DE3032023C2

DE3032023C2 -

Info

Publication number: DE3032023C2
Application number: DE3032023A
Authority: DE
Inventors: Sachio Yokohama Kanagawa Jp Tsunoda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-08-25
Publication date: 1991-09-19
Also published as: JPS5634972A; JPS6113112B2; DE3032023A1; US4344735A; CH651633A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine, die während Pumpen- und Turbinen-Operationen bei gleichbleibender Bedingung mit konstanter Drehzahl läuft, bei welcher die beiden Stufen durch eine Umkehrleitung miteinander verbunden sind und verstellbare Leitschaufeln enthalten, deren Öffnungsgrade veränderbar sind.

Allgemein sind in einer einstufigen Pumpenturbine mehrere verstellbare Leitschaufeln ringförmig zwischen einer Läuferkammer und einer Wirbelkammer eines Spiralgehäuses angeordnet, und es ist an einem Einlaßteil der Wirbelkammer, und zwar in Strömungsrichtung vor dieser Kammer, ein Ventil angeordnet. Die durch den Läufer strömende Wassermenge kann durch Einstellung des Öffnungsgrades der Leitschaufeln gesteuert werden, nachdem das Einlaßventil vollständig geöffnet worden ist.

Dieses Steuerverfahren ist für den Betrieb einer einstufigen hydraulischen Pumpenturbine gut geeignet, und es ist leicht anwendbar, um den hydraulischen Wirkungsgrad und die Betriebsstabilität der Pumpen-Turbine zu erhöhen.

In einer mehrstufigen hydraulischen Pumpenturbine jedoch, in der die jeweiligen Stufen durch eine Rückführleitung in Reihe geschaltet sind, ist es äußerst schwierig, Leitschaufeln und einen Mechanismus für deren Betätigung in jeder Stufe anzuordnen, und zwar wegen konstruktiver Probleme und wegen Betriebsproblemen. Deshalb wird tatsächlich in bekannten mehrstufigen hydraulischen Pumpenturbinen die Strömungsmenge durch Einstellung der Öffung des Einlaßventils gesteuert, das stromaufwärts des Spiralgehäuses angeordnet ist.

In letzter Zeit sind die Anforderungen an mehrstufige hydraulische Pumpenturbinen erhöht worden, und zwar mit Rücksicht auf die Erfordernisse für die Installierung einer Pumpenspeicheranlage großer Höhe. Insbesondere ist es erforderlich, ein Verfahren zum Betrieb einer Pumpenturbine mit einer kleinen Stufenzahl (z. B. zweistufig) zu entwickeln, in welchem die verstellbaren Leitschaufeln und ein Betätigungsmechanismus für diese leicht am Außenumfang des Läufers jeder Stufe angeordnet werden können.

Wenn eine zweistufige Pumpenturbine mit vorgeschaltetem Einlaßventil als Turbine mit voll geöffnetem Einlaßventil betrieben wird, wird eine Wasser-Trennungs-Erscheinung hervorgerufen, wodurch eine örtliche Sekundärströmung erzeugt wird, die zu Kavitationen, Vibrationen und Geräuschen führt.

Es ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt (AT-PS 2 41 376), bei welchem die Leitschaufeln nur begrenzt schließbar sind, um im Turbinenbetrieb eine gleichmäßigere Druckverteilung auf die einzelnen Stufen zu erreichen und im Pumpenbetrieb starke Vibrationen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die zweistufige Pumpenturbine sowohl im Pumpenbetrieb als auch im Turbinenbetrieb hydraulisch stabil betrieben werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe während des Betriebes als Pumpe auf gleiche Größe gesteuert werden und daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln während des Betriebes als Turbine unabhängig so gesteuert werden, daß der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Niederdruckstufe größer ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Hochdruckstufe.

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

Fig. 1 eine grafische Darstellung der hydraulischen Charakteristiken der als Turbine arbeitenden Pumpenturbine, und zwar an den entsprechenden Stufen, wenn das erfindungsgemäße Steuerverfahren auf die hydraulische Pumpenturbine angewandt wird,

Fig. 2 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Arbeitsdruck und einem Öffnungsgrad der Leitschaufeln, wenn die hydraulische Pumpenturbine als Turbine arbeitet,

Fig. 3 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Belastung und Öffnungsgrad der Leitschaufeln, wenn die Pumpenturbine als Turbine arbeitet,

Fig. 4 und 5 grafische Darstellungen, welche die hydraulischen Charakteristiken zeigen, wenn die Pumpenturbine als Pumpe arbeitet, und

Fig. 6 und 7 Blockdiagramme, welche die Steuereinrichtungen für die Steuerung der Leitschaufeln der hydraulischen Pumpenturbine zeigen, wenn diese unter gleichbleibender Bedingung arbeitet.

Fig. 2 zeigt bei einer Steuerungsart gemäß der Erfindung die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad der Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine und der Änderung der Wasserhöhe, d. h. des Druckes, in jeder Druckstufe.

In Fig. 2 ist angenommen, daß ein gesamter Turbinen-Netto-Druck H sich von einem normalen Druck H₀ auf einen niedrigen Druck H_m ändert und daß sich die Wasserströmungsmenge Q von einer normalen Bedingung R auf eine in gewissem Umfange verringerte Bedingung A ändert. In diesem Falle wird der Öffnungsgrad a der verstellbaren Leitschaufel 15 der Hochdruckstufe in Übereinstimmung mit einem geometrischen Ort R→A₁ gesteuert, wobei der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 15 unter der Bedingung A₁ größer ist als unter der Bedingung A, und es wird der Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 16 der Niederdruckstufe in Übereinstimmung mit dem geometrischen Ort R→A₂ gesteuert, wobei der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 16 unter der Bedingung A₂ kleiner ist als unter der Bedingung A. Somit werden die Öffnungsgrade der Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen unabhängig voneinander durch unterschiedliche Steuer-Betriebsarten gesteuert.

Das Steuerverfahren, welches den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der 2. Stufe (Niederdruckstufe) kleiner hält als denjenigen der 1. (Hochdruck-)Stufe, und zwar entlang der geometrischen Orte R→A₁ und R→A₂, bewirkt einen stetigen Turbinenbetrieb, in welchem der Arbeitsdruck der 2. Stufe höher ist als derjenige der 1. Stufe, wie es in der folgenden Gleichung ausgedrückt ist:

H₁ + H₂ = H,
H₁ < H₂, (3)

wobei H der gesamte Turbinen-Netto-Druck und H₁ und H₂ die Turbinen- Netto-Drücke der Hoch- und Niederdruckstufen sind.

Fig. 1 zeigt die hydraulischen Charakteristiken entsprechender Stufen in einem Fall, in welchem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der entsprechenden Stufen gemäß der Erfindung unabhängig voneinander durch verschiedene Steuer-Betriebsarten gesteuert werden, um den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der 1. Stufe (Niederdruckstufe) kleiner zu halten als denjenigen der 2. Stufe (Hochdruckstufe), wobei die Änderung des Druckes so ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die Betriebsbedingung der Hochdruckstufe, die normalerweise mit beträchtlich höherem Druck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe unter einer hydraulisch stabilen Bedingung betrieben wird, durch einen Bereich entlang dem geometrischen Ort der Bedingung R→A₁ auf dem Niederdruck-Arbeitsbereich läuft, und zwar mit höherer Einheitsgeschwindigkeit und mit niedrigerem hydraulischem Wirkungsgrad im Vergleich mit einem Fall eines Betriebes entlang dem geometrischen Ort R→A unter der Standard-Bedingung. Andererseits durchläuft die Betriebsbedingung der Niederdruckstufe, die normalerweise mit beträchtlich niedrigerem Druck auf der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe unter einer hydraulisch unstabilen Bedingung betrieben wird, einen Bereich auf dem Hochdruck-Betriebsbereich, in welchem die Pumpenturbine mit niedrigerer Einheitsgeschwindigkeit im Vergleich mit einem Fall rotiert, indem sie entlang R→A unter der Standard-Bedingung arbeitet. Somit arbeitet die Pumpenturbine mit verbessertem hydraulischen Wirkungsgrad. Infolgedessen kann entsprechend dem oben beschriebenen Steuerverfahren die zweistufige hydraulische Pumpenturbine bei gleichbleibendem Betrieb hydraulisch stabil betrieben werden im Vergleich mit einem Fall, in dem die Öffnungsgrade der Hoch- und Niederdruckstufen entsprechend den gleichen Steuer-Betriebsarten gleich gesteuert werden.

Ein Verfahren zum Steuern des Öffnungsgrades der Leitschaufeln in einem Falle, in dem die zweistufige hydraulische Pumpenturbine als Turbine arbeitet, wobei sich der Druck nicht ändert, dagegen die gesamte Betriebsbelastung verändert wird, ist im folgenden anhand von Fig. 3 beschrieben.

Wenn eine Wasserströmungsmenge Q sich entlang einer Ortskurve R→B verändert, was eine Verlegung einer Bedingung bedeutet, und wenn sich die Betriebslast P von F₀ auf P_m verändert, während der gesamte Turbinendruck auf H₀ gehalten wird, wird der Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 15 der Hochdruckstufe entlang der Ortskurve R→B₁ gesteuert, in der der Öffnungsgrad a so gehalten wird, daß er größer ist als derjenige einer Steuerung entlang der Ortskurve R→B, wobei aber der Öffnungsgrad a der Leitschaufeln 16 der Niederdruckstufe entlang der Ortskurve R→B₂ gesteuert wird, wobei der Öffnungsgrad so gehalten wird, daß er kleiner ist als bei einer Steuerung entlang der Ortskurve R→B unter der Standard-Bedingung. Somit werden die Öffnungsgrade der Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen entsprechend verschiedenen Steuer-Betriebsarten gesteuert.

Das Steuerverfahren, den Öffnungsgrad der Leitschaufeln der 2. Stufe (Niederdruckstufe) kleiner zu halten als denjenigen der 1. Stufe (Hochdruckstufe), und zwar entlang der Ortskurven R→B₁ und R→B₂ ergibt einen stetigen Turbinenbetrieb, bei welchem der Arbeitsdruck der 2. Stufe (Niederdruckstufe) höher ist als derjenige der 1. Stufe (Hochdruckstufe), wie es in der folgenden Gleichung ausgedrückt ist:

H₁ + H₂ = H,
H₁ < H₂. (4)

Fig. 1 zeigt auch die Ortskurven, welche die hydraulischen Charakteristiken der jeweiligen Stufen für einen Fall darstellen, in welchem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln in Übereinstimmung mit den Steuer-Betriebsarten nach Fig. 3 in Verbindung mit der Änderung der Belastung P gesteuert werden. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, durchsetzt die Betriebsbedingung der Hochdruckstufe, die üblicherweise bei einem beträchtlich hohen Druck auf der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe unter einer hydraulischen stabilen Bedingung betrieben wird, einen Bereich entlang der Ortskurve der Bedingung R→B₁ im Niederdruck-Betriebsbereich, in welchem die Pumpenturbine mit höherer Einheits-Geschwindigkeit und mit einem geringeren hydraulischen Wirkungsgrad im Vergleich mit einem Fall rotiert, in welchem die Pumpenturbine entlang der Ortskurve R→B der Standard-Bedingung betrieben wird. Andererseits durchsetzt die Betriebsbedingung der Niederdruckstufe, die normalerweise bei einem beträchtlich niedrigen Druck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe unter einer hydraulisch instabilen Bedingung betrieben wird, einen Bereich des Hochdruck-Betriebsbereiches, in welchem die Pumpenturbine mit einer niedrigeren Einheits- Geschwindigkeit rotiert als in einem Fall, in welchem sie entlang der Ortskurve R→B unter der Standard-Bedingung betrieben wird, so daß die Pumpenturbine mit verbessertem Wirkungsgrad arbeitet. Gemäß dem oben beschriebenen Steuerverfahren kann die zweistufige hydraulische Pumpenturbine hydraulisch besser stabil bei gleichbleibendem Betrieb betrieben werden im Vergleich mit einem Fall, in welchem die Leitschaufeln der Hoch- und Niederdruckstufen in gleicher Weise durch die gleiche Steuer-Betriebsart gesteuert werden.

Im folgenden soll ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Steuerung des Öffnungsgrades von beweglichen Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine beschrieben werden, wenn diese als Pumpe unter der stetigen Bedingung betrieben wird. Die Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5.

Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung, in welcher die Öffnungsgrade a der beweglichen Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen entlang einer Ortskurve R→C gleich gesteuert werden, wobei ein gesamter wirksamer Pumpendruck H vom Normaldruck H₀ auf einen Druck H_m geändert wird, und zwar nach einer Steuerart, welche die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der beiden Stufen auf gleicher Größe hält. Die Beziehung zwischen dem gesamten effektiven Pumpendruck H und den wirksamen Pumpendrücken H₁ und H₂ der Hoch- und Niederdruckstufen in dem Zwischenpunkt dieser Ortskurve R→C ist folgende:

H₁ + H₂ = H,
H₁ = H₂. (5)

Fig. 5 zeigt die Ortskurven der Betriebsbedingungen, die auf den hydraulischen Charakteristiken der entsprechenden Druckstufen in einem Falle basieren, bei welchem die Öffnungsgrade a der Leitschaufeln beider Druckstufen gleichzeitig in Übereinstimmung mit der in Fig. 4 gezeigten Steuerbetriebsart gesteuert werden. In Fig. 5 bezeichnet
H₁: einen wirksamen Pumpendruck in der Hochdruckstufe,
H₂: einen wirksamen Pumpendruck in der Niederdruckstufe,
Q: eine Strömungsmenge,
H₁₀, H₂₀ und Q₀: die Werte entsprechend H₁, H₂ und Q zur Zeit einer vorbestimmten normalen Betriebsbedingung (Punkt R in Fig. 5), in welchem die jeweiligen Stufen unter im wesentlichen gleichen hydraulischen Bedingungen betrieben werden,
a₀: bezeichnet den Öffnungsgrad der Leitschaufeln jeder Stufe bei einer vorbestimmten Normalbedingung,
a₁: den Öffnungsgrad der Leitschaufeln größer als a₀,
a_-1: den Öffnungsgrad der Leitschaufeln kleiner als a₀ und
Δη: die relative Betriebs- Wirkungsgraddifferenz bei einem Betrieb als Pumpe in bezug auf den höchsten Wirkungsgrad.

Nach den in Fig. 5 gezeigten Charakteristiken werden die beweglichen Leitschaufeln 15 und 16 der Hoch- und Niederdruckstufen gleichmäßig gesteuert, so daß sie entlang der Ortskurve R→C auf der Einhüllenden der hydraulischen Charakteristik betrieben werden, wenn sich der Arbeitsdruck verändert. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, wird die Pumpenturbine hydraulisch stabil als Pumpe betrieben, und zwar unter der Normalbedingung R. In einem Falle, in dem die Leitschaufeln um einen größeren oder kleineren Grad als der Grad bei der Normalbedingung geöffnet werden, wird eine Wasser-Trennerscheinung oder ein örtlicher Sekundärstrom hervorgerufen. Somit werden entsprechend der oben beschriebenen Steuerbetriebsart die Hoch- und Niederdruckstufen hydraulisch stabil als Pumpe betrieben, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Die beweglichen Leitschaufeln einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine, die als Turbine oder als Pumpe betrieben wird, können durch eine Steuervorrichtung gesteuert werden, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Diese Vorrichtung enthält in Kombination eine Wasserhöhen-Einstellvorrichtung 21, eine Leitschaufel-Reguliervorrichtung 22 und Leitschaufeln 15 und 16, wodurch der Öffnungsgrad der Leitschaufeln entsprechend der Änderung der Wasserhöhe (das ist der Betriebsdruck) gesteuert wird. Oder es kann die Pumpenturbine durch ein Steuersystem gesteuert werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Dieses Steuersystem enthält in Kombination eine Last-Justiervorrichtung 23, eine Leitschaufel-Reguliervorrichtung 22 und Leitschaufeln 15, 16, um den Öffnungsgrad der Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Änderung der Last zu steuern.

Wie vorher beschrieben, werden gemäß der Erfindung in einer mit konstanter Drehzahl während stetigen Pumpen- und Turbinenbetriebes einer zweistufigen Pumpenturbine bei Turbinenbetrieb die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der beiden Stufen unabhängig gesteuert, während sie bei Pumpenbetrieb an den beiden Stufen gleich gesteuert werden, wenn sich der Wasserspiegel oder die Betriebslast ändert.

Claims

Verfahren zum Steuern einer zweistufigen hydraulischen Pumpenturbine, die während Pumpen- und Turbinen-Operationen bei gleichbleibender Bedingung mit konstanter Drehzahl läuft, bei welcher die beiden Stufen durch eine Umkehrleitung miteinander verbunden sind und verstellbare Leitschaufeln enthalten, deren Öffnungsgrade veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe während des Betriebes als Pumpe auf gleiche Größe gesteuert werden und daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln während des Betriebes als Turbine unabhängig so gesteuert werden, daß der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Niederdruckstufe größer ist als der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Hochdruckstufe.