DE1243119B - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer umsteuerbaren Stroemungsmaschine fuer Fluessigkeiten, insbesondere einer Pumpenturbine - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer umsteuerbaren Strömungsmaschine für Flüssigkeiten, insbesondere einer Pumpenturbine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zumBetriebeiner umsteuerbarenStrömungsmaschine für Flüssigkeiten, insbesondere einer Pumpenturbine, mit verschwenkbaren Leitschaufeln ohne überdeckung, die von einem Verstellbereich mit positiven Schaufelöffnungswinkeln (Winkel zwischen den geöffneten Stellungen und der Schließstellung der Leitschaufeln) auch auf negative Schaufelöffnungswinkel durchschwenkbar sind. Bei Strömungsmaschinen mit verschwenkbaren Leitschaufeln ohne Überdeckung ist es bereits bekannt, letztere von positiven öffnungswinkeln auf negative öffnungswinkel durchzuschwenken (als öffnungswinkel werden hierbei die spitzen Winkel zwischen der geschlossenen und den jeweils offenen Leitschaufelstellungen bezeichnet), um eine Drehrichtungsumkehr des Laufrades zu erzielen. Dieses Verfahren konnte sich aber für ein ohne Unterbrechung der Strömung erfolgendes Umsteuern von flüssigkeitsbeaufschlagten Maschinen der genannten Art, beispielsweise an Wasserturbinen, bislang nicht durchsetzen, da sich infolge der großen Änderung der Strömungsrichtungen während des Umsteuervor ' ganges und der damit verbundenen unstabilen Strömungsverhältnisse starke Erschütterungen und Geräusche einstellen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, bei derartigen Maschinen diese Erschütterungen und Geräusche zu vermeiden.
• Erfindungsgemäß wird daher für derart umsteuerbare Strömungsmaschinen für Flüssigkeiten ein Betriebsverfahren vorgeschlagen, bei dem während des Durchschwenkvorganges der Leitschaufeln von positiven öffnungswinkeln auf negative öffnungswinkel und/oder umgekehrt der in Strömungsrichtung vor dem Laufrad befindlichen Strömung Luft zugeführt wird. Zweckmäßiaerweise erfolgt dieses Luftzuführen entweder durch mehrere oder alle Leitschaufeln oder in einem stromaufwärts der Leitschaufeln vorgesehenes Spiralgehäuse oder aber durch den Gehäusedeckel, z. B. durch den Turbinendeckel einer Wasserturbine.
• Diese nur während des Umsteuervorganges erfolgende Luftzufuhr mindert wegen des zeitlich nur sehr geringen Umfanges den Gesamtwirkungsgrad der flüssigkeitsbeaufschlaggten Strömungsmaschine nicht, macht aber ein ohne Strömungsunterbrechung erfolgendes Umsteuern durch Leitschaufel-Verschwenken, insbesondere bei Wasserturbinen, erst praktisch brauchbar, indem die sonst auftretenden Erschütterungen und Geräusche weitgehend vermieden werden.
• Besonders vorteilhaft eignet sich dieses Verfahren zum Betrieb von umkehrbaren Pumpenturbinen, da hierbei beim übergang von Turbinen- auf Pumpenbetrieb das Laufrad auf eine entgegengesetzte Drehrichtung gebracht werden muß. Bei einer solchen Pumpenturbine wird nach einer Weiterbildung der Erfindung für das Umschalten von Turbinen- auf Pumpenbetrieb zuerst durch Durchschwenken der Leitschaufeln gemäß dem vorgenannten Verfahren von Vorwärts-Turbinenbetrieb auf Rückwärts-Turbinenbetrieb umgesteuert und anschließend die Laufraddrehzahl durch Fremdantrieb auf die Pumpen-Nenndrehzahl erhöht. Infolge des Durchschwenkens der Leitschaufeln auf negative öffnungswinkel bremst sich dasTurbinenlaufrad in derVorwärtsdrehrichtung schnell selbst ab und beschleunigt sich sofort in der entgegengesetzten Drehrichtung, so daß der Fremdantrieb ledialich die verhältnismäßig geringe Drehzahldifferenz zwischen der durch die Turbine selbst erreichbaren höchsten Rückwärts-Drehzahl und der Pumpen-Nenndrehzahl zu überbrücken braucht. Bisher erfolgte g dieses Umschalten umständlicher und zeitraubender derart, daß zuerst die Turbine im Vorwärtsbetrieb durch eine gesonderte Bremse bis auf Null abgebremst und hierauf durch den Fremdantrieb (Elektromotor oder besondere Anwurfturbine) von Null bis auf die Pumpendrehzahl hochgefahren werden mußte.
• Die zum Durchführen der vorgenannten Verfahren dienende Einrichtung zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit überdeckungslosen und von einem Verstellbereich mit positiven Schaufelöffnungswinkeln auf negative Öffnungswinkel durchschwenkbaren Leitschaufeln wird zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der stromaufwärts des Laufrades befindliche Strömun-Skanal eine Luftzuführung mit Absperrorgan aufweist und daß letzteres mit der Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln derart in Steuerverbinduno, steht, daß das Absperrorgan bei den dem übergangsbereich zwischen den positiven und negativen öffnungswinkeln entsprechenden Leitschaufelstellungen geöffnet ist. Auf diese Weise werden Fehlschaltunaen vermieden und das Bedienungspersonal in seiner Aufmerksamkeit entlastet.
• Das Zuführen von Luft in die Strömung einer Wasserturbine im Bereich hinter dem Laufrad oder ai den Leitschaufeln ist wohl an sich schon bekannt, jedoch zu einem anderen Zwecke, nämlich um die im normalen Dauerbetrieb bei Teil- oder überlast im Saugrohr entstehenden Druckschwankungen zu dämpfen sowie eine rotationsbehaftete Laufrad-Abströmung zu vermeiden oder zu mindern. Auch der Ort dieser Störquellen ist ein anderer wie beim Gegenstand der Erfindung, denn die erfindungsgemäßen Maßnahmen sollen insbesondere im Bereich der Leit-und Laufradbeschaufelungen wirksam sein. Des weiteren darf bei den bekannten Ausführungen die Luftzufuhr nur gering sein, damit der Wirkungsgrad der Turbine nicht allzusehr verschlechtert wird. Gemäß der Erfindung ist dagegen eine weit stärkere Dosierun 'g der Luftzufuhr zulässig, da diese nur während eines kurzen übergangsbetriebes erfolgt.
• Bei einer anderen vorbekannten Turbinenausführung wird ebenfalls dauernd Luft in die Wasserströmung eingeführt, und zwar zum Zwecke einer Belüftun- des Flußwassers und der Beschleunigung der biologischen Wasserreinigung. Diese Art der Luftzufuhr hat offensichtlich überhaupt keinen Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
• Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung an dem Ausführungsbeispiel einer Pumpenturbine erläutert. Hierbei zeigt F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine vertikalachsige Pumpenturbine und F i g. 2 einen etwa horizontalen Schnitt durch die Schaufelungen.
• Das Laufrad 1 der in der Drehrichtung umkehrbaren Pumpenturbine weist im wesentlichen radial durchströmte Laufradschaufeln 2 auf und treibt bei normalem Turbinenbetrieb - also bei Vorwärts-Drehrichtung - über die Welle 3 den elektrischen Generator 4 an. Die Leitschaufeln 5 sind mit Hilfe der verlängerten Schaufelzapfen 6 und der Schaufelhebel 7 verschwenkbar. Diese Hebel 7 sind über eine Stange 8 und den Hebel 9 mit einem Absperrorgan 10 (hier als Drehschieber ausgebildet) bewegungsabhän-gig gekuppelt. Der Drehschieber 10 steuert die Luftzufuhr von dem stets mit Druckluft gefüllten Windkessel 11 über die Leitungsteile 12 a und 12 b in das Spiralgehäuse 13 der Pumpenturbine. Abweichend davon könnte die Luftzufuhr in die Wasserströmung auch über die Leitungen 12 a, 12 b und 14 an einer Stelle des Turbinendeckels 15 oder über die Leitungen 12 a und 16 an den Leitschaufeln 5 erfolgen.
• Der Horizontalschnitt nach F i g. 2 zeigt außer den Laufradschaufeln 2 und den verschwenkbaren Leitschaufeln 5 noch die letzteren benachbarten ortsfesten Stützschaufeln (Traversen) 17. Bei normalem Turbinenbetrieb und gemäß Pfeil 21 in Vorwärtsdrehrichtung rotierendem Laufrad strömt das Wasser in Richtung des Pfeiles 18 zu, ferner werden dann alle Leitschaufeln 5 innerhalb des Bereiches 19 bis 20 mit positiven öffnungswinkeln L# um etwa 20 bis 25' verschwenkbar (gezeichnete Stellung), und zwar entsprechend der gewünschten Wasserdurchflußmenge.
• Um auf Pumpenbetrieb überzugehen, werden die Leitschaufeln 5 über die geschlossene Stellung5" hinaus in die strichpunktiert gezeichnete Stellung 5' mit ne-ativem öffnun swink-elx verschwenkt (Winkelein-C 9 stellung 22), so daß infolge der sich ändernden Strömungsverhältnisse die Laufradschaufeln 2 und das Laufrad 1 zuerst bis auf Null abgebremst und anschließend in der entgegengesetzten Richtung 23 beschleunigt werden. Bei diesem Umsteuem treten im Bereich der Leit- und Laufradschaufelungen 5 bzw. 2 sehr starke Strömungsänderungen und als Folge davon unstabile Strömungsverhältnisse, Erschütterungen und Geräusche auf, die bisher unter Umständen ein derartiges Umsteuern unmöglich machten. Durch die während dieser Zeit durch die Leitungen 12 a, 12 b bzw. 12 a, 12 b, 14 oder 12 a und 16 in die Strömung eingeführte Luft werden diese Schwierigkeiten vermieden.
• Sobald das Laufrad 1 etwa die höchste Rückwärtsdrehzahl (in Drehrichtung 23) im Eigenbetrieb erreicht hat - diese Drehzahl liegt in der Regel bei etwa 80 % der Pumpennenndrehzahl und darüber, je nach Pumpentyp -, wird auf Fremdantrieb umgeschaltet, und das Laufrad 1 bis auf die Pumpennenndrehzahl hochgefahren. Außerdem werden nunmehr die Leitschaufeln wieder in die Arbeitsstellung 5 zurückgeschwenkt, in der sie bei dem nun folgenden Pumpenbetrieb mit einer Flüssigkeitsströmung gemäß Pfeil 24 verbleiben. Nach diesem Umsteuern wird die Luftzufuhr durch die Leitungen 12 a, 12 b, 14 und 16 wieder abgesperrt, da sie während des normalen Pumpen- und Turbinenbetriebs nicht erforderlich ist und während dieser Betriebszeiten den Wirkungsgrad der Anlage verschlechtem würde. Um hiervon abweichende wirkungsgradmindemde Fehlschaltungen in der Luftzuführung sicher zu verhindem, sind die Hebel 7 der Leitschaufel-Verstelleinrichtung derart über die Stange 8 mit dem Hebel 9 am Drehschieber 10 gekuppelt, daß die Luftleitungen 12 a, 12 b, 14 und 16 bei den Leitschaufelstellungen im Winkelbereich zwischen 19 und 20 geschlossen sind (dies entspricht dem normalen Turbinen-Vorwärtsbetrieb und dem normalen Pumpenbetrieb) und in dem Leitschaufel-Verstellbereich zwischen 20 bis 22 - der dem Umsteuervorgang von Vorwärts- auf Rückwärts-Turbinenbetrieb und von diesem auf Pumpenbetrieb entspricht - geöffnet sind.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine für Flüssigkeiten, insbesondere einer Pumpenturbine, mit verschwenkbaren Leitschaufeln ohne überdeckung, die von einem Verstellbereich mit positiven Schaufelöffnungswinkeln (Winkel zwischen den geöffneten Stellungen und der Schließstellung der Leitschaufeln) auch auf negative Schaufelöffnungswinkel durchschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß während des Durchschwenkvorganges der Leitschaufeln (5) von positiven 19, 20, + ec) auf negative öffnungswilikel (22, -,x) und/oder umgekehrt der in Strömungsrichtung vor dem Laufrad (1, 2) befindlichen Strömung Luft zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch mehrere oder alle Leitschaufeln (5) zugeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in ein stromauf-wärts der Leitschaufeln (5) vorgesehenes Spiralgehäuse (13) zugeführt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch den Gehäusedeckel (Turbinendeckel 15) zugeführt wird. 5. Verfahren zum Betrieb einer umkehrbaren Pumpenturbine, dadurch gekennzeichnet, daß für das Umschalten von Turbinen- auf Pumpenbetrieb zuerst die Pumpenturbine durch Leitschaufel-Durchschwenken gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 vor Vorwärts-Turbinenbetrieb auf Rückwärts-Turbinenbetrieb umgesteuert wird und daß anschließend die Laufraddrehzahl durch Fremdantrieb auf die Pumpen-Nenndrehzahl erhöht wird. 6. Einrichtung zum Betrieb einer umsteuerbaren Strömungsmaschine für Flüssigkeiten, insbesondere Pumpenturbine, zum Durchführen der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, mit Leitschaufeln ohne überdeckung, die von einem VersteRbereich mit positiven Schaufelöffnungswinkeln auch auf neaative Schaufelöffnun-Swinkel durchschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet daß der stromaufwärts des Laufrades (1, 2) befindliche Strömun-skanal eine Luftzuführun-(12a, 12b, 14, 16) mit einem Absperrorgan (10) aufweist und daß dieses Absperrorgan (10) mit der Verstelleinrichtunor (6, 7) für die Leitschaufeln (5) derart in Steuerverbindunor J (8, 9) steht, daß es bei den dem übergangsbereich (Winkelbereich 20 bis 22) zwischen den positiven und negativen öffnungswinkeln entsprechenden Leitschaufelstellun-en geöffnet ist. C In Betracht ' g' ezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 5111873 französische Patentschrift Nr. 1118 914; britische Patentschrift Nr. 884 987.