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Verfahren zur Regelung des Wasserdurchflusses von Wasserturbinen.
Die bisher bekannten Wasserkraftanlagen besitzen als charakteristisches Kennzeichen
ihrer Regelung zweierlei Merkmale: r. das Merkmal der sogenannten »wassersparenden
Regelung«, d. i. die Regelung der Turbinen durch sogen.annte Leitorgane (Querschnitts-
oder Füllungsregelung) bei ungefähr gleichbleibendem Nutzgefälle. Diese Regelung
bildet die Regel. Sie findet sowohl bei Änderung der Belastung als auch bei Änderung
der
vorhandenen Wasserführung ohne wesentlichen Unterschied statt, da beide Aufgaben
nicht getrennt, s(mdern zwangläufig und mechanisch iiiiteillaiidcr gekuppelt sind,
wie z. B. die Reglung einer Francisturbine durch t#inksche Drehschaufeln; a. das
'Merkmal der »Denzentralisierung« des LZegeltorganges. Diese Dezentralisierung (l:illzelregelung)
ist notwendig, um bei <lein nach i. gewählten Regelvorgang die Turbinenfüllung
für jedes einzelne Turbinena-grcgat durch Querschnittsverstellung lielierrschen
zu können.
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Dabei ist bemerkenswert, daß inan i isher für jede Turbinenfüllung
einen möglichst guten Wirkungsgrad der Turbine in je(lc.ii Fall anstrebte. Dieser
Grundsatz ist bei einer Regelung auf Wasserffhrung durchaus richtig. Bei einer Regelung
auf Belastung ist je-
doch clicser Grundsatz nur dann richtig, Wenn nian das
durch die Füllungsregel gesparte Wasser auch tatsächlich akkumulieren kann, wie
z. B. bei Talsperren. Bei nicht speicherfähigen Anlagen, deren Ausbau vielfach die
Regel bildet, ist es jedoch sinnlos, bei Belastungswechsel eine «-assersparende
Regelung anzuwenden, da inan das scheinbar gesparte Wasser über einen Leerlauf oA
dgl. zum Aüfluß bringen muß, rund da nian auf diese Weise die Aufgabe baulich überkompliziert
Matt vereinfacht.
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Durch die vorliegeiidc Erfindung wird gruildsätzlich zwischen der
Regelung bei Belastungswechsel und zwischen der Regelung ':ei Wasserführtingsweclisel
unterschieden. leide Regelarten Werden bei einer Wasserkraftanlage nach der vorliegenden
Erfindung unabhängig voneinander ausgebildet und betätigt, und zwar die Regelung
bei veränderlicher Wasserführung in zu@_äclist gleicher Weise Wie bisher durch Verstellen
der Einlauforgane der Turbine, die Regelung bei Belastungswechsel jedoch dadurch,
daß den Turbinen zum Zwecke der Erhaltung konstanter Drehzahl bei beliebigen Schwankungen
der Belastung (las Wirksahne Turbinennutzgefälle durch eine praktisch staulose Änderung
des vorhandenen Rohrgefälles vermittels eines besonderen Steuerorgans Weggenommen
bzW. wiedergegeben Wird. Bei dieser Druckregelung ist kein 'Verstellen von Leitorganen
der Turbi.::en erforderlich, sondern zunächst lediglich die Anwendung bekannter
Energievernichter vorausgesetzt.
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Die erste Regelulig (Wasserführung) regelt, theoretisch gesprochen,
bei konstantem Gefälle die Wassermenge O, wobei der Querschnitt I# der -I'tirl>inciiöltnuilg
(Füllung) zu variieren ist (C)jF-Re.gclullg); die zweite Regehing (Belastung) regelt
hei konstantem Ouerschnitt der Leitorgane einerseits (las in den Turbinen Wirksame
Gefälle H, anderseits eben dadurch nach bekannten livdratilischen Beziehungen die
zti (1.-n Laufrädern strönienden `Vasserinengen Oder Turbinen (()j1I-Re gelung).
Nacildein die Leistung einer Wasserkraftanlage unter Annalinic konstanten \Virkungsgradcs
dein Produkt H proportional ist, so ist ohne weiteres -einzusehen, (Maß mit (lcr
0i1I-Regelung bei Belastungswechsel eine sehr viel raschere mill wirksamere Anpassung
an die Letreffende L.cistun:g erfolgt als mit der Q/F-Regelung, (la im ersteren
Fall alle zwei Faktoren, im letzteren 1#a11 dagegen nur ein Faktor getroffen wird.
.Noch inchr ist dies der Fall, wenn außerdem noch der Wirkungsgrad der Turbine selbst
mit Drosselung des Gefälle al)n.ininit, was bei der angegebenen Art der l"egelttng
ini stärksten Malle der Fall ist.
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Die Variation des Faktors 11 erfolgt durch ein besonderes Steuerorgan,
welches das von der Turbinenzuleitung kom nende Wasser aufzunehmen und dasselbe
entsprechend zwischen rlen Turbinen und dein Energievernichter zti verteilen hat.
Dabei kann das betreffennie Steuerorgan im Grenzfall so aus-"ehil.(let sein, Maß
es Elen Energievernichttnigs vorgang gleichzeitig in sich begreift. Die Wirkungsweise
ist dabei folgende: Sind die auf den Energievernichttnigsvorgang beziiglichen Steuerquerschnitte
dieses neuartigen Steuerorganes geschlossen, so ist das tolle Gefälle @in den Turbinen
wirksam, sind dagegen die Steuerquerschnitte des gleichen Organes für die Energievernichtung
toll g,2-Z, öffnet, so wird in den Turbinen nur jener Teil des Gefälles wirksam,
welcher gerade zur Überwindung .der Turbinenleerlaufarbeit einschließlich Generatorleerlauf
hinreicht. Durch diese Trennung beider Regelarten un,l durch die eben beschriebene
Art der Regelung für Belastungswechsel wird ein dreifacher Zweck erreicht: i. Es
ist die'lvgliclilceit gegeben, die Belastungsschwankungen auf die in Betrieb befindlichen
Turbinen gleichmäßig ztt verteilen und sämtliche Turbinen des Kraftwerkes finit
einem einzigen Regler zu steuern, 'lesen lZeibungsarbeit wesentlich kleiner ausfällt,
als .dies bei Benutzung,des sogenannten Regelringes bei der üblichen Finkschen Drehschaufelregelungder
Fall ist. Es ergibt sich dadurch .infolge Wegfalls des üblichen Turbinenreglers
je nach Größe der Regelarbeit pro Turbine eine Ersparnis his zu rund i o Prozent
der Baustunine.
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z. Ferner ist,die Möglichkeit gegeben, ohne je,len Leerschoß arbeiten
zu können, woAurch sich eine wesentliche Kostenersparnis für jrde Leerschußanlage
ergibt.
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3. Durch _lie Anwendung und IZegeluilg des
Energievernichters
werden sämtliche Stöße in ,len Rohrleitungen auch bei größtem und plötzlichem Belastungswechsel
vermieden, wodurch sich einerseits die Dimensionierung .der Blechstärke ],ei den
Rohrleitungen verringert und anderseits der Sicherheitsgrad .der An-Lage wesentlich
erhöht.
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Die Wirkungsweise des Regelverfahrens .ist aus folgender Betrachtung
verständlich: Wird bei plötzlicher Belastungsabnahme nur mehr ein Teil der im Oberwassergraben
zuströmenden Wassermenge benötigt, so wurilen bisher die Drehschaufeln der Turbine
;lurch den Regler automatisch entsprechend :.geschlossen. Die Folge davon war: i.
Die, N otwendigkeit des Leerschusses für die abgeworfenen, in der Turbine nicht
verbrauchten und in der Stauanlage vor ;dem Kraftwerk nicht speicherfähigen Wassern:assen.
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2. Eine entsprechende Drucksteigerung in den Rohrleitungen zur Turbine
und im Tur-1 inengehäuse selbst, welche - wie bekannt -des öfteren zu Betriebsstörungen
und sogar schon zu Zerstörungen von Anlagen geführt hat.
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Demgegenüber tritt bei .dem neuen Regelverfahren vor der in Betrieb
befindlichen Tur-1 ine lediglich eine Trennung der in den Rohrleitungen entsprechend
der Wasserführung zuströmenden Wassermassen in zweai Teile ein, und zwar in eine
Teilwassermenge, welche nutzbar durch idie Turbine verarbeitet wird, und in eine
Teilwassermenge, «,eiche je nach Belastung ungenützt durch den vom Regler gesteuerten
Energievernichter zum Abfluß kommt. Der Anschluß des Energievernichters erfolgt
.dabei- durch entsprechende Rohrabzweigung vor dem Eintritt zu den Turbinen. 1 -:ine
Drucksteigerung findet bei den Arbeiten des Energievernichters nicht statt. Eine
Sicherung für das Funktionieren des Energievernichters ist bei beliebigem Arbeiten
und auch bei Versagen des Reglers .dadurch gewährleistet, daß bei Überschreiten
einer 1-Iöchstwassergrenze im Oberwassergraben eine besonders hydraulische, einerseits
selbsttätige, anderseits dabei zwangtäufige Steuerung durch Idas überlaufende Wasser
auf volle iffnung ;des Energievernichters unabhängig von der durch ,den Regler betätigten
Reglerheivegung erfolgen kann.
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In Abb. i der Zeichnung ist das Regelungsverfahren für den Belastung=
und Wasserführungswechsel ;in einer schematisch gezeichneten Turbinenanlage beispielsweise
veranschaulicht. Abb. 2 zeigt, wie der Regelvorgang bei Belastungswechsel zentralisiert
werden' kann, ,da in geschlossenen Leitungen, an welchen die Turbinen angeschlossen
gedacht sind, sich jede Gefällsänderung augenblicklich in .dem gleichen Maße fortpflanzt.
Abb. 3 zeigt den normalen Regelvorgang bei Änderung,der Wasserführung durch Verstellen
der Leitorgane vor und hinter -dem Laufrad der Turbinen zum Zwecke der Erzielung
besten Wirkungsgrades für jede Wasserführung unter Voraussetzung der Vollbelastung.
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In Abb. i ist mit H das Roh- bzw. Normal-"U efälle, mit Hn .das wirksame
Nutzgefälle verzeichnet, mit a die Turbünenzttleitung, mit b die Abzweigleitung,
mit c die Leerschußleitung, mit d das Steuerorgan zur Erzielung des vardablen wirksamen
Gefälles in den Turbinen. ;Das Turbinengehäuse e ist in der üblichen Weise mit einem
Saugrohr f versehen. g ist die bei Belastungswechsel wirksame Antriebsvorrichtung
für das Steuerorgan d, welches beispielsweise am Ende der Leitung c nach Art eines
Energievernichters ausgebildet ist. Die gesamte Wassermenge in ;der Zuleitung a
ist mit O, die .durch die Turbinen gehende Teilwassermenge ist mit O, und die durch
idie Abzweig- und Leerleitungen fließende Wassermenge mit 02 bezeichnet. Die Wirkungsweise
der Regelung bei Belastungswechsel ist so, daß trotz Änderung des Nutzgefälles Hie
!in .den Turbinen die Wassermengen Q1 urnd O2 in ihrer Summ;. stets der entsprechend
der vorhandenen Wasserführung dem Kraftwerk zufließenden Wassermenge O gleich bleiben.