DE2424493A1

DE2424493A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der drehzahl eines wasserrades

Info

Publication number: DE2424493A1
Application number: DE2424493A
Authority: DE
Inventors: Seiichi Somiya; Tsuneo Dipl Ing Ueda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1974-05-20
Publication date: 1974-12-05
Also published as: US3891999A; DE2424493C2; JPS506933A; CA994639A; GB1442071A; JPS5314688B2

Description

In einer hydroelektrischen Energieanlage ist üblicherweise eine Druckleitung vorgesehen, um eine große Menge Druckwasser in die Energieanlage einzuführen, und die Strömung des Druckwassers wird durch das öffnen und Schließen von Leitschaufeln bzw. den Schaufeln eines Gitters gesteuert. Die Geschwindigkeit des öffnens oder Schließens der Gitterschaufeln muß außerordentlich sorgfältig und vorsichtig ausgewählt werden, und, wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist, wird unzulässig hoher Druck oder niedriger Druck in der Druckleitung zufolge einer Wasserschlagwirkung erzeugt. Demgemäß wird bei einer vergleichsweise langen Druckleitung eine vergleichsweise niedrige Geschwindigkeit für das öffnen und Schließen der Gitterschaufeln angewendet. Jedoch ist eine solche langsame Betätigung der Gitterschaufeln für die Steperung des Wasserrades nicht vorteilhaft, und es besteht die Möglichkeit, daß unstabiles

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Arbeiten der Steuerung oder ein übermäßiger Anstieg der Drehzahl des Wasserrades hervorgerufen wird.

Um die oben beschriebene Schwierigkeit zu überwinden, wird ein Druckregler in der Energieanlage vorgesehen, der schnell öffnet, wenn die Gitterschaufeln mit hoher Geschwindigkeit geschlossen werden sollen, und der dann unter der Wirkung einer Dämpfungsvorrichtung allmählich schließt. Jedoch wird der Druckregler geschlossen gehalten, wenn die Gitterschaufeln geöffnet sind.

Bei dem Druckregler bekannter Ausführungen besteht die Möglichkeit, daß der Druckregler zu dem Zeitpunkt unwirksam ist, zu welchem die Gitterschaufeln mit hoher Geschwindigkeit geschlossen werden, und zwar zufolge von Schwierigkeiten, die in der Dämpfungsvorrichtung oder in einem Druekmittelverteilungsventil für den Druckregler auftreten. Dies erfordert, daß die Druckleitung unter Berücksichtigung des Gesichtspunktes gestaltet //-erden muß, daß die Druckleitung möglicherweise einem hohen Druck unterworfen wird zufolge Nichtarbeitens des Druckreglers,

so daß der Vorteil, der durch Schaffung eines Druckreglers erhalten wird, stark verringert wird.

, Um die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Ausführung zu beseitigen, ist ein Vorschlag gemacht worden, gemäß welchem für den Druckregler weiterhin ein Servomotor vorgesehen ist, der eine Kapazität oder Leistung hat, die im wesentlichen gleich der Kapazität oder Leistung des Servomotors für die Gitterschaufeln ist. Der Hilfsservomotor und der Servomotor für die Gitterschaufeln sind über Rohrleitungen miteinander verbunden, und beim normalen Arbeiten des Wasserrades werden die Gitterschaufeln mit niedriger Geschwindigkeit geöffnet oder geschlossen, während der Druckregler vollständig geschlossen ist. Wenn jedoch die Gitterschaufeln mit hoher Geschwindigkeit geschlossen werden sollen, wird der Druckregler schnell geöffnet, und das schnelle öffnen des Druckreglers wird über den Hilfsservo-

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motor und die Rohrleitungen auf den Servomotor der Gitterschaufeln übertragen, so daß die Gitterschaufeln mit hoher Geschwindigkeit geschlossen werden.

Gemäß diesem Vorschlag muß jedoch das Wasserrad immer im Lastbegrenzungszustand betrieben werden, wodurch die Drehzahlregelfunktion der Steuerung beeinträchtigt wird. Solche Merkmale sind selbstverständlich für den Betrieb eines elektrischen Strom erzeugenden Kraftwerkes nicht erwünscht, und das Arbeiten der einzelnen Energieanlage unter Vollast ist dadurch unmöglich gemacht.

Die Erfindung bezweckt, alle Schwierigkeiten bei bekannten Vorrichtungen und bei bekannten Vorschlägen zu überwinden. Gemäß der Erfindung werden die Gitterschaufeln immer dann mit hoher Geschwindigkeit geschlossen oder geöffnet, wenn der Druckregler schnell geöffnet oder geschlossen wird, wodurch nicht nur die Herstellungskosten der hydroelektrischen Energieanlage verringert werden und das Arbeiten der Energieanlage stabilisiert wird, sondern auch ein° freies Laufen des Wasserrades unter dem Einfluß der Steuerung möglich gemacht ist.

Ein Hilfsservomotor mit einer Kapazität im wesentlichen gleich der Kapazität des Servomotors für die Gitterschaufeln ist für den Druckregler vorgesehen. Der Hilfsservomotor für den Druckregler und der Servomotor für die Gitterschaufeln sind über Rohrleitungen miteinander verbunden. Der Druckregler und eine Steuerung für das Wasserrad werden durch die Einstellungen eines Hilfsservomotors für die Steuerung und des Servomotors für die Gitterschaufeln gesteuert. Die Gitterschaufeln werden im übrigen durch den Unterschied zwischen der Öffnungsstellung des Druckreglers und der eingestellten Stellung oder Sollstellung eines Lastbegrenzers für das Wasserrad gesteuert, wodurch zum Zeitpunkt des freien Laufens des Wasserrades unter dem Einfluß der Steuerung, die Gitterschaufeln bei Ansprechen auf das öffnen und Schließen des Druckreglers betätigt

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werden, um dadurch irgendeine Änderung der Geschwindigkeit der Wasserströmung in einer Druckleitung zu unterdrücken, wobei zum Zeitpunkt des Arbeitens des Lastbegrenzers des Wasserrades der Druckregler vollständig geschlossen ist, um unwirksamen Wasserfluß zu minimieren.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der einzigen Figur der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Die einzige Figur ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

In der Zeichnung bezeichnen 1 einen Ventilkörper bzw. ein Ventilglied des Druckreglers, 2 einen Servomotor für den Druckregler zur Betätigung des Ventilgliedes 1, und J> eine*~ Hilfsservomotor für den Druckregler. Die Kapazität des Hilfsservomotors 3 für den Druckregler ist viol kleiner als die Kapazität des Druckreglerservomotors 2, jedoch ist sie im wesentlichen gleich der Kapazität eines nachstehend beschriebenen Servomotors für die Gitterschaufeln. Der Kolben des Druckreglerservomotors 2 und der Kolben des Hilfsservomotors 3 sind starr miteinander verbunden. Mit 5 ist ein Druckmittelverteilungsventil für den Druckreglerservomotor 2 bezeichnet. Mit 6 ist ein Rückführnocken bezeich net, der an der Kolbenstange 7 des Servomotors 2 vorgesehen ist. Mit 8 ist ein Servomotor zum Betätigen der nicht' dargestellten Gitterschaufeln bezeichnet, und dieser Servomotor 8 ist über Rohrleitungen 9 mit dem Hilfsservomotor j5 verbunden. Mit Io ist ein Hauptverteilungsventil bezeichnet zum Steuern des Gitterschaufelservomotors 8, und mit 11 ist ein RUckführnocken bezeichnet, der an der Kolbenstange 12 des Gitterschaufelservomotors 8 vorgesehen ist.

Mit 13 ist ein Hilfsservomotor der Steuerung bezeichnet, und mit 14 ist ein Primärverteilungsventil bezeichnet zum Steuern des Hilfsservomotors IJ. Das Ventil wird von einem Drehzahldetektor 15 und einem Lastbegrenzer l6 über Lenker bzw. Gestänge 17, 18 und 19 gesteuert. Der Lastbegrenzer l6 umfaßt einen Elektromotor 2o, ein Schnecken^ rad 21 und eine schneckengetriebene Mutter 22.

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Bewegung des Druckreglerservomotors 2 wird über den Rückführnocken 6 und Lenker 23 bis 28 auf das Hauptverteilungsventil. Io für den Gitterschaufelservomotor 8 übertragen. Bewegung der schneckengetriebenen Mutter 22 im Lastbegrenzer 16 wird über die Lenker 26 bis 28 ebenfalls auf das Hauptverteilungsventil Io für den Gitterschaufelservomotor 8 übertragen. V/eiterhin wird Bewegung des Gitterschaufelservomotors 8 über den Rückführnocken 11 und Lenker 29 bis 52 auf das Druckreglerverteilungsventil 5 übertragen. Gemäß der Zeichnung ist eine Strömungsdrossel vorgesehen, um die Geschwindigkeit des öffnens oder Schließens des Druckreglerservomotors 2 zu bestimmen. Strömungsdrosseln 36 und 57 sind vorgesehen, um die Geschwindigkeit des öffnens oder Schließens der Gitterschaufeln einzustellen. Mit diesen Strömungsdrosseln ist die Periode des öffnens oder Schließens der Gitterschaufeln so eingestellt, daß sie mehr als das Zehnfache der Periode des Öffnens und Schließens des Druckreglers 2 beträgt und etwas kürzer ist als die Periode des öffnens oder Schließens des Lastbegrenzers 16.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung zum Steuern des Wasserrades gemäß der Erfindung wird nachstehend beschrieben.

Es sei angenommen, daß die Bewegung des Steuerungshilfsservomotors 15 gemäß dem Pfeil A erfolgt, die Bewegung , des Druckreglerservomotors 2 gemäß dem Pfeil B erfolgt, die eingestellte Stellung bzw. Sollstellung des Lastbegrenzers C entspricht, die Bewegung des Gitterschaufelservomotors 8 gemäß dem Pfeil D verläuft, und daß die den Pfeilen A,B,G und D zugeordneten Pfeilmarkierungen die Richtungen anzeigen, in welcher loo^iges öffnen der betreffenden Einrichtung erhalten wird. Es wird ein Verhältnis von A=D aufrechterhalten, weil diese Bewegungen A und D dem Druckmittelverteilungsventil 5 für den Druckreglerservomotor 2 gleichzeitig erteilt werden. Da weiterhin der Unterschied zwischen der Bewegung C des Lastbegrenzers 16 und der Bewegung B des Druckreglerservo-

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motors 2 (d.h. C-B) als Steuerwert dem Gitterschaufelverteilungsventil Io erteilt wird, wird das Verhältnis D=C-B erhalten. Durch Einsetzen in die Gleichung A=D wird erhalten: B=C - A.

Zum Zeitpunkt der Lastbegrenzung des Wasserrades wird nur die Bewegung C des Lastbegrenzers.l6 als Steuerwert über die Lenker 17 bis 19 an das Primärverteilungsventil 14 für die Steuerung gegeben, so daß erhalten wird: C=A. Aus dieser Gleichung und der obigen Gleichung B=C-A wird erhalten: B=O. Dies bedeutet, daß der Druckregler während der Lastbegrenzung bzw. des Arbeitens des Wasserrades mit Lastbegrenzung immer geschlossen ist, so daß überflüssige Wasserströmung durch den Druckregler hindurch verhindert werden kann. Bei dieser Arbeitsweise kann irgendein übermäßiger Druckanstieg in der Druckleitung in der Druckleitung durch langsames öffnen oder Schließen des Lastbegrenzers verhindert werden.

Zum Zeitpunkt des freien Laufens des Wasserrades unter der Wirkung der Steuerung, wenn der Lastbegrenzer 16 in eine Stellung C eingestellt ist entsprechend einer viel größeren Last als derjenigen, die erwartet wird, wird an das Primärverteilungsventil 14 der Steuerung nur ein Befehlswert oder Steuerwert von dem Drehzahldetektor 15 angelegt. Demgemäß kann A nicht gleich C sein, und der Druckr- , ler 2 öffnet das Ventilglied 1 schnell, um Wasser in einer Menge entsprechend C-A abzugeben.

Andererseits ist die Bewegung des Gitterschaufelservomotors 8, der mit.dem Druckregler 2 über den Hilfsservomotor J> und die Rohrleitungen 9 verbunden ist, gleich A, und dies bedeutet, daß eine Wassermenge entsprechend A durch die Gitterschaufeln zu dem Wasserrad fließt. Wenn angenommen wird, daß die durch die Gitterschaufeln fließende Wassermenge und die durch das Druckregelventil 1 fließende Wassermenge zum Zeitpunkt loo ;^iger öffnung der Gitterschaufeln und des Druckregelventils 1 einander gleich sind, wird die Summe der durch das Wasserrad und das Druckregelventil 1 fließenden

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Wassermenge auf einem Wert entsprechend C gehalten, so daß demgemäß- der Druckanstieg in der Druckleitung minimiert werden kann.

Gemäß der Erfindung sind auf die beschriebene Weise ein Arbeiten mit Lastbegrenzung und ein freies Laufen des Wasserrades unter dem Einfluß der Steuerung möglich gemacht. Da weiterhin der Hilfsservomotor 8 und der Hilfsservomotor 3 über die Rohrleitungen 9 miteinander verbunden sind, und die Periode des öffnens und Schließens der Gitterschaufeln durch verengte Teile des Hauptverteilungsventils Io so eingestellt ist, daß sie etwa zehnmal so lang wie die Periode des öffnens und Schließens des Druckreglers 2 ist, können die Gitterschaufeln mit dem Druckregler 2 sicher zusammenarbeiten, und zwar unabhängig von dem schnellen öffnen oder Schließen des Druckreglers 2 und irgendeinem möglichen Versagen des Hauptverteilungsventils für die Gitterschaufeln. Aus diesem Grunde kann die Verzögerungszeit für das Arbeiten der Gitterschaufeln gegenüber dem Arbeiten des Druckreglers 2 minimiert werden, und der Druckanstieg in der Druckleitung kann sicher auf einem minimalen Wert gehalten werden.

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Claims

Patentansprüche

ΊJ Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Wasserrades, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Wasserrades festgestellt wird, bei Ansprechen auf die Drehzahl des Wasserrades ein Steuerungshilfsservomotor betätigt wird, die eingestellte Stellung einer Lastbegrenzungseinrichtung festgestellt wird, ein Druckregler betätigt wird durch den Unterschied zwischen der Stellung des Steuerungshilfsservomotors und der Stellung eines Gitterschaufelservomotors, und daß die Gitterschaufeln betätigt werden durch den Unterschied zwischen der Stellung des Druckreglers und der eingestellten Stellung der Lastbegrenzungseinrichtung.
2. Vorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines Wasserrades, mit einer Druckleitung, welche Wasserströmung zu einem Wasserrad einer Energieerzeugungsanlage richtet, mit dem Wasserrad vorgeschalteten liitterschaufeln, die zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bewegbar, sind, und mit einer Druckregeleinrichtung zum Steuern des Wasserdrucks in der Druckleitung, gekennzeichnet durch eine erste Betätigungseinrichtung (8), die mit den Gitterschaufeln verbunden ist, um diese wahlweise zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung zu bewegen, eine zweite Betätigungseinrichtung (2), die mit der Druckregeleinrichtung (Ventilglied 1)verbunden ist, um den Druck in der Druckleitung wahlweise zu regeln, eine dritte Betätigungseinrichtung (3), die mit der zweiten Betätigungseinrichtung (2) und (über 9) mit der ersten Betätigungseinrichtung (8) verbunden ist, eine Einrichtung zum Steuern der ersten und der zweiten Betätigungseinrichtung bei Ansprechen auf die Belastung oder die Drehzahl des Wasserrades, und durch eine Verbindungseinrichtung, welche die erste Betätigungseinrichtung (8) und die zweite Betätigungseinrichtung (2) miteinander und mit der Steuer-

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einrichtung derart verbindet, daß, wenn die Geschwindigkeit des Schließens der Gitterschaufeln einen vorbestimmten Wert überschreitet, die Druckregeleinrichtung (Ventilglied 1) geöffnet wird, um den in der Druckleitung aufgebauten Druck zu verringern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betätigungseinrichtung einen hydraulischen Servomotor (8), der mit den Gitterschaufeln mechanisch verbunden ist, um diese zu öffnen und zu schließen, ein Steuerventil (lo), welches mit dem hydraulischen Servomotor (8) hydraulisch verbunden ist, um dessen Bewegung zu steuern und welches mit der Verbindungseinrichtung mechanisch verbunden ist, und eine Leitungseinrichtung (9) aufweist, welche den hydraulischen Servomotor mit der dritten Betätigungseinrichtung (5) verbindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch j5> dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung zwischen dem hydraulischen Servomotor (8) und den Gitterschaufeln weiterhin (über 11) mit der Verbindungseinrichtung verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Betätigungseinrichtung einen hydraulischen Servomotor (2), der mit der Druckregeleinrichtung (Ventilglied 1) mechanisch verbunden ist, und ein Verteilungsventil (5) aufweist, welches mit dem hydraulischen Servomotor (2) hydraulisch verbunden ist, um dessen Bewegung zu steuern, und welches mit der Verbindungseinrichtung mechanisch verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5.» dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung (7) zwischen dem hydraulischen Servomotor (2) und der Druckregeleinrichtung (Ventilglied 1) weiterhin (über 6) mit der Verbindungseinrichtung verbunden ist.
7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Betätigungsein-

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richtung (j5) einen hydraulischen Servomotor aufweist, der mit der zweiten Betätigungseinrichtung (2) mechanisch, und mit der ersten Betätigungseinrichtung (8) hydraulisch verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Lastbegrenzungseinrichtung (l6) zum Steuern der an das Wasserrad angelegten Belastung, eine Drehzahlfeststelleinriehtung (15) zum Peststellen der Drehzahl des Wasserrades, einen hydraulischen Hilfsservomotor (IjJ)* dessen Ausgangswelle mit der Verbindungseinrichtung mechanisch verbunden ist, und ein Primärverteilungsventil (14) aufweist, welches mit der Lastbegrenzungseinrichtung (l6) und der Drehzahlfeststeileinrichtung (15) mechanisch und mit dem hydraulischen Hilfsservomotor (13) hydraulisch verbunden ist, um die Stellung dieses Hilfsservomotors bei Ansprechen auf die Ausgänge der Lastbegrenzungseinrichtung und der Drehzahlfeststelleinrichtung zu steuern.

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