DE3223114C2

DE3223114C2 - Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine

Info

Publication number: DE3223114C2
Application number: DE3223114A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yamagata; Sachio Tsunoda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-06-22
Filing date: 1982-06-21
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2002-06-22
Also published as: JPS636750B2; CH659507A5; US4472103A; DE3223114A1; JPS57212374A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine mit wenigstens drei Druckstufen, die durch Überströmleitungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck mit verstellbaren Leitschaufeln versehen sind, und wobei zwischen den Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck wenigstens eine mit feststehenden Leitschaufeln versehene Mitteldruckstufe vorgesehen ist.

Das Verfahren zur Steuerung des Betriebes dieser Maschine, die als Pumpe oder Turbine arbeitet, soll dazu dienen, den hydraulischen Wirkungsgrad unter einer stetigen Arbeitsbedingung zu verbessern und die hydraulische Maschine durch Unterdrückung von in ihr erzeugten Schwingungen und Geräuschen stabil zu betreiben. Allgemein kann der Betrieb oder die Laufbedingung einer hydraulischen Maschine gesteuert werden, indem die Wassermenge, die durch die hydraulische Maschine strömt, eingestellt wird, wobei diese Einstellung durch Leitschaufeln erfolgt, die am Umfang eines Läufers angeordnet sind oder mit Hilfe eines am Einlaßteil der hydraulischen Maschine angeordneten Einlaßventils.

Bei einer mehrstufigen hydraulischen Maschine, bei welcher Druckstufen vorgesehen sind, wobei die Läufer über Umkehr- oder Überströmleitungen miteinander verbunden sind, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die Wasserströmungsbedingungen an den jeweiligen Stufen durch Leitschaufeln zu steuern, die an den Umfängen der Läufer der Stufen angeordnet sind, um so den Betrieb der üblichen mehrstufigen hydraulischen Maschine zu steuern. Bei der mehrstufigen hydraulischen Maschine der oben genannten Art ist es aber wegen der konstruktiven Begrenzung extrem schwierig, Leitschaufeln an den Außenumfängen der Läufer der entsprechenden Stufen vorzusehen und den Betrieb oder das Schließen der Leitschaufeln durch eine Leitschaufel- Steuereinheit zu steuern, die mit den Leitschaufeln verbunden ist, was für den praktischen Gebrauch der mehrstufigen hydraulischen Maschine ein Problem darstellt. Bei der mehrstufigen hydraulischen Maschine dieser Art sind in vielen Fällen nur stationäre Leitschaufeln mit konstantem Öffnungsgrad am Außenumfang eines Läufers jeder Stufe angeordnet, und es erfolgt die Steuerung des Betriebs der Maschine durch eine Offen-Geschlossen-Steuerung eines Einlaßventils, das am Einlaßteil der hydraulischen Maschine vorgesehen ist. Ferner kann in einer solchen mehrstufigen hydraulischen Maschine die Wasserströmungsbedingung am Umfang des Läufers jeder Stufe in Abhängigkeit von der Strömungsmenge des hindurchtretenden Wassers eingestellt werden, so daß in Bereichen niedriger Strömungsgeschwindigkeit und hoher Strömungsgeschwindigkeit, abgesehen von Konstruktionspunkten, der hydraulische Wirkungsgrad herabgesetzt wird, wobei die hydraulische Maschine selbst bei verringertem hydraulischen Gesamtwirkungsgrad betrieben wird. Zusätzlich wird der Wasserdruckverlustanteil in der Nähe des Einlaßventils durch Einstellung der durch das Einlaßventil strömenden Wassermenge durch teilweises Schließen der Ventilöffnung erhöht, und es wird deshalb hydraulische Energie entsprechend dem Wasserdruckverlust vergeudet, was zu einer Abnahme des Laufwirkungsgrades einer elektrischen Energieanlage führt.

Um den oben beschriebenen Fehlern und Problemen zu begegnen, ist auch bereits ein Verfahren zum Steuern des Betriebes einer mehrstufigen hydraulischen Maschine vorgeschlagen worden, bei welchem verstellbare Leitschaufeln nur für die Stufe mit höchstem Druck vorgesehen sind, wobei die Wasserströmungsmenge durch Regulierung des Öffnungsgrades dieser verstellbaren Leitschaufeln eingestellt werden kann. Bei diesem Betriebssteuerverfahren wurde der Wasserdruckverlust am Einlaßventil, der in einem Falle beobachtet worden ist, in dem keine verstellbaren Leitschaufeln in der höchsten Druckstufe angeordnet waren, nicht beobachtet, so daß dieses Steuerverfahren einen besseren Arbeitswirkungsgrad hat als das erstgenannte Verfahren. Trotz des oben beschriebenen Vorteils können in dem letztgenannten Verfahren ein Wasser-Trenn- Phänomen und oder ein örtlicher Sekundärstrom auftreten, weil die Niederdruckstufe an einem Betriebspunkt arbeitet, der von einem bestimmten Arbeitspunkt während des Betriebes als Turbine mit einer geringen Wassermenge weit entfernt ist, und es werden diese nachteiligen Erscheinungen oft beobachtet, wenn der Wasserdruck auf der Auslaßseite eines Läufers absinkt, so daß solche Probleme, wie die Wasser-Trenn-Erscheinung und der örtliche Sekundärstrom an der Niederdruckstufe zunehmen, wo der Wasserdruck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe niedriger ist als derjenige der anderen Stufen. Es wird deshalb die hydraulische Maschine dieser Art unter einer instabilen Bedingung mit Kavitation, mit starken Schwingungen und Geräuschen betrieben.

Infolgedessen ist, wie oben beschrieben, eine mehrstufige hydraulische Maschine mit Druckstufen, die je mit verstellbaren Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade einstellbar sind, wegen der hydraulischen Eigenschaften in höchstem Maße bevorzugt, jedoch erfordert sie eine erhebliche Beschränkung der Konstruktion für den praktischen Gebrauch. Eine mehrstufige hydraulische Maschine, in welcher die jeweiligen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade nicht eingestellt werden können, und bei welcher die Steuerung des Wasserstromes nur durch Einstellung eines Einlaßventils erfolgt, hat den einfachsten Aufbau, jedoch hat sie extrem geringe hydraulische Eigenschaften. Jedoch werden in einer mehrstufigen hydraulischen Maschine, in welcher nur die Stufe höchsten Druckes mit einstellbaren Leitschaufeln versehen ist, wie es bereits vorgeschlagen worden ist, Kavitation, Schwingungen und Geräusche erzeugt, wenn die Maschine mit einer geringen Wassermenge arbeitet.

Die DE 29 20 760 A1 offenbart eine zweistufige Pumpenturbine mit einer Hochdruckstufe, die eine Mehrzahl von verstellbaren Leitschaufeln besitzt, die kreisförmig um das erste Laufrad angebracht sind, und die eine Niederdruckstufe besitzt, welche eine Mehrzahl von stationären Leitschaufeln aufweist, die kreisförmig um das zweite Laufrad angeordnet sind. Bei der Strömungsmaschine gemäß der DE 29 20 760 A1 werden die verstellbaren Leitschaufeln so gesteuert, daß ihr Öffnungswinkel entsprechend der Wasserdurchsatzmenge im Normal- oder im Übergangsbetrieb kleiner oder größer wird als derjenige der festen Leitschaufeln. Weiterhin erfährt der Fachmann aus dieser Schrift, daß bei einer Mehrstufenmaschine mit drei oder mehr Stufen starre Leitschaufeln in allen Stufen außer der höchsten Druckstufe vorgesehen sein müssen, da es aufgrund konstruktiver Schwierigkeiten kaum möglich sei, auch die übrigen Verdichterstufen außer der mit dem höchsten Druck mit verstellbaren Leitschaufeln auszurüsten.

Die DE 30 32 023 A1 offenbart eine zweistufige Strömungsmaschine mit verstellbaren Leitschaufeln sowohl in der Niederdruckstufe als auch in der Hochdruckstufe. Bei dieser Strömungsmaschine werden der Öffnungsgrad der Leitschaufeln in der Hochdruckstufe und in der Niederdruckstufe unterschiedlich gesteuert. Wenn diese Strömungsmaschine als Pumpe arbeitet, werden die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe auf die gleiche Größe eingestellt. Wenn diese Strömungsmaschine als Turbine arbeitet, werden sie auf unterschiedliche Größe eingestellt, wobei der Öffnungsgrad der Leitschaufeln der Niederdruckstufe gleich oder größer ist als der der Hochdruckstufe.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Steuerung des Betriebes einer gattungsgemäßen mehrstufigen hydraulischen Maschine, so daß diese stabil arbeitet und einen verbesserten hydraulischen Wirkungsgrad bei einer stetigen Betriebsbedingung aufweist, wobei die Erzeugung von Kavitation, von Schwingungen und von Geräuschen in der hydraulischen Maschine wirksam unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Änderung der Betriebsbedingung bei stetigem Betrieb der hydraulischen Maschine der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck gleich oder kleiner gehalten wird als derjenige der Stufe mit höchstem Druck und daß die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß bei einem Betrieb mit hohem Wasserdurchsatz deren Öffnungsgrade größer sind als die Öffnungsgrade der feststehenden Leitschaufeln der wenigstens einen Mitteldruckstufe, bei einem Betrieb mit geringem Wasserdurchsatz aber kleiner sind als diejenigen der feststehenden Leitschaufeln der wenigstens einen Mitteldruckstufe.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer typischen dreistufigen hydraulischen Maschine, auf die die Erfindung anwendbar ist, in einem Längsschnitt,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der hydraulischen Eigenschaften bei Betrieb der hydraulischen Maschine als Turbine,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der hydraulischen Eigen schaften bei Betrieb der hydraulischen Maschine als Pumpe,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Betriebslast und den Öffnungsgraden der Leit schaufeln bei Betrieb der hydraulischen Maschine als Turbine unter einer stetigen Bedingung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Betriebslast und den Öffnungsgraden der Leit schaufeln, wenn die Maschine unter einer stetigen Bedingung als Turbine arbeitet, und

Fig. 6 und 7 Blockschaltbilder, welche die Steuersysteme für die Steuerung der Leitschaufeln der hydraulischen Ma schine zeigen, wenn diese unter einer stetigen Ar beitsbedingung betrieben wird.

Die Erfindung wird nun im einzelnen in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, welche ein Ausführungsbeispiel einer hydrauli schen Francis-Maschine mit drei Stufen zeigt.

Ein Läufer 1 der Stufe mit höchstem Druck ist an ihrem Außenumfang mit mehreren einstellbaren Leitschaufeln 2 ver sehen, die in einem Kreis angeordnet sind, und deren Öff nungsgrade verändert werden können. Ein Läufer 3 einer Mit teldruckstufe ist an seinem Außenumfang mit mehreren sta tionären Leitschaufeln 4 versehen, die in einen Kreis ange ordnet sind und deren Öffnungsgrade nicht veränderbar sind. Die Stufe mit höchstem Druck und die Mitteldruckstufe sind über eine Umkehrleitung 5 miteinander in Reihe geschaltet. Ein Läufer 6 der Stufe mit niedrigstem Druck ist an seinem Außenumfang mit mehreren verstellbaren Leitschaufeln 7 ver sehen, die in einem Kreis angeordnet sind und deren Öffnungs grad verändert werden kann. Die niedrigste Druckstufe ist mit der Mitteldruckstufe über eine Umkehrleitung 8 in Reihe geschaltet.

Bei einer mehrstufigen hydraulischen Maschine dieser Art durchsetzt, wenn sie als Turbine mit einem geöffneten Ein laßventil 9 betrieben wird, ein Wasserstrom ein Druckrohr 10 und ein damit verbundenes Gehäuse 11. Der Wasserstrom tritt durch die Leitschaufeln 2 und den Läufer 1 der Stufe mit höchstem Druck ein, durchsetzt die Umkehrleitung 5, die Leitschaufeln 4 und den Läufer 3 der Mitteldruckstufe, die Umkehrleitung 8, die Leitschaufeln 7 und den Läufer 6 der Stufe mit niedrigstem Druck. Das Wasser wird dann durch ein Saugrohr 12 abgegeben, das mit einem nicht dargestellten Wasserablauf verbunden ist. Wenn andererseits die hydrauli sche Maschine als Pumpe arbeitet, strömt das Wasser von dem Saugrohr 12 zum Druckrohr 10 in umgekehrter Weise zu der oben in Verbindung mit dem Betrieb als Turbine beschriebe nen Strömung.

Gemäß der Erfindung arbeitet die mehrstufige (dreistufige) hydraulische Maschine der obenbeschriebenen Art unter einer stetigen Arbeitsbedingung, in dem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der entsprechenden Druckstufen unabhängig oder gleichzeitig in einer solchen Weise gesteuert werden, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Stufe mit niedrig stem Druck immer so gehalten werden, daß sie gleich oder kleiner sind als der Öffnungsgrad der höchsten Druckstufe, so daß die Öffnungsgrade der einstellbaren Leitschaufeln verhältnismäßig größer sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln bei einem Bereich mit hoher Strömungsge schwindigkeit, während die Öffnungsgrade vergleichsweise kleiner als diejenigen der stationären Leitschaufeln gehal ten werden, wenn es sich um einen Bereich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit handelt.

Die hydraulischen Eigenschaften der jeweiligen Stufen der dreistufigen hydraulischen Maschine, die unter einer steti gen Arbeitsbedingung als Turbine arbeitet und die gemäß der obenbeschriebenen Erfindung gesteuert werden kann, wer den nunmehr in Verbindung mit Fig. 2 erläutert.

In Fig. 2 stellt das Bezugszeichen H₁ einen wirksamen Wasserdruck der höchsten Druckstufe dar. H₂ und H₃ sind die Drücke der mittleren Druckstufe und der Niederdruck stufe. Q ist eine Strömungsmenge und a_x (x: . . . , -2, -1, 0, 1, 2, . . . ) bezeichnen die Öffnungsgrade der Leitschau feln der jeweiligen Stufen. Die aus den Buchstaben (z. B. Q und a) mit dem Zusatz "0" bestehenden Bezugszeichen stellen Werte bei der normalen Arbeitsbedingung des Wasserrades dar, in wel cher die jeweiligen Stufen unter einer hydraulisch äquiva lenten Arbeitsbedingung arbeiten. Die normale Arbeitsbedin gung ist als ein Punkt "0" in Fig. 2 dargestellt. Die Öff nungsgrade der Leitschaufeln sind als a₁, a₂, a₃ . . . darge stellt, wenn die Leitschaufeln geöffnet sind, so daß sie größer sind als a₀₁ und sie sind auch dargestellt a_-1, a_-2, a_-3, . . . , wenn die Leitschaufeln geöffnet sind, so daß der Öffnungsgrad kleiner als a₀ ist. ΔE (%) bezeichnet die re lative Turbinenwirkungsgraddifferenz, die durch eine relati ve Differenz von dem maximalen Turbinenwirkungsgrad darge stellt ist.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Strömungsgeschwin digkeit und dem effektiven Wasserdruck für jede Stufe, in welcher die Abszisse ein Verhältnis der Strömungsgeschwin digkeit Θ/Θ₀ zeigt, während die Ordinate Verhältnisse des effektiven Wasserdruckes H₁/H₁₀, H₂/H₂₀ und H₃/H₃₀ an den jeweiligen Stufen zeigt. Infolgedessen kann ein kombinier ter wirksamer Gesamtwasserdruck der mehrstufigen hydrauli schen Maschine erhalten werden, indem die effektiven Wasser drücke für die jeweiligen Stufen summiert werden.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 2, wo das Einlaßventil voll geöffnet ist und wo jede Stufe sich in der normalen Arbeitsbedingung (Punkt 0 in Fig. 2) befindet, wobei der effektive Druck H₁, H₂ oder H₃ jeder Stufe ein Drittel des kombinierten effektiven Gesamtdruckes H₀ ist, der auf die hydraulische Maschine wirkt und der durch die folgende Be ziehung (1) dargestellt ist:

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit von dem Betrag für den normalen Turbinenbetrieb (Punkt 0) verringert wird, sind die geometrischen Betriebsorte in einem Verfahren, in wel chem nur der Öffnungsgrad des Einlaßventils geregelt wird, in einem Verfahren, in welchem nur der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck reguliert wird, und in einem Verfahren nach der Erfindung vergleichend in Fig. 2 gezeigt, die in Verbindung hiermit im folgenden beschrieben werden.

Zuerst nimmt in einem Fall der Einlaßventilsteuerung der auf jede Stufe einwirkende effektive Druck um ein Drittel des Wasserdruckverlustes ΔH_v an dem Teil des Einlaßven tils ab, während der Öffnungsgrad auf dem normalen Öffnungs grad a₀ an jeder Stufe gehalten wird. Infolgedessen ändert sich oder verschiebt sich der Betriebspunkt jeder Stufe entlang einer Kurve 0→A₂ auf der Kurve entsprechend dem normalen Öffnungsgrad a₀ in Fig. 2, und es wird die hydrau lische Maschine mit einem extrem verringerten hydraulischen Wirkungsgrad und niedrigem Druck an jeder Stufe entsprechend der folgenden Beziehung (2) betrieben:

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, geht in einer bekannten mehrstufigen hydraulischen Maschine, die durch Regelung der Strömungsgeschwindigkeit durch Einstellung des Öffnungsgrades allein des Einlaßventils gesteuert wird, die hydraulische Energie entsprechend dem Wasserdruckverlust am Einlaßventil verloren, und es wird die Maschine in jeder Stufe mit dem extrem verringerten hydraulischen Wirkungs grad betrieben, was unwirtschaftlich ist. Da zusätzlich je de Stufe der hydraulischen Maschine an einem Punkt mit einem niedrigen Druck mit verringertem hydraulischen Wirkungsgrad betrieben wird, wird eine Abtrennungserscheinung des Wasser stromes und/oder ein örtlicher Sekundärstrom hervorgerufen, und insbesondere werden in der höchsten Druckstufe die Trennungserscheinung und/oder der örtliche Sekundärstrom in erhöhtem Maße erzeugt, weil der hydraulische Druck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe niedrig ist, wo durch ein nachteiliger Wirbel und eine Kavitation hervor gerufen werden, die starke Schwingungen und Geräusche her vorrufen.

Zweitens soll der Betrieb der dreistufigen hydraulischen Maschine betrachtet werden, bei welchem der Öffnungsgrad der verstellbaren Schaufeln nur der höchsten Druckstufe veränderbar ist, während der Öffnungsgrad der anderen Stufen nicht veränderbar ist. Wenn unter dieser Voraussetzung die Strömungsgeschwindigkeit durch Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verringert wird, so daß die Leitschaufeln einen kleinen Öffnungsgrad bei norma ler Turbinenbetriebsbedingung haben, verschiebt sich der Arbeitspunkt der höchsten Druckstufe entlang einer Kurve O→C, und es verschieben sich die Arbeitspunkte der ande ren Stufen entlang einem geometrischen Ort O→B entspre chend der folgenden Beziehung (3).

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt,kann in einer bekannten mehrstufigen (beispielsweise dreistufigen) hy draulischen Maschine, in welcher die Strömungsgeschwindig keit durch Einstellung des Öffnungsgrades der verstellba ren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck gesteuert wird, die hydraulische Maschine im Vergleich mit der oben beschriebenen hydraulischen Maschine wirtschaftlicher ar beiten, weil kein Verlust der hydraulischen Energie auf grund des Wasserdruckverlustes im Einlaßventil auftritt. Da aber die Stufe mit niedrigstem Druck der an zweiter Stelle genannten hydraulischen Maschine mit verringertem hydraulischen Wirkungsgrad arbeitet, kann in nachteiliger Weise der Wirbel oder eine Kavitation auftreten, die zu starken Schwingungen und Geräuschen am Auslaßteil der Stufe mit niedrigstem Druck führen können.

Schließlich wird unter Hinweis auf Fig. 2 im folgenden die Strömungsgeschwindigkeitseinstellung in einem normalen Turbinenbetrieb einer mehrstufigen hydraulischen Maschine nach der Erfindung beschrieben, in welcher die Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck mit verstellba ren Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade geän dert werden können, wobei die anderen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungs grade nicht veränderbar sind.

Mit dieser mehrstufigen hydraulischen Maschine werden im Falle einer erforderlichen Durchführung einer Lastjustie rung durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit aus der normalen Turbinenbetriebsbedingung (Punkt 0 in Fig. 2) nach der Erfindung die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck so gesteuert, daß die Öffnungsgrade dieser Leitschaufeln ver hältnismäßig kleiner sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der anderen Mitteldruckstufen, während die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gehalten werden, daß sie immer gleich oder kleiner sind als diejenigen der Stufe mit höchstem Druck.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführung, welche eine Betriebsart des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln darstellt, während das Wasserrad in der Last justiert wird, wobei die Abszisse die gesamte Turbinenlast P darstellt, während die Ordinate die Öffnungsgrade a der verstellbaren Leitschaufeln und die Turbinenströmungsge schwindigkeit Q zeigt. Gemäß der hydraulischen Maschine und ihrem Steuerverfahren nach der Erfindung können die verstell baren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck relativ in verschiedenen Öffnungsgrad- Steuerbetriebsarten gesteuert werden. Im einzelnen zeigt Fig. 4, daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit Q entlang einer Kurve 0→A verringert wird, wodurch die gesamte Turbinenlast auf eine Teillast gesteuert wird, die Öffnungs grade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höch stem Druck und mit niedrigstem Druck in Bezug auf die ge samte Turbinenlast P entlang den Kurven 0→A₁ bzw. 0→A₃ gesteuert werden. Unter Hinweis auf Fig. 3 werden nämlich die Stufen der erfindungsgemäßen hydraulischen Ma schine mit höchstem Druck, mit niedrigstem Druck und mit mittlerem Druck entlang den Kurven 0→A₁, 0→A₃ bzw. 0→A₂ betrieben. Somit wird die Stufe mit niedrigstem Druck, in welcher der hydraulische Druck am Auslaß des Läufers gering ist, mit einem hohen Druck und ausgezeich netem hydraulischen Wirkungsgrad betrieben. Deshalb wird der Wasserstrom am Auslaß der Stufe mit niedrigstem Druck stabil, so daß ein unstabiler Wirbel oder Kavitation, die Geräusche und Schwingungen hervorrufen, nicht erzeugt, wes halb die Maschine in der Stufe mit niedrigstem Druck sicher und stabil arbeitet. Da ferner in dieser Steuerbetriebsart nur die Mitteldruckstufen mit niedrigem hydraulischen Wir kungsgrad und niedrigem Druck arbeiten, kann der gesamte hydraulische Wirkungsgrad in einem Turbinenbetrieb mit einem geringen Wasserstrom im Vergleich zu dem Fall verbessert werden, in welchem nur die Stufe mit höchstem Druck mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist.

Selbst in einem anderen Fall, in dem die Installation und/ oder die Betriebsbedingungen einer hydraulischen Maschine ursprünglich erleichtert sind, z. B. wo die hydraulische Ma schine so ausgebildet werden kann, daß sie einen verhält nismäßig großen Pumpendruck hat und der hydraulische Druck auf der Auslaßseite des Läufers der Stufe mit niedrigstem Druck verhältnismäßig hoch ist, wobei kaum ein Wirbel und/ oder eine Kavitation erzeugt wird, die Schwingungen und Geräusche hervorrufen, werden bei der erfindungsgemäßen mehrstufigen hydraulischen Maschine, wenn die Maschine als Turbine mit kleinem Wasserstrom arbeitet, die Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so betrieben, daß die öffnungsgrade der Wasserwege der verstellbaren Leitschau feln einander gleich sind, wobei diese Öffnungsgrade zu sätzlich so gesteuert werden, daß sie kleiner sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruck stufen. Gemäß dieser Steuerbetriebsart werden die Mittel druckstufen entlang einer Kurve 0 A₂ (Fig. 2) betrieben, während die Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck entlang einer Kurve 0 B (Fig. 2) betrieben werden, und zwar mit einem hohen Druck und mit hohem hydraulischen Wirkungsgrad, wodurch die hydraulischen Gesamteigenschaf ten verbessert werden, wie es oben beschrieben ist bezüg lich des Falles, in dem die verstellbaren Leitschaufeln so gesteuert werden daß die Öffnungsgrade der Leitschau feln der Stufe mit niedrigstem Druck kleiner gehalten wer den als diejenigen der Stufe mit höchstem Druck. In die ser Steuerbetriebsart befindet sich der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem Druck leicht auf der Seite des nied rigen Druckes, verglichen mit einem Fall, in welchem der Öffnungsgrad an der Stufe mit niedrigstem Druck kleiner gehalten wird als derjenige an der Stufe mit höchstem Druck, jedoch kann im Vergleich mit dem Punkt A₂ in Fig. 2, wel ches der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem Druck einer üblichen hydraulischen Maschine ist, die hydrau lische Maschine nach der Erfindung auf der Seite mit hohem Druck betrieben werden. Somit werden in einem Falle, in dem der Pumpendruck verhältnismäßig hoch ist, der Wirbel und/ oder eine Kavitation, die Schwingungen und Geräusche her vorrufen, kaum erzeugt.

Somit kann nach der Erfindung die mehrstufige hydraulische Maschine mit hohem Wirkungsgrad und geringen Schwingungen und geringen Geräuschen bei einem Turbinenbetrieb mit klei ner Wassermenge arbeiten. Die hydraulische Maschine kann auch so gesteuert werden, daß der hydraulische Wirkungs grad verbessert oder Schwingungen und Geräusche verringert werden.

In einem Falle, in dem der auf eine hydraulische Maschine einwirkende effektive Druck vorher gegeben ist, kann eine übliche mehrstufige Maschine, die durch die Einlaßventil- Steuerung betrieben wird, in einem Bereich einer Strömungs geschwindigkeit betrieben werden, die größer ist als ein Fall der Bedingung 0 des normalen Turbinenbetriebes, in wel chem das Einlaßventil voll geöffnet ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jedoch kann nach der Betriebssteuerart gemäß der Erfindung die hydraulische Maschine in einem Bereich mit einer Strömungsgeschwindigkeit arbeiten, die höher ist als im Falle der Betriebsbedingung 0 gemäß der folgenden Beziehung (4), und sie kann einen größeren Turbinenauslaß erzeugen.

Ferner kann eine hydraulische Maschine, in welcher ver stellbare Leitschaufeln nur für die höchste Druckstufe vorgesehen sind, in einem Bereich einer Strömungsgeschwin digkeit betrieben werden, der größer ist als im Falle der Betriebsbedingung 0 durch Steuerung der Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck, so daß die Öffnungsgrade größer werden als diejenigen der stationären Leitschaufeln der anderen Druckstufen. Je doch kann nach der Erfindung die hydraulische Maschine in dem höheren Strömungsgeschwindigkeitsbereich betrieben wer den als der gerade obenbeschriebene Fall.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 die vorlie gende Erfindung anhand einer dreistufigen hydraulischen Maschine als typisches Beispiel einer mehrstufigen hydrau lischen Maschine beschrieben.

Mit der dreistufigen hydraulischen Maschine, die durch Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln nur der Stufe mit höchstem Druck betrieben wird, wird in einem Falle, in dem die Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck vom normalen Turbinenbetrieb (Punkt 0) maximal a_max geöffnet werden, der Betriebspunkt entlang einer Kurve 0→D ver schoben, und es werden die Betriebspunkte an den anderen Druckstufen entlang einer Kurve 0→F₁ verschoben. Im Zu stand a_max wird die die hydraulische Maschine durch setzen de maximale Strömungsmenge durch Q₁ dargestellt.

Andererseits werden bei der dreistufigen hydraulischen Maschine nach der Erfindung in einem Falle, in welchem die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck gleichmäßig auf den maximalen Wert von a_max geöffnet werden, die Betriebspunkte dieser Stufen entlang einer Kurve 0→E verschoben, und es wird der Betriebspunkt der Mitteldruckstufe, die mit stationären Leitschaufeln versehen ist, entlang einer Kurve 0→F₂ verschoben. Im Zustand von a_max wird die die hydraulische Maschine durchsetzende maximale Strömungsmenge durch Q₂ dargestellt, die größer ist als Q₁, wodurch ein maxi maler Ausgang im Turbinenbetrieb erhalten wird, der größer ist als derjenige, der bei der üblichen Steuerbe triebsart erhalten wird.

Ein Punkt E in Fig. 2 stellt eine Betriebsbedingung dar, in welcher der hydraulische Wirkungsgrad unter einem ge ringen Wasserdruck verringert wird und wobei oft eine Wassertrenn-Erscheinung oder ein örtlicher Sekundärstrom auftritt. Insbesondere soll angenommen werden, daß an der Stufe mit niedrigstem Druck mit einem Auslaß, bei welchem der hydraulische Druck niedrig ist, ein Wirbel oder eine Kavitation, die Schwingungen und Geräusche hervorrufen, auftreten. Jedoch werden in diesem Falle nach der Erfin dung die Leitschaufeln der jeweiligen Stufen so gesteuert, daß der Öffnungsgrad der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufe kleiner ist als derjenige der verstellba ren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck , während eine solche Relativbeziehung aufrechterhalten wird, daß der Öffnungsgrad der verstell baren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so ge steuert wird, daß er kleiner ist als der der Stufe mit höchstem Druck. Gemäß dieser Steuerbetriebsart arbeiten gemäß Fig. 2 die Stufen mit höchstem, mit niedrigstem Druck und mit mittlerem Druck entlang der Kurven 0→E₂, 0→E₃ bzw. 0→F₃, und es hat deshalb die Stufe mit niedrigstem Druck einen Druck, der höher ist, als der in einem Falle, in welchem die Stufe mit niedrigstem Druck mit den Öffnungsgraden der verstellbaren Leitschau feln so betrieben wird, daß sie gleich denjenigen der Stufe mit höchstem Druck ist, wodurch die Erzeugung des Wirbels oder einer Kavitation unterdrückt wird.

Gemäß der mehrstufigen hydraulischen Maschine und deren Betriebssteuerverfahren, wie es oben beschrieben ist, wer den bei stetigem Turbinenbetrieb die Öffnungsgrade der Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so gesteuert, daß sie relativ größer sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen in einem Betriebsbe reich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit oder relativ klei ner sind in einem Betriebsbereich mit niedriger Strömungs geschwindigkeit. Obgleich in dieser Steuerbetriebsart die jeweiligen Druckstufen gleichzeitig oder unabhängig gesteuert werden, wird in jedem Falle der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gehalten, daß er gleich oder relativ kleiner ist als derjenige der Stufe mit höchstem Druck. Somit kann die er findungsgemäße mehrstufige hydraulische Maschine stabil betrieben werden mit extrem herabgesetzten Schwingungen und Geräuschen und mit verbessertem hydraulischen Wirkungs grad in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und mit beträchtlich großem maximalen Ausgang in einem Be reich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit.

In einer Steuerbetriebsart für die verstellbaren Leitschau feln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck in Abhängigkeit von der Änderung des Wasserspiegels, d. h. der Änderung der Wasserhöhe bzw. des Wasserdruckes, im stetigen Turbinenbetrieb gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, können die Öffnungsgrade der verstell baren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und mit niedrig stem Druck jeweils durch verschiedene Steuerbetriebsarten in Bezug auf den Wasserdruck bzw. die Wasserhöhe gesteuert werden. Wie in Fig. 6 im einzelnen gezeigt, werden in einem Fall, in welchem eine Last so justiert oder gesteuert wird, daß die Strömungsmenge Q sich entlang einer Kurve 0→I von der Normalbedingung 0 in Abhängigkeit von der Änderung der gesamten effektiven Wasserhöhe bzw. des Wasserdruckes von der Normalbedingung H₀ auf eine geringe Wasserhöhenbedin gung H_m verringert, die jeweiligen Druckstufen so gesteuert, daß die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck kleiner werden als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen, während der Öffnungsgrad der verstell baren Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe immer so ge halten wird, daß er kleiner ist als derjenige der höchsten Druckstufe.

Im folgenden werden die hydraulischen Eigenschaften der mehr stufigen hydraulischen Maschine in dem stetigen Pumpenbetrieb beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit Fig. 3 an einer dreistufigen hydraulischen Maschine.

In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen H₁ eine Förderhöhe an der höchsten Druckstufe. H₂ ist eine Förderhöhe an der mittleren Druckstufe, während H₃ eine Förderhöhe bei der niedrigsten Druckstufe ist. Das Bezugszeichen Q bezeichnet eine Strömungsmenge, während die Bezugszeichen H₁₀, H₂₀, H₃₀ und Q₀ entsprechend H₁, H₂, H₃ und Q Förderhöhen und die Strömungsmenge in der normalen Pumpenbetriebsbedin gung sind (Punkt 0 in Fig. 3) in welchem die Betriebe der jeweiligen Druckstufen hydraulisch äquivalent sind. Das Bezugszeichen a₀ bezeichnet den Öffnungsgrad des Wasserwe ges in jeder Stufe beim normalen Pumpenbetrieb, während a₁ die Öffnungsgrade der Wasserwege der höchsten und der nie drigsten Druckstufen größer als a₀ sind. a_-1 bezeichnet die öffnungsgrade der ,Wasserwege der höchsten und niedrigsten Druckstufen kleiner als a₀·Δ_h bezeichnet die maximale Turbinenwirkungsgraddifferenz′ die durch eine relative Differenz vom maximalen Turbinenwirkungsgrad dargestellt ist. Die gesamte Förderhöhe der mehrstufigen hydraulischen Maschine wird erhalten durch Zusammenaddieren entsprechender Förderhöhen der jeweiligen Druckstufen entsprechend den in Fig. 3 gezeigten Strömungsmengen. Gemäß Fig. 3 ergibt sich die gesamte Förderhöhe H₀, die bei normalem Pumpenbetrieb (Punkt 0) erzeugt wird, in welchem das Einlaßventil völlig geöffnet ist und die jeweiligen Stufen gemäß der folgenden Beziehung (5) hydraulisch gleich betrieben werden.

Wenn der Wasserspiegel bei einer hydroelektrischen Kraft anlage über denjenigen bei Normalbetrieb ansteigt, ist es für die hydraulische Maschine erforderlich, als Pumpe unter einer Wasserhöhe zu arbeiten, die höher ist als die normale Wasserhöhe H₀ in Abhängigkeit von dem Anstieg des Wasser spiegels. Da aber in einem solchen Falle bei einer üblichen mehrstufigen hydraulischen Maschine die jeweiligen Druck stufen mit den stationären Standard-Öffnungen a₀ der Was serwege und mit vollständig geöffnetem Einlaßventil be trieben werden, verschiebt sich der Betrieb jeder Stufe in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der hohen Förderhöhe entlang einer Kurve 0→A₁ mit verhältnismäßig großen Öffnungsgraden a₀, und es wer den die jeweiligen Druckstufen mit extrem herabgesetzten hydraulischen Wirkungsgraden betrieben, wodurch die hy draulischen Gesamteigenschaften der hydraulischen Maschine herabgesetzt werden. Bei einer üblichen hydraulischen Ma schine, in welcher nur die höchste Druckstufe mit verstell baren Leitschaufeln versehen ist, deren Öffnungsgrade einge stellt werden können, während die anderen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, die konstante Öffnungsgrade besitzen, wird der Betriebspunkt der höchsten Druckstufe entlang einer Kurve 0→B₁ mit dem am besten zu treffenden Öffnungsgrad eines Wasserweges verschoben, wäh rend der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem Druck, der an der Pumpeneinlaßseite eines Läufers einen niedrigen hy draulischen Druck aufweist, zu einem Punkt A₁ auf einer hohen Förderhöhenseite mit dem normalen Öffnungsgrad a₀ verschoben wird. Somit können auf der niedrigsten Drucksei te Geräusche und Schwingungen durch Kavitation oder ört lichen Sekundärstrom hervorgerufen werden. Bei der hydrau lischen Maschine gemäß der Erfindung werden in einem sol chen Falle die Betriebspunkte der Mitteldruckstufen zum Betriebspunkt B₁ auf der hohen Förderhöhenseite verscho ben, wobei der Öffnungsgrad a₀ des Wasserweges und die öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß sie kleiner werden als a₀ , so daß die Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck zur Seite mit großer För derhöhe entlang der am besten geeigneten Kurve 0→C₁ verschoben werden, und zwar mit der folgenden Beziehung (6) wobei der hohe hydraulische Wirkungsgrad aufrechterhalten wird und die Erzeugung von Kavitation oder örtlichem Se kundärstrom, die zu Schwingungen und Geräuschen führen, extrem verringert werden.

Infolgedessen kann mit der erfindungsgemäßen mehrstufigen hydraulischen Maschine in dem Bereich niedriger Strömungs geschwindigkeit auf der Turbinenseite mit hoher Förderhöhe die hydraulische Maschine mit verbesserten hydraulischen Eigenschaften und geringerer Erzeugung von Kavitation oder örtlichem Sekundärstrom im Vergleich mit einer üblichen hydraulischen Maschine betrieben werden.

Andererseits ist es in einem Falle, in welchem ein Wasser spiegel bei der Kraftanlage sich unter denjenigen des normalen Pumpenbetriebes verringert, erforderlich, die hydraulische Maschine mit einer Förderhöhe zu betreiben, die niedriger ist als die normale Förderhöhe entsprechend dem erniedrigten Wasserspiegel. In einem solchen Falle wird eine übliche hydraulische Maschine mit den jeweiligen Stufen mit der normalen stationären Öffnung a₀ und mit voll geöffnetem Einlaßventil betrieben, und es werden die Be triebsbedingungen der jeweiligen Stufen entlang einer Kurve 0→A₂ verschoben zum Bereich mit höherer Strömungsge schwindigkeit auf der Seite niedriger Förderhöhe, und zwar mit der verhältnismäßig kleinen Öffnung a₀ des Wasserweges, so daß die jeweiligen Druckstufen mit geringem hydrauli schem Wirkungsgrad und verringerten hydraulischen Gesamt eigenschaften arbeitet. In diesem Falle werden bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine die Arbeitsbedin gungen der Mitteldruckstufen zur Seite mit geringer Förder höhe verschoben, und zwar mit dem normalen Öffnungsgrad a₀, jedoch werden die Betriebsbedingungen der Stufen mit höch stem und niedrigstem Druck zur Seite geringer Förderhöhe entlang einer Kurve 0→B₂, verschoben, indem die öffnungs grade dieser Stufen so gesteuert werden, daß sie kleiner sind als a₀, wodurch ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad aufrechterhalten und die hydraulischen Gesamteigenschaften verbessert werden.

Infolgedessen kann, wie oben beschrieben, die erfindungsge mäße hydraulische Maschine in einem stetigen Pumpenbetrieb im Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite hoher Förderhöhe bzw. im Bereich hoher Strömungsgeschwin digkeit auf der Seite geringerer Förderhöhe mit extrem verbesserten hydraulischen Eigenschaften betrieben werden, indem die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck so gesteuert wer den, daß sie relativ kleiner oder größer als der konstante Öffnungsgrad der Mitteldruckstufen sind.

Die Steuerungen der verstellbaren Leitschaufeln bei steti gem Turbinenbetrieb und bei stetigem Pumpenbetrieb können leicht unter hydraulisch stabiler Bedingung bewirkt werden, und zwar durch Betätigung eines Steuersystems 20, welches einen Wasserspiegelregler 13 und eine Leitschaufel-Steuer einheit 14 enthält, mit der die verstellbaren Leitschau feln 2, 7 verbunden sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und durch ein Betriebssteuersystem 20, das eine Lasteinstell einheit 15 und die Leitschaufel-Steuereinheit 14 enthält, mit der die verstellbaren Leitschaufeln 2, 7 verbunden sind, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine mit
- - wenigstens drei Druckstufen, die durch Überströmleitungen (5, 8) in Reihe geschaltet sind,
- - wobei die Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck mit verstellbaren Leitschaufeln (2, 7) versehen sind, und
- - wobei zwischen den Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck wenigstens eine mit feststehenden Leitschaufeln (4) versehene Mitteldruckstufe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
- - daß bei einer Änderung der Betriebsbedingung bei stetigem Betrieb der hydraulischen Maschine der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln (7) der Stufe mit niedrigstem Druck gleich oder kleiner gehalten wird als derjenige der Stufe mit höchstem Druck und
- - daß die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln (2, 7) der Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß
- - bei einem Betrieb mit hohem Wasserdurchsatz deren Öffnungsgrade größer sind als die Öffnungsgrade der feststehenden Leitschaufeln (4) der wenigstens einen Mitteldruckstufe,
- - bei einem Betrieb mit geringem Wasserdurchsatz aber kleiner sind als diejenigen der feststehenden Leitschaufeln (4) der wenigstens einen Mitteldruckstufe.