DE2920760C2 - Mehrstufige hydraulische Pumpen-Turbine - Google Patents

Description

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige hydraulische Pumpen-Turbine mit einer Hochdruckstufe, die mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist, mit mindestens einer mit der Hochdruckstufe durch einen Umlenkkanal verbundenen Niederdruckstufe, mit je einem Laufrad für jede Druckstufe, mit um jedes Laufrad in einem Kreis angeordneten Leitschaufeln und mit einer Steuereinheit zur Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln.

Die Betriebsregelung oder -steuerung einer Hydraulikmaschine kann allgemein durch Einstellung der die Maschine durchströmenden Wassermenge mittels Leitschaufeln, die um ein Laufrad herum angeordnet sind, oder mittels eines Einlaßschiebers im Einlaufteil der Maschine erfolgen.

Für eine hydraulische Maschine mit je einem Laufrad für jede Stufe vom höchsten bis zum niedrigsten Druck, wobei die Laufräder über einen Rücklauf- oder Umlenkkanal miteinander verbunden sind, sind bereits verschiedene Systeme entwickelt worden, um den Betrieb der Maschine durch Steuerung der Wasserströmung an jeder Stufe mittels Leitschaufeln zu steuern, die um das Laufrad für jede Stufe herum angeordnet sind.

Bei dieser mehrstufigen Hydraulikmaschine mit kompli­ zierter Konstruktion, bei welcher die Stufen jeweils höheren und niedrigeren Drucks über Rücklauf- bzw. Umlenkkanäle fort­ laufend in Reihe miteinander geschaltet sind, ist es vom konstruktiven Standpunkt sehr schwierig, das Öffnen und Schließen mittels eines Betätigungsmechanismus vorzunehmen, der mit den um die Laufräder herum angeordneten Leitschaufeln gekoppelt ist.

Aus diesem Grund sind derartige Hydraulikmaschinen üblicherweise so konstruiert, daß nur feste Leitschaufeln mit festem Öffnungsgrad der Strömungsbahn (Anstellwinkel) um das Laufrad jeder Stufe herum angeordnet sind und daß die Betriebsart oder Arbeitsweise durch Öffnen und Schließen des Einlaßschiebers im Einlaufteil der Maschine zur Regelung der Wasserströmungsmenge gesteuert wird. Bei einer solchen Maschine ist es jedoch unmöglich, die Strömungsbedingungen am Außenumfangsbereich des Laufrads entsprechend der Strö­ mungsmenge einwandfrei einzustellen, so daß sich die hydrau­ lische Leistung bzw. der hydraulische Wirkungsgrad jeder Stufe verschlechtert, wenn die Strömungsmenge wesentlich niedriger oder höher wird als die Sollmenge, so daß die integrierte hydraulische Leistung der Maschine im Betrieb herabgesetzt wird. Wenn zudem die Strömungsmenge mit leicht geschlossenem Einlaßschieber eingestellt wird, erhöht sich der Staudruckverlust im Einlaufteil unter Vernichtung der diesem Verlust entsprechenden Wasserströmungsenergie, wo­ durch der Betriebswirkungsgrad eines Kraftwerks beeinträchtigt wird.

Die DE-OS-26 30 642 beschreibt eine gattungsgemäße reversible mehrstufige Pumpenturbine des Francis-Typs, bei der Zentripetal- und Zentrifugalstufen in Reihe angeordnet sind. Verstellbare Leitschaufeln sind nicht nur an der Hochdruckstufe vorgesehen, sondern auch an einer Stufe mit niedrigerem Druck. Im Falle der als Turbine laufenden Anlage ist ein mechanisches und hydraulisches Abschalten einer weiteren dritten Druckstufe mit festen Leitschaufeln vorgesehen, um die Turbine in einem geeigneten Druckbereich zu betreiben.

Eine zweistufige hydraulische Überdruckturbine ausschließlich für den Turbinenbetrieb ist noch aus der DE-OS-15 03 232 bekannt. Bei dieser Turbine sind beide Druckstufen als Zentripetalstufen ausgeführt, wobei eine der beiden Stufen mittels eines beweglichen Leitapparates geregelt wird, während die andere Stufe mit festen Leitschaufeln versehen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Pumpenturbine so zu gestalten, daß eine einfache Konstruktion möglich wird und sowohl die hydraulischen Eigenschaften im Normalbetrieb verbessert werden als auch eine sichere Steuerung unter Übergangsbedingungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine mehrstufige hydraulische Pumpen-Turbine mit einer Hochdruckstufe, die mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist, mit mindestens einer mit der Hochdruckstufe durch einen Umlenkkanal verbundenen Niederdruckstufe, mit je einem Laufrad für jede Druckstufe, mit um jedes Laufrad in einem Kreis angeordneten Leitschaufeln und mit einer Steuereinheit zur Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln, wobei jede Niederdruckstufe ausschließlich feste Leitschaufeln aufweist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mehr­ stufigen Hydraulikmaschinenanlage mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Turbinen­ kennlinien für die einzelnen Stufen einer mehrstufigen Hydraulikmaschine bei der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Pumpen­ kennlinien für die einzelnen Stufen der Maschine und

Fig. 4 bis 6 Blockschaltbilder von Steuervorrich­ tungen für die Betriebssteuerung der hydrau­ lischen Maschine.

Fig. 1 zeigt zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung den Aufbau einer einfachen Ausführungsform der mehrstufigen Hydraulikmaschinenanlage gemäß der Er­ findung mit einer Francis-Zweistufenhydraulikmaschine 15 und einer Betriebssteuereinheit 17 für diese. Gemäß Fig. 1 umfaßt die Anlage ein Laufrad 10 für die Hoch­ druckstufe 10a, in einem Kreis um das Laufrad 10 herum angeordnete und einen variablen Wasser-Einlaßwinkel besitzen­ de verstellbare Leitschaufeln 12 für die Hochdruckstufe 10a sowie ein Laufrad 14 und feste Leitschaufeln 16 für die Niederdruckstufe 14a, wobei diese Leitschaufeln in einem Kreis um das Laufrad 14 herum angeordnet sind und einen festen Anstell- oder Einlaßwinkel bzw. Öffnungsgrad besitzen und wobei die Hochdruckstufe 10a mit der Nieder­ druckstufe 14a über einen Rücklauf- bzw. Umlenkkanal 18 in Reihe geschaltet ist. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind mit einem nicht dargestellten Betätigungsmechanismus verbunden, der durch eine nicht dargestellte Steuereinheit so gesteuert wird, daß der Öffnungswinkel der verstellbaren Leitschaufeln 12 entsprechend der Wasserdurchsatzmenge im Normal- oder im Übergangsbetrieb kleiner oder größer wird als derjenige der festen Leitschaufeln 16. Ein dem Lauf­ rad 10 der Hochdruckstufe zugeordnetes Gehäuse 20 kommuniziert über eine Rohrleitung 22 mit einem Einlaßschieber 24. Ein Abzugsrohr 26 bildet einen Wasserkanal für das Laufrad 14 der Niederdruckstufe.

Bei der beschriebenen Anordnung strömt somit das Wasser im Turbinenbetrieb aus der Rohrleitung 22 in das angeschlossene (Turbinen-)Gehäuse 20, wenn der Schieber 24 offen ist. Das Wasser durchströmt dabei der Reihe nach die verstellbaren Leitschaufeln 12 des Laufrads 10 der Hoch­ druckstufe 10a, den Umlenkkanal 18 sowie die festen Leit­ schaufeln 16 und das Laufrad 14 der Niederdruckstufe 14a, um dann in das mit einem nicht dargestellten Abzugsgraben verbundene Abzugsrohr 26 zu strömen.

Im Pumpenbetrieb strömt dagegen das durch das Nieder­ druck-Laufrad 14 hochgepumpte Wasser vom Abzugsrohr 26 auf entgegengesetztem Wege wie im Turbinenbetrieb zum Druckrohr 22.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind somit die festen Leitschaufeln 16 mit festem Wasserleit-Öffnungsgrad bzw. Ausstellwinkel jeweils für das Laufrad der mit niedrigerem Druck arbeitenden Stufen 14a, d. h. bei einer Mehrstufen­ maschine mit drei oder mehr Stufen bei allen Stufen, mit Ausnahme der mit dem höchsten Druck arbeitenden Stufe, vor­ gesehen, die infolge konstruktiver Schwierigkeiten kaum mit verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden können. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind andererseits nur dem Laufrad 12 für die Stufe 10a mit dem höchsten Druck einer Hydraulikmaschine mit drei oder mehr Stufen zugeordnet, wo sie sich vergleichsweise einfach einbauen lassen.

Fig. 2 zeigt die Hydraulikkennlinien der beschriebenen Zweistufen-Hydraulikmaschine im normalen Turbinenbetrieb, wobei die Kennlinien für die einzelnen Stufen dieser Maschine gelten. In Fig. 2 bedeuten: H1 = Turbinen-Gesamtstaudruck oder -gefälle für die Hochdruckstufe 10a, H2 = Turbinen-Gesamtstaudruck für die Niederdruckstufe 14a, Q = Durchsatzmenge, H10, H20 und Q0 = Werte entsprechend H1, H2 und Q unter normalen Turbinenbetriebsbedingungen (Punkt 0 wie angegeben), wobei H1 gleich H2 ist. Weiter bedeuten: a0 = Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an jeder Stufe im normalen Turbinenbetrieb; a1 = Öffnungsgrad des Wasserdurch­ gangs an der Hochdruckstufe 10a, d. h. größer als der nor­ male Öffnungsgrad a0; a-1, a-2, . . . = Öffnungsgrade an der Hochdruckstufe 10a, die kleiner sind als der normale Öff­ nungsgrad a0; und Δη = relativer Turbinenwirkungsgrad-Unter­ schied, durch den relativen Unterschied gegenüber dem maxi­ malen Turbinenwirkungsgrad dargestellt. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Durchsatzmenge und dem Tur­ binen-Gesamtstaudruck für jede Stufe, wobei die Durch­ satzmengenverhältnisse Q/Q0 auf der Abszisse und die Ver­ hältnisse des Turbinen-Gesamtstaudrucks H1/H10 sowie H2/H20 für die Stufen 10a und 14a höheren bzw. niedrigeren Drucks auf der Ordinate aufgetragen sind. Die Kurven a0, a1, . . . sind Kennlinien entsprechend den Öffnungs­ graden a0, a1, . . . Der kombinierte Turbinen-Gesamtstau­ druck H0 der Hydraulikmaschine kann somit durch Zusammen­ addieren der Gesamtstaudrücke für die beiden Stufen erhal­ ten werden.

Wenn der Einlaßschieber 24 voll offen ist und sich jede Stufe im normalen Turbinenbetrieb befindet (Punkt 0 in Fig. 2), beträgt dem Turbinen-Gesamtstaudruck für jede Stufe die Hälfte des kombinierten Turbinen-Gesamtstau­ drucks H0, welcher die Hydraulikmaschine beaufschlagt. So­ mit erhält man:

H1 + H2 = H0
H1 = H2
H = H10 = H0/2 und
H2 = H20 = H0/2 (1).

Bei Verringerung der Strömungs- oder Durchsatzmenge gegenüber dem Wert im normalen Turbinenbetrieb durch all­ mähliches Schließen des Einlaßschiebers 24 , während der Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs jeder Stufe auf der normalen Größe gehalten wird, erhält die Betriebsbedingung für jede Stufe einen Verlauf 0 → A auf der Kennlinie ent­ sprechend dem normalen Öffnungsgrad a0, der sich gemäß Fig. 2 bei einem Staudruckverlust oder -abfall ΔHv/2 des Einlaßschiebers 24 zur Seite niedrigeren Staudrucks hin verschiebt. Infolgedessen arbeitet die Maschine mit verringerter hydraulischer Leistung entsprechend folgen­ der Beziehung:

H1 + H2 = H0 - ΔHv
H1 = H2
H1 = (H0 - ΔHv)/2 = H10 - ΔHv/2 und
H2 = (H0 - ΔHv)/2 = H20 - ω ΔHv/2 (2)

Der obige Fall tritt bei der bisherigen Mehrstufen- Hydraulikmaschine mit festen Leitschaufeln für das Lauf­ rad jeder Stufe ein, bei welcher die Bedingungen im Tur­ binenbetrieb durch Einstellung der Strömung bzw. des Durch­ satzes mittels des Einlaßschiebers 24 gesteuert werden. Aus dem Verlauf A → 0 auf der Kennlinie geht hervor, daß die Hydraulikenergie für den Staudruckverlust verlorengeht und daß beide Stufen mit niedriger hydraulischer Leistung arbeiten, wodurch im Betrieb der Maschine ziemlich viel Leistung vergeudet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Zweistufenmaschine wird jedoch die Durchsatzmenge vom Wert für normalen Turbinen­ betrieb (Punkt 0) nur durch Einstellung des Öffnungsgrads des Wasserdurchgangs der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Hochdruckstufe 10a verringert, während der Einlaß­ schieber 24 voll offen bleibt.

Wenn gemäß Fig. 2 der Öffnungsgrad des Wasserdurch­ gangs an der Hochdruckstufe 10a allmählich verkleinert wird, folgen die Betriebsbedingungen für die Niederdruck­ stufe 14a mit festem Öffnungsgrad dem Verlauf 0 → A auf der Kennlinie entsprechend dem normalen Öffnungsgrad, wo­ durch sich die hydraulische Leistung bzw. der hydraulische Wirkungsgrad vergleichsweise verschlechtert. Da anderer­ seits der Turbinen-Gesamtstaudruck H1 mit Verkleinerung des Durchgang-Öffnungsgrads zunimmt, folgen die Betriebsbe­ dingungen für die Hochdruckstufe in einem Verlauf 0 → B, auf welchem die hydraulische Leistung entsprechend folgen­ der Beziehung verstärkt wird:

H1 + H2 = H0 und
H1 < H2 (3).

Bei der dargestellten Zweistufen-Hydraulikmaschine kann somit der Arbeitsbereich für die Hochdruckstufe 10a auf eine höhere hydraulische Leistung verschoben werden, wodurch die integrierte Hydraulikleistung der Maschine verbessert wird. Außerdem vergrößert sich nicht der Ver­ lust oder Abfall des Staudrucks am Einlaßschieber 24, so daß die Maschine im Vergleich zu der durch Steuerung des Einlaßschiebers geregelten Maschine mit hohem Wirkungsgrad und wirtschaftlich betrieben werden kann. Wenn der kombinier­ te Turbinen-Gesamtstaudruck H0, welcher die Hydraulik­ maschine beaufschlagt, vorgegeben ist, kann die bisherige Maschine aufgrund des festen Öffnungsgrads des Wasserdurch­ gangs an jeder Stufe durch Einlaßschiebersteuerung nicht mit einer Strömungs- oder Durchsatzmenge betrieben werden, die höher ist als der Wert für den normalen Turbinenbetrieb (Punkt 0) bei voll offenem Einlaßschieber 24 (Fig. 2). Bei der dargestellten Zweistufenmaschine kann dagegen der Durchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln für die Stufe höheren Drucks so eingestellt werden, daß er größer ist als der normale Öffnungsgrad a0 oder der feste Öffnungsgrad an der Niederdruckstufe. Infolgedessen kann eine höhere Turbinen-Ausgangsleistung bei einer größeren Durchsatzmenge als im Normalbetrieb (Punkt 0) entsprechend den folgenden Beziehungen erzielt werden:

H1 + H2 = H0 und
H1 < H2 (4).

Erfindungsgemäß kann somit die Mehrstufen-Hydraulik­ maschine wirtschaftlich betrieben werden. Im normalen Turbinenbetrieb kann der hydraulische Wirkungsgrad im Be­ reich niedrigerer Durchsatzmengen durch Steuerung oder Regelung des Öffnungsgrads des durch die verstellbaren Leitschaufeln bestimmten Wasserdurchgangs auf einen kleine­ ren Wert als dem festen Öffnungsgrad der festen Leitschau­ feln verbessert werden, während eine vergleichsweise große Turbinen-Ausgangsleistung dadurch erreicht werden kann, daß der variable Öffnungsgrad größer eingestellt wird als der feste Öffnungsgrad.

Im folgenden sind anhand von Fig. 3 die hydraulischen Eigenschaften bzw. Kennlinien der Zweistufen-Hydraulik­ maschine im normalen Pumpenbetrieb erläutert. Fig. 3 zeigt die hydraulischen Kennlinien dieser Maschine im Pumpen­ betrieb. Darin bedeuten: H1 = Pumpenstaudruck für die Hoch­ druckstufe 10a, H2 = Pumpenstaudruck für die Niederdruck­ stufe 14a, Q = Strömungs- oder Durchsatzmenge, H10, H20 und Q = Werte oder Größen entsprechend H1, H2 oder Q, die unter normalen Pumpenarbeitsbedingungen (Punkt 0, wie dar­ gestellt) erzielt werden, wobei H1 gleich H2 ist, a0 = Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an jeder Stufe im nor­ malen Pumpenbetrieb, a1 = der über dem normalen Öffnungs­ grad a0 liegende Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an der Hochdruckstufe 10a, a-1 = der unter dem normalen Öffnungs­ grad a0 liegende Öffnungsgrad an der Hochdruckstufe 10a und Δη = ein relativer Pumpenwirkungsgrad-Unterschied, durch einen relativen Unterschied gegenüber dem maximalen Pumpenwirkungsgrad dargestellt. Die Kennlinien a0, a1, entsprechen den Öffnungsgraden a0, a1, . . . Der kombinierte Pumpenstaudruck H0 der Hydraulikmaschine kann durch Zusammen­ addieren der Pumpenstaudrücke für die beiden Stufen erhalten werden. Wenn der Einlaßschieber 24 der Maschine 15 voll of­ fen ist und sich jede Stufe im normalen Pumpenbetriebszu­ stand befindet (Punkt 0 in Fig. 3), kann der durch die Maschine erzeugte, kombinierte Pumpenstaudruck H0 durch Addieren der gleichen Staudrücke an beiden Stufen wie folgt erhalten werden:

H1 + H2 = H0
H1 = H0/2 = H10 und
H2 = H0/2 = H20 (5).

Wenn der Wasserspiegel bei einem Kraftwerk über den Wasserspiegel für Normalbetrieb hinaus ansteigt, muß die Hydraulikmaschine im Pumpenbetrieb arbeiten, wobei der Pumpen­ staudruck entsprechend dem gestiegenen Wasserspiegel höher ist als der normale Pumpenstaudruck H0. In diesem Fall wird die bisherige Maschine mit festen Leitschaufeln für alle Stufen mit voll geöffnetem Einlaßschieber und mit beibehaltenem festen Normal-Öffnungsgrad a0 des Wasserdurchgangs betrie­ ben, so daß sich die Betriebsbedingungen jeder Stufe bei die­ sem vergleichsweise großen Öffnungsgrad a0 im Bereich kleinerer Durchsatzmenge an der Seite des höheren Stau­ drucks längs eines Verlaufs 0 → A1 verschieben. Infolge­ dessen werden die hydraulischen Eigenschaften jeder Stufe erheblich verschlechtert, wodurch auch der integrierte hydraulische Wirkungsgrad der Maschine beträchtlich herab­ gesetzt wird.

Obgleich sich bei der dargestellten Anordnung die Niederdruckstufe 14a zur Seite höheren Staudrucks hin verschiebt und bei Aufrechterhaltung des normalen Öffnungs­ grads a0 die Größe A1 erreicht, kann dagegen die hohe hydrau­ lische Leistung der Hochdruckstufe 10a durch Steuerung oder Regelung des Öffnungsgrads der verstellbaren Leitschaufeln 12 auf eine Größe unter dem normalen Öffnungsgrad a0 sichergestellt werden, um die Betriebsbedingungen der Hoch­ druckstufe 10a längs eines Verlaufs 0 → B1 zur Seite höheren Staudrucks für die optimalen Öffnungsgradbedingungen zu ver­ schieben, und zwar entsprechend der folgenden Beziehung:

H1 + H2 = H und
H1 < H2 (6).

Infolgedessen kann im Vergleich zur bisherigen Mehr­ stufen-Hydraulikmaschine im Betrieb mit kleiner Durchsatz­ menge ein erheblich verbesserter integrierter Hydraulik­ wirkungsgrad erreicht werden. Wenn andererseits der Wasser­ spiegel am Kraftwerk unter den Wasserspiegel für Normal­ betrieb abfällt, muß die Hydraulikmaschine als Pumpe mit einem niedrigeren Pumpenstaudruck als dem normalen Stau­ druck H0 entsprechend diesem verringerten Wasserspiegel arbeiten. In diesem Fall wird die bisherige Maschine mit festen Leitschaufeln an allen Stufen bei voll geöffnetem Einlaßschieber sowie mit gleichbleibendem Wasserdurchgangs­ öffnungsgrad a0 betrieben, so daß sich die Betriebsbedingun­ gen jeder Stufe entsprechend diesem vergleichsweise kleinen normalen Öffnungsgrad a0 an der Seite niedrigen Staudrucks längs eines Verlaufs 0 → A2 zum Bereich größerer Durch­ satzmenge hin verschieben. Infolgedessen verschlechtern sich die hydraulischen Eigenschaften jeder Stufe unter Verringerung des integrierten Hydraulikwirkungsgrads der Maschine. Obgleich sich bei der erfindungsgemäßen Anord­ nung die Niederdruckstufe 14a zur Seite niedrigen Stau­ drucks hin verschiebt und unter Aufrechterhaltung des normalen Öffnungsgrads a0 die Größe A2 erreicht, kann eine hohe hydraulische Leistung der Hochdruckstufe 10a dadurch gewährleistet werden, daß der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 auf einen größeren Wert als den normalen Öffnungsgrad a0 eingestellt wird, so daß sich die Arbeits- oder Betriebsbedingungen der Hochdruckstufe 10a zur Seite des niedrigeren Staudrucks längs eines Verlaufs 0 → B2 für optimalen Öffnungszustand entsprechend der Beziehung nach Gleichung (6) verschieben und damit den Betrieb der Maschine mit verbesserter integrierter hydraulischer Leistung zulassen.

Die erfindungsgemäße Maschine kann somit effektiv auch im normalen Pumpenbetrieb mit verbesserter integrierter hydraulischer Leistung im Bereich kleiner Durchsatzmengen an der Seite des höheren Staudrucks oder im Bereich großer Durchsatzmengen an der Seite niedrigeren Staudrucks betrieben werden, indem der variable Wasserdurchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln so eingestellt wird, daß er kleiner bzw. größer ist als der feste Öffnungsgrad der festen Leit­ schaufeln der Niederdruckstufe.

Die Betriebssteuereinheit 17 umfaßt gemäß den Fig. 4 bis 6 Steuersysteme 17a und 17b zur Steuerung bzw. Ein­ stellung der verstellbaren Leitschaufeln 12 im Normalbe­ trieb sowie ein Betriebssteuersystem 17c für Übergangs­ betrieb.

Fig. 4 veranschaulicht einen Fall, in welchem der Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs a der mit einer Leit­ schaufel-Einstelleinheit 52 gekoppelten verstellbaren Leit­ schaufeln 12 für die Höchstdruckstufe entsprechend der Last oder Belastung für gute hydraulische Leistung mittels einer Lasteinstelleinheit 50 und der Leitschaufel-Einstelleinheit 52 eingestellt wird. Gemäß Fig. 5 wird der Öffnungsgrad a der verstellbaren Leitschaufeln 12 entsprechend dem Was­ serspiegel (Turbinen- oder Pumpenstaudruck bzw. -gefälle) für gute hydraulische Leistung mittels eines Steuersystems aus einem Wasserspiegelregler 54 und der mit den Leit­ schaufeln 12 gekoppelten Einstelleinheit 52 eingestellt. Die Betriebssteuerung im Normalbetrieb läßt sich ohne weiteres durch Vornahme einer oder beider Einstellungen nach Fig. 4 und 5 durchführen.

Im folgenden ist die Steuerung oder Regelung für Übergangsbetrieb der Maschine beschrieben. Wesentlich ist dabei, ein einfaches und sicheres Verfahren zur Steuerung der Übergangsbetriebszustände der komplexen Mehrstufen­ maschine mit je einem Laufrad pro Stufe, die durch den Umlenkkanal miteinander verbun­ den sind, vorzusehen. Diese Übergangszustände sind z. B. Anfahren und Abstellen der Turbine oder Pumpe, Unterdrückung der Turbinenbelastung und Ausfall des Pumpen­ einlaufs oder -eingangs.

Bei der bisherigen Maschine mit dem vorher beschrie­ benen Aufbau erfolgt die Steuerung der Betriebsbedingungen oder -zustände durch Eingabe von Betriebssteuerbefehlen in den Einlaßschieber zur Einstellung des Wasserdurchlasses, um dadurch die Durchsatzmenge oder die Drehzahl zu steuern. Bei dieser Steuerung mittels des Einlaßschiebers, im Gegensatz zur Steuerung mittels der Leitschaufeln, erweist es sich jedoch als schwierig, den Wasserstrom gleichmäßig zu regeln, so daß erhebliche Turbulenz auf­ tritt, die zu beträchtlicher Geräuschentwicklung und Schwingung führt. Erfindungsgemäß wird dagegen der Wasser­ durchlaß, d. h. sein Öffnungsgrad, dadurch eingestellt, daß Betriebssteuerbefehle nur den verstellbaren Leitschaufeln 12 am Laufrad für die Höchstdruckstufe 10a zugeführt wer­ den, um dadurch die Durchsatzmenge oder die Drehzahl zur Erzielung der Steuerung für den jeweiligen Betriebszustand zu regeln. Da die Steuerbefehle nur diesen Leitschaufeln 12 der Höchstdruckstufe 10a zugeführt werden, läßt sich u. a. die Steuerung leicht bewerkstelligen, ohne die auf die kompli­ zierten Steuersysteme zurückführenden Schwierigkeiten oder Störungen zu bedingen. Im Gegensatz zur Einlaßschiebersteue­ rung ermöglicht die Leitschaufelsteuerung zudem eine gleich­ mäßige bzw. stufenlose Einstellung der Durchsatz­ menge, wobei Geräuschentwicklung und Schwingung vermieden werden. Die erfindungsgemäße Mehrstufen-Hydraulikmaschine kennzeichnet sich weiterhin dadurch, daß selbst beim Auf­ treten einer plötzlichen Druckänderung aufgrund eines Was­ serdruckstoßes in einem an die Hochdruckstufe 10a ange­ schlossenen Wasserleitsystem, etwa infolge einer plötzlichen Änderung der Strömungsmenge, bei geschlossenen Leitschaufeln die Druckstoßwelle durch die wenig geöffneten oder voll ge­ schlossenen Leitschaufeln an der Hochdruckstufe 10a aufge­ fangen wird. Diese Druckwelle kann somit nicht die Nieder­ druckstufe 14a unmittelbar beeinflussen, an welcher der Öffnungswinkel stets groß ist, so daß die gesamte Maschine nicht mit einem übermäßigen Wasserdruck beaufschlagt und damit stets eine höchst sichere Steuerung gewährleistet wird.

Im folgenden ist anhand von Fig. 6 die Steuerung bei der Unterdrückung oder Abweisung von Turbinenbelastungen beschrieben, die u. a. eines der kritischsten Probleme im Übergangsbetrieb darstellen. Eine Drehzahl- oder Spannungs­ änderung ΔN in einem unmittelbar mit der Hydraulikmaschine gekoppelten Drehzahlgeber oder Generator wird dabei abge­ griffen, um dadurch den Wasserdurchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Hochdruckstufen-Leitschaufeln 12 zu steuern, die an ein Steuersystem aus einer Reglereinheit 56 und der Leitschaufel-Einstelleinheit 52 angeschlossen sind, so daß auf einfache und sichere Weise eine Stabilisierung von Drehzahl, Durchsatzmenge, Wasserdruck usw. erzielt wird. Für den Fall eines Ausfalls des Pumpeneingangs sowie für Anfahren und Abstellen der Hydraulikmaschine ist es weiterhin wichtig, die Betriebszustände der Maschine im Übergangsbetrieb dadurch sicher zu steuern oder zu regeln, daß die Betriebssteuerbefehle über die Einstelleinheit 52 nur den verstellbaren Leitschaufeln 12 zugeführt werden. Da die Betriebssteuersysteme gemäß den Fig. 4 bis 6 im all­ gemeinen an sich bekannt sind, kann auf eine genauere Be­ schreibung ihrer Bauteile und Funktionen verzichtet werden.

Claims (1)

1. Mehrstufige hydraulische Pumpen-Turbine
   mit einer Hochdruckstufe (10a), die mit verstellbaren Leitschaufeln (12) versehen ist,
   mit mindestens einer mit der Hochdruckstufe durch einen Umlenkkanal (18) verbundenen Niederdruckstufe (14a),
   mit je einem Laufrad (10, 14) für jede Druckstufe,
   mit um jedes Laufrad in einem Kreis angeordneten Leitschaufeln und
   mit einer Steuereinheit (17) zur Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln (12),
   dadurch gekennzeichnet,
   daß jede Niederdruckstufe (14a) ausschließlich feste Leitschaufeln (16) aufweist.