DE69215352T2 - Steuerung von Druck- und Leistungsschwankungen in Wasserturbinen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur aktiven Steuerung van hydraulischen Druck- und Leistungsimpulsen in einer hydraulischen Reaktionsturbine, insbesondere einer hydraulischen Francis-Turbine, wenn letztere unter Belastungen läuft, die von einer Nennbelastung abweichen.
• Aus Gründen einer einfachen Darstellung beziehen wir uns im folgenden nur auf die Francis-Turbine.
• Es ist anzumerken, daß in einer Francis-Turbine unter Belastungen, die größer oder kleiner als die Nennbelastung sind, am Austritt der Rotorschaufeln eine Kreisbewegung der Wasserströmung erzeugt wird, die zu einer Zunahme des bekannten Phänomens des sogenannten "Wirbelfadens" im Turbinendiffusor führt, der für die hydraulischen Druck- und Leistungsimpulse der Turbine verantwortlich ist. Diese Impulse können durch die dynamischen Eigenschaften der Turbine und der hydraulischen Anlage im allgemeinen verstärkt werden und das korrekte Funktionieren der Turbine in bestimmten Belastungsbereichen beeinträchtigen.
• Entsprechend der bekannten Technik wird diesem genannten Nachteil empirisch durch verschiedene Mittel begegnet, die als Mittel einer passiven Steuerung definiert sind, so wie zum Beispiel das Einführen einer bestimmten Luftströmung stromab des Turbinenläufers oder das Anordnen von Körpern mit verschiedener Form im Diffusor, die geeignet sind, um diese Kreisbewegung abreißen zu lassen.
• Die Nachteile des bezeichneten Verfahrens bestehen in seiner begrenzten Wirksamkeit, den empirischen Charakter der Anwendungskriterien, einem Leistungsverlust, mechanischen Komplikationen und hohen Kosten des Einbaus von Verdichtern und/oder Ventilen zur Regelung des Luftstroms stromab vom Turbinenrotor und dem schnellen Verschleiß dieser Körper mit verschiedenen Formen infolge von Kavitation oder der durch Schwingungen verursachten Spannung.
• Außerdem werden die Druckschriften GB 1 060 395 und US 4 991 397 genannt, die sich auf Erfindungen beziehen, die einige deutliche Verbindungen zu der vorliegenden Erfindung aufweisen.
• Die Druckschrift GB 1 060 395 offenbart ein Verfahren, das die Einführung von Druckluft in eine Wasserzuleitung vorsieht, um einen Wasserschlag zu verringern, was ein gegenüber der vorliegenden Erfindung unterschiedliches Konzept ist, das heißt, daß Diffusorvolumen zu verändern, um den "Wirbelfaden" zu minimieren. Darüber hinaus besteht das durch dieses Verfahren verwendete Mittel in der Einführung von Druckluft, während in der vorliegenden Erfindung die Einführung von zusätzlichem Wasser in den Diffusorkrümmer der Turbine und das Anordnen eines Körpers im Turbinendiffusor vorgesehen sind.
• Die Druckschrift US 4 991 397 hat mit der vorliegenden Erfindung gemeinsam einen in den Diffusor der Wasserturbine eintretenden Wasserkanal, der ein Wasserstrahlelement bildet, das einen Flüssigkeitsstrahl an einem definierten hydrostatischen Gefälle erzeugt, um einen Energieeintritt zu schaffen, wobei dieses Wasser anders als das am Ausströmraum der Turbine aufgenommene ist, während das, die vorliegende Erfindung betreffende, zusätzliche Wasser das gleiche wie das im Ausströmraum der Turbine aufgenommene ist.
• Im folgenden dieser Beschreibung wird das bei der Übertragung vom Austritt des Turbinenrotors zum statischen Druckbecken verfügbare Wasservolumen "Volumen des Diffusors" bezeichnet.
• Die Erfindung beseitigt den größeren Teil der oben genannten Nachteile und ist nach den Patentansprüchen ein System, das zusammen oder wahlweise zumindest einen Körper mit festem Volumen, der zur Bewegung im Krümmer des Diffusors gesteuert wird, und einen Hilfskanal mit einer gesteuerten Wasserströmung und vorzugsweise konstantem Querschnitt aufweist, der sich parallel zum Diffusor vom Bereich des Krümmers zu dem Bereich erstreckt, der dem statischen Druckbekken benachbart angeordnet ist, wobei beide als Mittel zum Einführen einer zusätzlichen, gesteuerten Wasserströmung am Diffusorkrümmer oder etwas weiter stromab des Krümmers verwendet werden.
• Der bewegliche Körper wird durch eine geeignete Antriebseinrichtung betätigt, um sich zwischen einer Stellung, in der das Diffusorvolumen ein Maximum ist (beweglicher Körper ist vollständig zurückgezogen) und einer Stellung, in der das Diffusorvolumen ein Minimum ist (beweglicher Körper ist vollständig ausgefahren) zu bewegen. Die Antriebseinrichtung wird gesteuert durch ein System mit im Diffusor unmittelbar stromab des Rotors eingebauten Drucksensoren zum Bestimmen der synchronen Komponente von Druckschwankungen mit Hilfe einer geeigneten on line-Verarbeitung der Signale von den genannten Sensoren durch einen Signalprozessor, und mit einer Programmiereinrichtung, welche die verarbeiteten Signale entsprechend einem vorgegebenen Programm nutzt, und mit einem Stellglied, das den genannten Motor antreibt. Vorzugsweise erteilt dieses vorgegebene Programm dem Motor eine im wesentlichen sinusförmige Hin- und Herbewegung mit einer Amplitude, Phase und Frequenz derart, daß das "Wirbelfaden"-Phänomen minimiert wird.
• Im Hilfskanal wird, wie noch erläutert wird, eine pulsierende wasserströmung erzeugt, die vom statischen Druckbekken zu einem Steuerventil verläuft, in den Diffusorkrümmer eintritt und sich mit der Wasserströmung des Zustands Q&sub0; vereinigt.
• Ein experimenteller Beweis hat gezeigt, daß bei einer Veränderung des genannten Diffusorvolumens mit Hilfe des beweglichen Körpers und/oder durch den Hilfskanal als Funktion der im Diffusor meßbaren hydraulischen Druckimpulse diese Impulse und deshalb die negativen Wirkungen auf die Leistung der Turbine auf ein Minimum verringert werden. Der bewegliche Körper ist vorzugsweise im äußeren Bogen des Diffusorkrümmers oder in einer Position unmittelbar stromab dieses äußeren Bogens angeordnet, und der einen konstanten Querschnitt besitzende, genannte parallele Kanal mit einer Einlaßöffnung im äußeren Teil befindet sich vorzugsweise unmittelbar stromab dieses Krümmers und die Auslaßöffnung in der Nähe des statischen Druckbeckens. Die Einlaßöffnung wird durch ein Ventil gesteuert, das seinerseits auf verschiedene Art und Weise geregelt werden kann, zum Beispiel beim Anstieg des statischen Drucks durch Öffnen und beim Abfall des statischen Drucks durch Schließen, wie es in dieser Beschreibung später besser erläutert wird.
• Es folgt eine kurze theoretische Erläuterung der Erfindung.
• Es ist anzumerken, daß die durch die Wechselwirkung zwischen dem Diffusorkrümmer und der Winkelstellung des Wirbelfadens bewirkte synchrone Erregung und das in Drehung versetzte Wasser als periodischer Impuls (Amplitude /H/ und Periode 2π/ω des piezometrischen Spalts zwischen dem Anfang und dem Ende des Krümmers dargestellt werden kann, wobei es deshalb ohne die Verwendung von geeigneten Vorrichtungen nicht möglich ist, eine stabile statische Zuleitung mit konstantem Durchfluß in dem Diffusorquerschnitt zu erzielen, der dem Krümmer folgt. Das dynamische Gleichgewicht des Systems kann mit Hilfe von periodischen Veränderungen der Strömung erreicht werden, die jedoch einen Anstieg der Volumenänderungen des Hohlraums um den Wirbelfaden herum und deshalb Änderungen des synchronen Drucks sowie wiederum Änderungen bei Spalt, Durchfluß, Drehmoment und Leistung des Turbinenrotors ergeben.
• Nach der Erfindung werden einige solcher unerwünschter Veränderungen durch die Hin- und Herbewegung des beweglichen Körpers vermieden, was das gleiche ist wie das Einspritzen einer oszillierenden Wasserströmung
• = - / zd
• in den Diffusor von außen, wobei zd der Einlaßwiderstand des Diffusors ist (zur Vereinfachung der Darstellung halten wir eine lineare Annäherung des Systems ein). Das Vorhandensein der synchronen Erregung H zwischen dem unmittelbar stromab des Turbinenrotors gelegenen ersten Querschnitt und dem am Ende des Krümmers befindlichen zweiten Querschnitt ist jetzt genau die notwendige und genügende Bedingung, um eine piezometrische Konstante am Anfang des Krümmers und Veränderungen am Ende des Krümmers zu gewährleisten, die mit der Präsenz der zusätzlichen Wasserströmung q verträglich sind, und deshalb das ganze System stromauf von diesem ersten Querschnitt von Ereignissen dynamisch zu isolieren, die sich stromab befinden. Auf diese Art und Weise leidet der Wirbelfaden oder dessen größerer Teil nicht unter Druckschwankungen, bleibt das Hohlraumvolumen konstant, gibt es keine synchronen Druckveränderungen stromauf des Querschnitts und die Druchflußgeschwindigkeit, der Spalt, das Drehmoment sowie die Leistung bleiben konstant.
• Entsprechend der Erfindung können weitere unerwünschte Veränderungen ebenfalls mit Hilfe des genannten Hilfskanals vermieden werden. Die Einlaßöffnung des Hilfskanals wird durch ein Ventil gesteuert, dessen Öffnen und Schließen durch periodische Änderungen des Koeffizienten des Mengenverlustes des gleichen Ventils reguliert werden, der bei etwa einem Durchschnittswert ausgewählt ist. Beim Betrieb der Turbine bewirken die Änderungen der kinetischen Energie im Diffusor, daß die dem Einlaß des statischen Druckbeckens entsprechende piezometrische (Konstante) h&sub3; größer ist als der dem Ventil entsprechende piezometrische Durchschnittswert h&sub2;, was einen Anstieg im parallelen Kanal auf einen Durchschnittswert der Strömung q&sub0; von diesem Becken zu der genannten Öffnung ergibt. Die Veränderungen von &sub2; zusammen mit den durch ausgedrückten Regulierungen der Ventilöffnung ergeben einen Anstieg gegenüber den Schwankungen der Durchflußgeschwindigkeit q um diesen Durchschnittswert der Durchflußgeschwindigkeit q&sub0;, wobei auf diese Art und Weise im sich erweiternden Querschnitt des Diffusors eine Strömung Q&sub0; + q&sub0; + gebildet wird. (siehe auch Fig. 3)
• Ein Weg zur Verwirklichung der Erfindung wird wie folgt mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen ausführlich erläutert.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen
• Fig. 1 eine erste, teilweise geschnittene, vertikale Ansicht;
• Fig. 2 ein Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 1 und
• Fig. 3 eine zweite, teilweise geschnittene, vertikale Ansicht.
• Die Fig. 1 zeigt den Teil einer Francis-Turbine mit seinem Ausströmraum 1, dem Rotor 2 mit den Schaufeln 3 und der Welle 4, den Vorverteiler 5 mit starrer Schaufel, den Verteiler 6 mit beweglicher Schaufel und den Diffusor 7 mit Krümmer 8. Im unteren Teil des Verteilers gibt es unmittelbar stromab vom Krümmer einen verschiebbaren, zylindrischen Körper 9 in einem entsprechenden zylindrischen Sitz 10, einen Arm 11, dessen eines Ende mit dem unteren Ende des zylindrischen Körpers und dessen anderes Ende mit einem Element verbunden ist, welches mit der Welle 13 eines Motors 14 rotiert, der dem Körper 9 eine im wesentlichen sinusförmige Hin- und Herbewegung mit einer Amplitude, Frequenz und Phase verleihen kann, die durch die von den Druckwandlern 15 übertragenen Signale gesteuert werden, welche die durch das Wirbelfadenphänomen erzeugten Druckänderungen bestimmen können; wobei die von den Druckwandlern 15 übertragenen Signale durch einen Prozessor-Regler 16 verarbeitet werden, der einen Betätiger 17 steuert, welcher seinerseits den Motor 14 antreibt. Auf diese Art und Weise wird der zylindrische Körper gesteuert, um zwischen der in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 9 angegebenen Stellung, in der das Diffusorvolumen ein Maximum ist, und der in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 9A angegebenen Stellung, in der das Diffusorvolumen ein Minimum ist, aus dem Diffusor auszufahren bzw. sich zurückzuziehen. Alle Verbindungen zwischen den Teilen sind kurz als 18 angegeben.
• Die Fig. 2 zeigt, daß es vier Druckwandler 15 gibt, die an dem Einlaß des Diffusors jeweils im Winkel von 90º angeordnet sind.
• Die Fig. 3 zeigt, daß die Wasserströmung Q&sub0; in den Diffusor 7 eintritt, entlang des Krümmers 8 und des sich erweiternden Querschnitts 20 zum statischen Druckbecken 21 verläuft, wobei unmittelbar stromab des Krümmers 8 eine Einlaßöffnung 22 für einen Kanal 23 mit konstantem Querschnitt und im wesentlichen parallel zum Diffusor angeordnet vorhanden ist, eine Auslaßöffnung 24 diesen Kanal mit dem statischen Druckbecken verbindet, die Einlaßöffnung 22 durch das Öffnen und Schließen des Ventils 25 gesteuert wird, dessen Stößel 26 an einem Element 27 angebracht ist, das sich in Richtung des Pfeils F drehen kann, und durch einen vom Prozessor-Regler 16 (nur in der Fig. 1 angegeben) gesteuerten Motor 28 und ein Stellglied 29 bewegt wird. Die Fig. stellt eine in dem Kanal 23 in Richtung der Öffnung 22 zunehmende Wasserströmung q&sub0; + und eine im Diffusor 7 im Querschnitt zwischen dem Einlaß und dem Auslaß dieses Kanals 23 zunehmende Strömung Q&sub0; + q&sub0; + dar, wie es in dieser Beschreibung erläutert worden ist.

Claims (9)

1. System zum Steuern der hydraulischen Druck- und Leistungsimpulse in einer hydraulischen Reaktionsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen beweglichen Körper (9) innerhalb des Diffusors (7) aufweist, der zwischen einer ersten, zurückgezogenen Position (9) und einer zweiten, ausgefahrenen Position (9a) bewegbar ist, als Mittel zum Einführen einer zusätzlichen, gesteuert pulsierenden Wasserströmung am Diffusorkrümmer in der Turbine, wobei der bewegliche Körper (9) derart gesteuert ist, daß er das Volumen des Diffusors (7) verändert, um die Druckimpulse in dem Diffusor auf ein Minimum zu reduzieren und die Strömung, den Spalt, das Drehmoment und die Leistung des Turbinenrotors (3) konstant zu halten.

2. System zum Steuern der hydraulischen Druck- und Leistungsimpulse in einer hydraulischen Rückstoßturbine, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Hilfskanal (23) aufweist als Mittel zum Einführen einer zusätzlichen, gesteuert pulsierenden Wasserströmung am Diffusorkrümmer in der Turbine, wobei der Hilfskanal (23) im wesentlichen parallel zu dem Diffusor (7) verläuft und mit eigenen Einlaß- und Auslaßöffnungen (22, 23) mit dem Diffusor (7) verbunden ist, wobei die am Ende des Diffusorkrümmers (8) angeordnete Einlaßöffnung (22) durch ein Ventil (25) gesteuert ist und die Auslaßöffnung (24) nahe dem statischen Druckbecken (21) angeordnet ist und das Ventil (25) derart gesteuert ist, daß das Volumen des Diffusors (7) verändert wird, um die Druckimpulse in dem Diffusor auf ein Minium zu reduzieren und die Strömung, den Spalt, das Drehmoment und die Leistung des Turbinenrotors (3) konstant zu halten.

3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen beweglichen Körper und mindestens einen Hilfskanal (23) aufweist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Körper durch eine Antriebseinrichtung (14) bewegt wird, die gesteuert ist durch eine Einheit mit am Einlaß des Diffusors (7) angeordneten Drucksensoren (15) zum Detektieren des hydraulischen Drucks, einem Prozessor-Regler (16) zum Verarbeiten der von den Sensoren (15) abgegebenen Signale und zur Verwendung dieser Signale gemäß einem vorgegebenen Programm zum Antrieb eines Betätigers (17), der die Antriebseinrichtung (14) steuert.

5. System nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Programm dem beweglichen Körper (9) eine im wesentliche sinusförmige Hin- und Herbewegung gibt mit einer Amplitude, Frequenz und Phase derart, daß die Hydraulikdruck- und Leistungsimpulse in der Turbine minimiert werden.

6. System nach den Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennnzeichnet, daß der bewegliche Körper (9) im Bereich des Krümmers (8) des Diffusors (7) vorgesehen ist.

7. System nach den Ansprüchen 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Körper (9) im äußeren Bogen des Krümmers (8) vorgesehen ist.

8. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskanal (23) konstanten Querschnitt hat.

9. System nach den Ansprüchen 2, 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen und Schließen des Ventils (25) derart gesteuert wird, daß periodische Änderungen des Mitteiwertes des Druckverlustkoeffizienten des Ventils erzeugt werden, damit zu der gegen das Ventil innerhalb des Hilfskanals (5) gerichteten mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Wassers (qo), die durch die Druckdifferenz zwischen der Auslaßöffnung (24) des Kanals (23) in dem statischen Druckbecken (21) und der Einlaßöffnung (22) des Kanals am Ende des Krümmers (8) des Diffusors (7) bewirkt wird, eine pulsierende Wasserströmung (q) hinzugefügt wird, wobei die Summe der beiden Strömungen (qo plus ) in den Krümmer (8) des Diffusors (7) austritt.