DE2904410C2

DE2904410C2 -

Info

Publication number: DE2904410C2
Application number: DE2904410A
Authority: DE
Inventors: Sachio Tsunoda; Masaharu Yokohama Jp Nonaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1979-02-06
Publication date: 1988-08-04
Also published as: JPS6229638B2; CH639176A5; DE2904410A1; JPS54108143A; US4255078A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Öffnungs grade der Leitschaufeln einer mehrstufigen Turbine mit mehreren, durch Rückführleitungen miteinander verbundenen Stufen, wobei die Laufräder der verschiedenen Stufen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.

Es ist ein Drehzahlregler für eine Turbine bekannt (DE-OS 21 63 012), bei welchem eine Einrichtung zur fortlaufenden Berechnung des Wasserdruckes in der Turbinenleitung und eine in Abhängigkeit von der berechneten Größe beeinflußte Stell vorrichtung für die Leitschaufeln vorgesehen sind. Über die Öffnungsgrade der Leitschaufeln verschiedener Druckstufen enthält die Druckschrift keine Angaben.

Es ist auch eine zweistufige Turbine bekannt (DE-OS 16 28 092), bei welcher die Stufen durch Rückführleitungen miteinander verbunden sind. Bei einer abnormalen Bedingung werden die Leit schaufeln geschlossen. Da hier die Leitschaufeln der Hoch druckstufe und der Niederdruckstufe auf einer gemeinsamen Welle übereinander angeordnet sind und von einem gemeinsa men Stellantrieb betätigt werden, ist der Öffnungsgrad der Leitschaufeln beider Druckstufen immer gleich. In Fig. 1 ist als ein Beispiel eine zweistufige Francis-Turbine gezeigt.

Wenn die in Fig. 1 dargestellte zweistufige Francis-Pumpen turbine als Turbine betrieben wird, wird das durch ein Druck rohr 7 in das Gehäuse 6 fließende Wasser durch Leitschaufeln 4, ein Laufrad 3 einer Hochdruckstufe, Leitschaufeln 2 und ein Laufrad 1 einer Niederdruckstufe in einen Überlauf 8 ge leitet.

Für den Fall, daß während des Turbinenbetriebes eine abnormale Bedingung auftritt, wie eine Lastunterbrechung, oder für den Fall, daß der Betrieb aus Betriebsgründen gestoppt wird, die Turbinendrehzahl also verringert werden muß, werden die Leit schaufeln schnell vollständig oder bis auf eine geringe Öff nung geschlossen. Wenn die Öffnung der Leitschaufeln verringert wird, wird auch die Strömungsmenge des Wassers verringert, wodurch in dem Druckrohr 7 ein Druckstoß hervorgerufen wird. Eine abnormal große Veränderung des Wasserdruckes kann die Turbine beschädigen. Um dies zu verhindern und die hydrau lische Maschine sicher zu betreiben, ist es erforderlich, die Öffnung der Leitschaufeln zu kontrollieren, insbesondere die Leitschaufeln einer mehrstufigen Turbine, die mehrere Stu fen enthält, die miteinander durch Rückführleitungen verbunden sind.

Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur genauen Steuerung der Leitschaufeln.

Die Arbeitsweise einer mehrstufigen Turbine wird nunmehr in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben.

Allgemein ist der Durchmesser der Strömungsdurchgänge der mehrstufigen hydraulischen Maschine an den Teilen, die mit Leitschaufeln versehen sind, am geringsten, weshalb das Wasser die Leitschaufeln mit höchster Geschwindigkeit durch setzt. Infolgedessen wird bei einer mehrstufigen hydrauli schen Francis-Turbine (Fig. 1), in welcher die Strömungs durchgänge der jeweiligen Stufe durch Rückführleitungen 5 miteinander verbunden sind, die Strömungsmenge des Wassers hauptsächlich durch die Leitschaufeln mit kleinerem Öffnungs grad beeinflußt und gesteuert, wenn es notwendig ist, die Öffnungsgrade der Leitschaufeln 4 und 2, die verschiedene Öffnungsgrade haben, zu steuern. Wenn, wie oben beschrieben, die Strömungsmenge durch Steuerung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln 4 schnell geändert wird, wird in dem Druckrohr 7 aufgrund der Wasserdruckstoßwirkung der Druck verändert, und es schreitet diese Druckänderung bis zum Wasserdurchlaß der Hochdruckstufe fort, die mit dem Druckrohr in Verbindung steht. In diesem Falle wird die durch die Druckänderung in dem Druckrohr 7 hervorgerufene Druckwelle hauptsächlich durch die Stufe reflektiert, in welcher die Leitschaufeln den gering sten Öffnungsgrad haben, und es pflanzt sich der größte Teil der reflektierten Druckwelle zum Wasserdurchlaß an der strom aufwärts gelegenen Seite der Leitschaufeln fort, während die Druckwelle sich kaum zu den Wasserdurchlässen auf der stromab wärts gelegenen Seite fortpflanzt. Es wird somit das Gefüge der Durchgänge stromaufwärts der Leitschaufeln durch die re flektierte Druckwelle schwer beaufschlagt, während der Durch gang stromabwärts nicht so schwer beeinträchtigt wird.

Infolgedessen wird bei einer Turbine, wenn es notwendig ist, der Öffnungsgrad der Leitschaufeln bei einer Unterbrechung, die während des Betriebes der Turbine oder beim Betriebsstop auf tritt, der Einfluß der Wasserdruckänderung auf den Strömungs durchgang der Turbine, d. h. die Sicherheit des Strömungsdurch ganges der Turbine, durch das Verfahren zur Steuerung der Leitschaufeln der jeweiligen Stufen der mehrstufigen hydrau lischen Turbine bestimmt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, durch das die Leitschaufeln der verschiedenen Druckstufen unabhängig gesteuert werden kön nen, wodurch eine notwendige Verringerung der Drehzahl der Turbine weich stabilisiert werden kann.

Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Hierdurch wird die Turbine sicher vor unzulässigen Druck stößen geschützt. Da die Leitschaufeln der Stufe mit niedri gerem Druck nicht vollständig geschlossen werden, sind sie gegen Beschädigungen durch Fremdkörper geschützt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung kann durch unabhängige Steuerung der Leit schaufeln der Stufe mit niedrigerem Druck, die stets auf einem Öffnungsgrad gehalten werden, der größer ist als derje nige der Leitschaufeln der Stufe mit höherem Druck, das hy draulische Drehmoment des Läufers der Stufe mit niedrigerem Druck durch Änderung der Wasserströmungsbedingung, wie der Strömungswinkel in der Stufe mit niedrigerem Druck, jedoch ohne wesentliche Änderung der Strömungsmenge, unabhängig ge ändert werden. Insbesondere bei einem vorübergehenden Betrieb, wie er auftritt, wenn die Turbinenlast plötzlich wegfällt, kann das die Änderung der Drehgeschwindigkeit des Wasserrades steuernde Rotationsdrehmoment geregelt werden, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit während des vorübergehenden Betrie bes weich stabilisiert werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer mehr stufigen hydraulischen Francis-Maschine, auf die das erfindungsgemäße Verfahren zur Steue rung der Leitschaufeln anwendbar ist, und

Fig. 2 bis 4 grafische Darstellungen der Betriebscharak teristiken einiger Ausführungen des erfin dungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung, in welcher die Ordi nate den Öffnungsgrad a (%) der Leitschaufeln und die Abs zisse eine Steuerzeit (Sek.) darstellen. Die grafische Dar stellung zeigt, daß dann, wenn der Betrieb der Turbine durch Steuerung der Öffnungen der Leitschaufeln 4 und 2 zur Zeit der Lastunterbrechung des Laufrades oder zur Zeit eines Stops des normalen Betriebes gesteuert wird, der Öffnungs grad G ₄ der Leitschaufeln 4 der Hochdruckstufe der mehrstu figen hydraulischen Turbine (z. B. Fig. 1) so gesteuert wird, daß er immer kleiner ist als der Öffnungsgrad G ₂ der Leit schaufeln 2 der Niederdruckstufe. Die grafische Darstellung zeigt auch, daß die Leitschaufeln 4 und 2 unabhängig gesteuert werden und daß die Leitschaufeln 2 nicht vollständig ge schlossen werden, sondern eine konstante kleine Öffnung a ₀ beibehalten.

Da unter diesen Bedingungen der Öffnungsgrad G ₄ der Leit schaufeln 4 so gehalten wird, daß er immer kleiner ist als der Öffnungsgrad G ₂ der Leitschaufeln 2, ist die Wirkung der Druckänderung des Wassers im Druckrohr 7, die durch die Strö mungsmengenänderung aufgrund der Steuerung der Leitschaufeln 4 hervorgerufen ist, in einem begrenzten Bereich, wie einem Gehäuse 6 und an Stellen des Strömungsdurchganges auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Leitschaufeln 4 der Hoch druckstufe groß, während die Wirkung im Bereich des Strömungs durchganges der Niederdruckstufe auf der stromabwärts gelege nen Seite der Leitschaufeln 4 verhältnismäßig klein ist.

Da ferner die Leitschaufeln 2 nicht vollständig geschlossen werden, d. h., da die Steuerung des Öffnungsgrades dieser Leit schaufeln 2 anhält, so daß die konstante kleine Öffnung a ₀ aufrechterhalten wird, ist es nicht notwendig, eine große Kraft auf die Leitschaufeln 2 aufzubringen, um sie vollstän dig zu schließen, wodurch die Größe der Vorrichtung zur Be tätigung der Leitschaufeln 2 verringert wird. Ferner werden die Leitschaufeln auch dann nicht beschädigt, wenn durch die Leitschaufeln 2 Fremdteile im Wasser eingefangen werden, weil die Leitschaufeln nicht vollständig geschlossen werden.

Eine weitere Ausführung der Erfindung wird in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, die drei grafische Darstellungen ent hält, die jeweils die Verhältnisse in der Betriebssteuerung bei der Lastunterbrechung der Laufräder zwischen dem Wasser druck (H als Druckgefälle in Metern), der Umdrehungszahl (N Umdrehungen pro Minute), dem Öffnungsgrad (a%) der Leit schaufeln und der Zeit (Sek.) wiedergeben. Bei dieser Be triebssteuerung werden die Leitschaufeln 4 der Hochdruckstufe der mehrstufigen Turbine zuerst der Schließsteuerung unterwor fen. Wenn der Wasserdruck, die Geschwindigkeit oder der Öff nungsgrad der Leitschaufeln 4 einen vorbestimmten Wert errei chen (in Fig. 3: H ₁, N ₁ oder a ₁), wird diese Bedingung auf die Vorrichtung zur Steuerung der Leitschaufeln 2 der Nieder druckstufe übertragen, wodurch die Schließungssteuerung der Leitschaufeln 2 bewirkt wird. Es werden aber die Leitschaufeln 2 nicht vollständig geschlossen, sondern es wird ein kleiner Öffnungsgrad G ₂ konstant aufrechterhalten, wie es in Fig. 3 ge zeigt ist, und es wird der Öffnungsgrad G ₄ der Leitschaufeln 4 so gehalten, daß er während der Betriebssteuerung immer kleiner ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 2.

Wenn im wirklichen Betrieb der Wasserdruck H bei der Schließung der Leitschaufeln 4 den höchsten Druck H ₁ erreicht, werden die Leitschaufeln 2 geschlossen, wodurch es möglich wird, das An steigen und die Veränderung der Geschwindigkeit N der Turbine zu bremsen, um so den Betrieb der hydraulischen Maschine sanft zu stabilisieren. Da ferner der Öffnungsgrad G ₄ der Leitschau feln 4 immer so gehalten wird, daß er während der Betriebs steuerung immer kleiner ist als der Öffnungsgrad G ₂, werden die Strömungsdurchgänge oder das übrige Gefüge der Niederdruck stufe sicher vor den Druckschwankungen geschützt, die durch die Schließung der Leitschaufeln 4 und 2 hervorgerufen werden. In folgedessen kann durch das in Verbindung mit Fig. 2 beschrie bene Betriebssteuerungsverfahren der Betrieb der Leitschaufeln zusätzlich zu den in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Vor teilen weich stabilisiert werden.

Ferner ist es natürlich verständlich, daß eine geeignete Be triebssteuerung entsprechend einer vorbestimmten Betriebsbe dingung fein und genau durchgeführt werden kann, und zwar durch Übertragung des Wasserdruckes H, der Umdrehungszahl N oder des Öffnungsgrades a oder - in einem bestimmten Fall - sogar die Steuerzeit t der Leitschaufeln 4 der Hochdruckstufe auf die Leitschaufeln 2 der Niederdruckstufe, um die Öffnung der Leitschaufeln 2 zu steuern.

Fig. 4 zeigt auch eine grafische Darstellung der Charakteristik eines weiteren Verfahrens zur Steuerung des Öffnungsgrades der Leitschaufel gemäß der Erfindung bei Auftreten einer Unter brechung oder beim Stoppen des Betriebes einer mehrstufigen Turbine. Diese grafische Darstellung zeigt eine Bedingung, bei welcher die Leitschaufeln 4 der Hochdruckstufe geschlos sen werden, während die Leitschaufeln 2 der Niederdruckstufe mit einem Öffnungsgrad a ₁₀₀ voll geöffnet bleiben. Gemäß diesem Steuerverfahren wird die Betriebssteuerinstruktion nur zu den Leitschaufeln 4 der Hochdruckstufe übertragen und nicht zu den Leitschaufeln 2 der Niederdruckstufe, wodurch die Steuerung vereinfacht wird.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Öffnungsgrade der Leitschau feln einer mehrstufigen Turbine mit mehreren, durch Rück führleitungen miteinander verbundenen Stufen, wobei die Lauf räder der verschiedenen Stufen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verringern der Drehzahl der Laufräder die Leitschaufeln unabhängig von einander so geschlossen werden, daß der Öffnungsgrad der Leit schaufeln einer Stufe mit höherem Druck immer kleiner ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln einer Stufe mit niedri gerem Druck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln der Stufe mit höherem Druck zuerst geschlos sen werden und daß die Leitschaufeln der Stufe mit niedrigerem Druck dann teilweise geschlossen werden, wenn der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Stufe mit höherem Druck einen vorbe stimmten Wert erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln der Stufe mit höherem Druck zuerst geschlos sen werden und daß die Leitschaufeln der Stufe mit niedrigerem Druck dann teilweise geschlossen werden, wenn der auf die hy draulische Maschine einwirkende Wasserdruck einen vorbestimm ten Wert erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln der Stufe mit höherem Druck zuerst geschlossen werden und daß die Leitschaufeln der Stufe mit niedrigerem Druck dann teilweise geschlossen werden, wenn die Geschwindigkeit der hydraulischen Maschine einen vorbe stimmten Wert erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Stufe mit niedri gerem Druck unverändert gehalten wird.