - preventing the flow of water through the nozzles of the first group when the control parameters shift from the first predefined control parameter range to the second predefined control parameter range;
- - Stopping the flow of water through the nozzles of the second group when the control parameters shift from the second predefined control parameter range to the first predefined control parameter range.
Das optionale Zuschalten der Düsen der zweiten Gruppe bei niedrigem Druck läuft folgendermaßen ab. Der Druck nähert sich von oben dem Schalt-Druck p1. Die Düsen der ersten Gruppe werden dabei nach und nach geöffnet und erreichen bei p1 die Offenstellung. Nun werden die Düsen der zweiten Gruppe so weit geöffnet, dass die Strahlqualität ausreichend hoch ist, und gleichzeitig werden die Düsen der ersten Gruppe so weit wie notwendig geschlossen (d.h. so weit, dass die Leistung konstant bleibt). Bei weiter sinkendem Druck können entweder die Düsen der ersten Gruppe nach und nach geöffnet werden oder die Düsen der zweiten Gruppe oder die Düsen beider Gruppen simultan. Dabei ist klar, dass die Düsen der jeweiligen Gruppe nur so lange geöffnet werden können, bis sie die Offenstellung erreichen. Wenn alle Düsen die Offenstellung erreicht haben, ist der minimale Druck pmin erreicht.The optional activation of the second group of nozzles at low pressure works as follows. The pressure approaches the switching pressure p 1 from above. The nozzles of the first group are gradually opened and reach the open position at p 1 . Now the nozzles of the second group are opened so far that the jet quality is sufficiently high, and at the same time the nozzles of the first group are closed as far as necessary (ie so far that the power remains constant). If the pressure drops further, either the nozzles of the first group can be opened one after the other, or the nozzles of the second group, or the nozzles of both groups simultaneously. It is clear that the nozzles of the respective group can only be opened until they reach the open position. When all nozzles have reached the open position, the minimum pressure p min has been reached.
Die genannten negativen Umstände beim Um- bzw. Zuschaltvorgang, d.h. dass sich die betreffenden Düsen zeitweilig in Zuständen befinden, in denen die Strahlqualität nicht ausreichend gut ist, lassen sich dadurch umgehen, dass nicht die Nadeln der Düsen für das Um- bzw. Zuschalten verwendet werden, sondern separate Ventile.
Das Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Gruppe läuft in der Ausführungsform gemäß
Der Umschaltvorgang bei abnehmendem Druck läuft umgekehrt ab. Dabei ist zunächst das Ventil 4.2 geöffnet und das Ventil 4.1 geschlossen, d.h. nur durch die Düsen der zweiten Gruppe fließt Wasser. Wenn der Druck sich gegen p0 bewegt, werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geöffnet. Beim Erreichen von p0 sind die Düsen der zweiten Gruppe ganz (kein Überlapp) oder fast ganz (mit Überlapp) geöffnet. Die Düsen der ersten Gruppe befinden sich in demjenigen Schließgrad bei dem gerade noch ein Strahl mit ausreichender Qualität erzeugt werden kann. Dann wird das Ventil 4.2 geschlossen und das Ventil 4.1 geöffnet.The switching process with decreasing pressure runs in reverse. The valve 4.2 is initially open and the valve 4.1 is closed, ie water only flows through the nozzles of the second group. When the pressure moves towards p 0 , the nozzles of the second group are gradually opened wider. When p 0 is reached, the nozzles of the second group are fully (no overlap) or almost fully (with overlap) open. The nozzles of the first group are in the degree of closure at which a jet of sufficient quality can just about be produced. Then valve 4.2 is closed and valve 4.1 is opened.
Aus dem Gesagten ist klar, dass noch vor dem Umschalten der Ventile 4.1 und 4.2 die Düsen, die beim Umschaltvorgang mit Wasser beaufschlagt werden sollen, in die Position gebracht werden, die beim jeweiligen Umschaltvorgang benötigt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass direkt beim Öffnen eines Ventils 4.1 oder 4.2 ein Strahl mit ausreichender Qualität von den betreffenden Düsen erzeugt werden kann. Die Düsen, die beim betreffenden Umschaltvorgang nicht mehr mit Wasser beaufschlagt werden sollen, liefern direkt nach dem Umschalten gar keinen Wasserstrahl mehr, so dass auch diesbezüglich kein Wasserstrahl mit zu geringer Qualität auf das Laufrad trifft.It is clear from what has been said that even before the valves 4.1 and 4.2 are switched over, the nozzles which are to be subjected to water during the switching process are brought into the position which is required for the respective switching process. It can thereby be ensured that a jet of sufficient quality can be generated by the relevant nozzles directly when a valve 4.1 or 4.2 is opened. The nozzles, which should no longer be subjected to water during the switching process in question, no longer deliver any water jet directly after switching, so that in this respect too no water jet of insufficient quality hits the impeller.
Es sei erwähnt, dass in der Ausführungsform gemäß
Eine Pelton Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in Wasserkraftwerken verwendet werden, bei denen die Pegelstände im Oberwasserbecken eine große Variabilität aufweisen. Eine andere vorteilhafte Anwendung stellen Druckluftspeichersysteme dar, bei denen die Energieumwandlung über Wasser erfolgt, das in einer Pelton Turbine beim Entladen des Druckluftspeichers zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird, da in diesem Anwendungsfall der Eingangsdruck der Turbine eine große Bandbreite aufweist.A Pelton turbine according to the present invention can advantageously be used in hydroelectric power plants in which the water levels in the headwater basin exhibit great variability. Another advantageous application is compressed air storage systems, in which the energy conversion takes place via water, which is used in a Pelton turbine when discharging the compressed air storage to generate electrical energy, since in this application the inlet pressure of the turbine has a wide range.
Es ist zu erwähnen, dass es nicht unbedingt notwendig ist, den Eingangsdruck zu messen, um die beschriebenen Betriebsvorgänge auszuführen. Es ist auch möglich, dass der Druck aus anderen Größen abgeleitet wird, z.B. aus Pegelwerten des Oberwasserbeckens oder aus dem Ladezustand des Druckluftspeichers.It should be noted that it is not absolutely necessary to measure the inlet pressure in order to carry out the operations described. It is also possible that the pressure is derived from other variables, e.g.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pelton Turbine ergibt sich durch die Verwendung eines drehzahlvariablen Generators zur Stromerzeugung.
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- LaufradWheel
- 22
- Düsejet
- 2.12.1
- Düse der ersten GruppeNozzle of the first group
- 2.22.2
- Düse der zweiten GruppeNozzle of the second group
- 33
- Steuereinrichtungcontrol device
- 4.14.1
- Ventil der ersten Gruppe von DüsenValve of the first group of nozzles
- 4.24.2
- Ventil der zweiten Gruppe von DüsenValve of the second group of nozzles
- 55
- Generatorgenerator
- 66
- WelleWave
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-
2022
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R020 | Patent grant now final |