DE3032023C2 - - Google Patents
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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 Hm
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)
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 Pm 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)
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 Hm 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)
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.
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 (1)
- 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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10928879A JPS5634972A (en) | 1979-08-28 | 1979-08-28 | Driving method of double stage pump hydraulic turbine |
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---|---|
DE3032023A1 DE3032023A1 (de) | 1981-03-12 |
DE3032023C2 true DE3032023C2 (de) | 1991-09-19 |
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ID=14506367
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19803032023 Granted DE3032023A1 (de) | 1979-08-28 | 1980-08-25 | Verfahren zur steuerung von zweistufigen hydraulischen pumpen-turbinen. |
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JP (1) | JPS5634972A (de) |
CH (1) | CH651633A5 (de) |
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JPS548237A (en) * | 1977-06-20 | 1979-01-22 | Toshiba Corp | Control system in multistage hydraulic machine |
JPS54108143A (en) * | 1978-02-14 | 1979-08-24 | Toshiba Corp | Running control method of multistage hydraulic machinery |
JPS54151741A (en) * | 1978-05-22 | 1979-11-29 | Toshiba Corp | Multi-stage hydraulic machine |
-
1979
- 1979-08-28 JP JP10928879A patent/JPS5634972A/ja active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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