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Einrichtung zum selbsttätigen Steuern verstellbarer Stauvorrichtungen
an Wasserkraftanlagen od. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für
regelbare Stauvorrichtungen, die an Wasserkraftanlagen oder anderen wasserverarbeitenden
Anlagen angeordnet sind. Bei teilweisem oder gar ganzem Schließen oder Öffnen der
genannten Anlagen treten infolge des veränderten Wasserabflusses sowohl auf der
Oberwasser- als auch der Unterwasserseite Wasserspiegelschwankungen, gegebenenfalls
auch Schwallbildungen auf. Dient der Wasserlauf gleichzeitig für die Schiffahrt
oder bestimmte industrielle Zwecke, so kann die unterschiedliche Wasserführung erhebliche
Störungen erzeugen.
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Es sind bereits selbsttätig regelnde Steuereinrichtungen bekannt,
die bei verändertem Stauspiegel Impulse erzeugen und bewegliche Stauvorrichtungen
dementsprechend öffnen oder schließen. Diese Einrichtungen sprechen aber nur äußerst
langsam und träge an, da zur Einleitung des Verstellvorganges der Stauspiegel erst
um einen bestimmten Betrag steigen oder fallen muß. Insbesondere ist bei schnellen
und großen Abflußänderungen, wie sie beispielsweise bei plötzlich vom Netz abfallenden
und vollkommen schließenden Wasserturbinen auftreten, auf diese bisher übliche Weise
ein Schwall und ein zeitweises Steigen bzw. Sinken des Wasserspiegels nicht zu verhindern.
Durch eine im nachfolgenden beschriebene neuartige Steuereinrichtung kann auch in
den angeführten ungünstigsten Fällen praktisch jeglicheÄnderung der Abflußmenge
und der Wasserspiegelhöhe verhindert werden.
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Erfindungsmäß besteht diese Einrichtung zum selbsttätigen Steuern
verstellbarer Stauvorrichtungen an Wasserkraftanlagen od. dgl. darin, daß die Stauvorrichtung
in Abhängigkeit von der durch die Anlage
verarbeiteten Wassermenge
oder/und in Abhängigkeit von einer oder mehreren anderen mit dieser Wassermenge
veränderlichen Zustandsgrößen der Anlage (Leitradstellung od. dgl.) durch geeignete
Übertragungsmittel derart gesteuert wird, daß die gesamte, an der Stauvorrichtung
und der Wasserkraftanlage od. dgl. abfließende Wassermenge gleichbleibt oder sich
nur innerhalb bestimmter Grenzen ändert. Durch diese Steuerung kann ein Verstellen
der Stauvorrichtung praktisch gleichzeitig mit der Abflußänderung der Turbinenanlage
od. dgl. erreicht werden. Eine auch nur kleine Schwallbildung oder Wasserspiegeländerung
ist zur Impulserzeugung nicht erforderlich, da die zur Steuerung benötigten Zustandsgrößen
von der verarbeiteten Wassermenge oder der Maschinenanlage, also der die Abflußänderung
direkt erzeugenden Quelle, abgeleitet werden. Falls geringfügige Wasserspiegeländerungen
ohne Bedeutung sind, kann bei entsprechender Ausbildung die Einrichtung so ausgebildet
werden, daß sie erst über einer bestimmten Abflußmengenänderung anspricht. Am naheliegendsten
wird zur Steuerung die Stellung des Turbinenleitrades oder eines anderen die Abflußmenge
der Anlage direkt bestimmenden Absperrorgans verwendet. Die abfließende Wassermenge
selbst könnte etwa durch ihren Staudruck oder hydrostatischen Druck entsprechende
Zustandsgrößen liefern. Auch Fliehgewichtsausschläge, elektrische Zustandsgrößen
mit der Anlage gekuppelter elektrischer Maschinen u. a. m. sind verwendbar, sofern
sie mit der verarbeiteten Wassermenge gesetzmäßig zusammenhängen.
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Eine besondere Ausbildungsform der Erfindung besteht darin, daß der
von der verarbeiteten Wassermenge od.dgl. abhängige Impulsgeber mittelbar oder unmittelbar
die Stauvorrichtung betätigt. Beispielsweise könnte eine Stauklappe durch eine einfache
Gestängeverbindung mit dem Impulsgeber, etwa dem Leitapparat einer Wasserturbine,
derart verbunden sein, daß der schließende Leitapparat die Klappe im gleichen Maße
öffnet bzw. umgekehrt. Da zur Verstellung der Stauvorrichtungen erhebliche Kräfte
nötig sind, ist in den allermeisten Fällen die Zwischenschaltung eines Kraftverstärkers
erforderlich.
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Bei großen räumlichen Entfernungen zwischen Stauwerk und lIaschinenanlage
sind hydraulische oder elektrische Übertragungsmittel von besonderem Vorteil. Die
Steuereinrichtung ist in gleicher Weise für Stauklappen, Stauschütze und andere
Arten von Stauvorrichtungen verwendbar und bedingt nur eine etwas verschiedene Ausführung
der Übertragungsmittel.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß an den Übertragungsmitteln
zwischen dem (oder den) auf die verarbeitete Wassermenge od. dgl. ansprechenden
Impulsgeber(n) und der Stauvorrichtung eine Sperre angeordnet ist, die durch einen
der bereits auf die Übertragungsmittel wirkenden oder einen weiteren, ebenfalls
von der Wassermenge od. dgl. abhängigen Impulsgeber ausgelöst wird. Eine oder mehrere
Zustandsgrößen bestimmen also nur das Verstellmaß des Stauorgans, während eine dieser
Zustandsgrößen oder eine weitere Zustandsgröße den Verstellbeginn steuert. Diese
besondere Ausführung ist dann angebracht, wenn geringere oder begrenzte Schwankungen
des Ober- und Unterwasserspiegels zulässig sein sollen. Alle, auch kleine Abflußschwankungen
wirken dann wohl auf die Steuervorrichtung ein und legen dadurch das Verstellmaß
der Stauvorrichtung fest. Das Verstellen selbst kann aber erst bei einer bestimmten
Größe der Abflußänderung nach, dem Lösen der vorher blockierenden Sperre erfolgen.
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Eine Vervollkommnung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß
das Verstellmaß der Stauvorrichtung durch eine an den Übertragungsmitteln entsprechend
angeordnete, von Hand zu betätigende Stelleinrichtung zusätzlich veränderbar ist.
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Da Oberwasserspiegel und Stauvorrichtung oft eine verschiedene Ausgangslage
besitzen, muß das Stauorgan zur Abführung einer bestimmten Wassermenge verschieden
weit geöffnet werden. Um dies zu erreichen, ist die vom Wärter zu bedienende Stelleinrichtung
vorgesehen, die jeweils entsprechend. dem Oberwasserspiegel eingestellt wird. Die
Veränderung des Verstellmaßes ist etwa in der Weise möglich, daß durch die Stelleinrichtung
Hebeldrehpunkte oder Gleitsteine verschoben und dadurch das Übersetzungsverhältnis
der Übertragungsmittel verändert werden.
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Äußerst einfach ist eine besondere Ausführungsform der Steuerung,
bei der zur Betätigung der Stauvorrichtung ein konstant wirkender oder von Hand
zu verstellender Impulsgeber vorgesehen ist, an dessen Übertragungsmitteln eine
Sperre eingebaut ist, die durch einen von der verarbeiteten Wassermenge o. dgl.
abhängigen Impulsgeber ausgelöst wird.
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In vielen Fällen verarbeitet die Wasserturbine oder Maschinenanlage
eine fast konstante Wassermenge. Eine größere Änderung tritt praktisch nur dann
ein, wenn die Anlage ganz geschlossen wird. Man beschränkt sich nun bei dieser besonderen
Ausführung darauf, daß nur bei ganz schließender Maschinenanlage die Stauvorrichtung
um ein festes oder durch eine Handeinstellung festgelegtes Maß verstellt wird. Die
Handeinstellung kann etwa nach einem empirisch ermittelten oder errechneten Kurvenblatt
derart erfolgen, daß das Öffnungsmaß der Stauvorrichtung der ganz geschlossenen
Maschinenanlage und dem jeweiligen Oberwasserstand entspricht. Auf diese Weise erhält
man eine bedeutende Vereinfachung der gesamten Stelleinrichtung.
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Nach einer besonderen Ausführung erfolgt an Turbinenanlagen mit angetriebenen
Stromerzeugern die Steuerung der Sperre und damit des Verstellbeginnes durch eine
elektrische Zustandsgröße des Stromerzeugers. Beispielsweise beim Abfallen des Generators
vom Netz (und dabei schließender Turbine) kann in einfacher Weise ein elektrischer
Impuls erzeugt werden, der sich für eine Übertragung auf größere Entfernungen sehr
gut eignet. Die übrigen Elemente der Einrichtung, wie Servomotor, Rückführgestänge
usw., können dicht an der Staueinrichtung angeordnet sein und ergeben damit günstige
Bauverhältnisse.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung näher erläutert. Die Abb. i bis
4 zeigen in rein schematischer Art die Wirkungsweise der verschiedenen Ausbildungsformen
der Steuereinrichtung.
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Abb. i stellt die einfachste Art der Steuereinrichtung dar, wonach
die Stauvorrichtung i mittels des als einfaches
Gestänge dargestellten
Übertragungsmittels 2 von dem Turbinenleitrad 3 verstellt wird.
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Die Vorrichtung nach Abb. 2 besitzt außerdem eine von einem Impulsgeber
gesteuerte Sperre 4, die hier als elektrisch betätigter Hubmagnet dargestellt ist.
Das zwischen die Übertragungsmittel geschaltete elastische Zwischenglied 5 leitet
die Leitapparatimpulse auf die Stauvorrichtung erst nach Lösen der Sperre weiter.
6 stellt einen Kraftverstärker dar, so daß nur ganz geringe Steuerkräfte erforderlich
sind.
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Gemäß Abb. 3 ist zusätzlich die Handeinstellung 7 in das Übertragungsgestänge
derart zwischengeschaltet, daß der Gleitstein 8 verstellt und das Verstellmaß der
Stauvorrichtung zusätzlich beeinflußt werden kann.
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Nach Abb. 4 wird das Öffnungsmaß der Stauvorrichtung nur durch die
Handstelleinrichtung 9 festgelegt, während der Verstellbeginn wie bei den beiden
vorhergehenden Beispielen durch eine Sperre gesteuert ist. Der Hebel ist hierbei
in einer Vorwählstellung gezeigt, bei der die Feder des Zwischengliedes 5 entsprechend
vorgespannt ist.
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Die Abb. i bis 4 entsprechen im Prinzip beziehungsweise den Patentansprüchen
2 bis 5.
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Abb.5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
dar. Beim Schließvorgang verstellt der Turbinenleitapparat io mittels Gestänge ii,
Kurvenscheibe 12 und weiterer Gestänge und Hebel den Steuerkolben 13 nach oben,
so daß nunmehr die Leitung 15 durch die Leitung 16 mit einem drucklosen Ölablaufbehälter
verbunden ist. Der auf der Stauklappe 17 lastende Wasserdruck wird zum größeren
Teil durch ein Gegengewicht 18 und im übrigen durch einen Druckkolben ig ausgeglichen.
Ein Sinken des Druckkolbens und schnelles Offnen der Klappe tritt dann ein, wenn
das unter dem Kolben befindliche Druckmittel durch die Leitungen 2o, 15, den entsprechend
verschobenen Steuerkolben 13 und die Leitung 16 entweichen kann. In dieser Form
würde die Steuereinrichtung auf alle, auch kleinste Leitradverstellungen ansprechen.
Da dies nicht erwünscht ist, wurde eine hydraulische Sperre in Form eines die Leitungen
15 bis ao unterbrechenden Sperrventils 21 angeordnet. Beim Abfallen des Generators
vom Netz (und dabei vollkommen schließender Turbine) wird der Hubmagnet 22 stromlos
und läßt den Steuerkolben 23 nach abwärts gleiten. Die bei 14 eintretende Druckflüssigkeit
wird dadurch so gesteuert, daß sie den Kolben 24 anhebt und damit das Sperrventil
21 öffnet. Erst jetzt tritt die der Größe nach durch den Leitradausschlag bestimmte
Verstellung der Stauklappe ein. Eine mechanische Rückführvorrichtung, bestehend
aus Stirnrädern 25, Kegelrädern 26, einer Kurvenscheibe 27 und weiteren Gestängeteilen,
führt den Steuerkolben 13 bei jeder Stauklappenverstellung wieder in die ursprüngliche
Lage zurück.
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Durch die Handstelleinrichtung 28 wird eine Hebelübersetzung im Rückführgestänge
verändert und dadurch ein Einstellen des Öffnungsmaßes der Klappe entsprechend dem
Oberwasserspiegel ermöglicht. Durch das Handabsperrventi129 können die durch Undichtheit
am Kolben i9 und Zylinderraum i9' entstandenen Druckmittelverluste von Fall zu Fall
ausgeglichen und die Stauklappe in die ursprüngliche Lage gebracht werden. In günstiger
Weise wird hierzu das Druckmittel aus der Leitung 15 hinter dem Steuerkolben 13
entnommen, so daß dieser Kolben die Druckmittelzufuhr beim Erreichen der ursprünglichen
Klappenlage selbsttätig unterbricht. Durch Betätigen einer weiteren Handeinstelleinrichtung
30 und gleichzeitiges Öffnen des Ventils 29 läßt sich die Klappe bewegen
und für eine gewollte Spiegelhöhe einregulieren. Außerdem kann durch die letztgenannte
Handsteuerung auf die jeweils von der Turbine verarbeitete Wassermenge eingestellt
werden.
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Ein wesentlich einfacheres und auf die Patentansprüche 5 und 6 zutreffendes
Beispiel einer Steuerung zeigt Abb. 6. Entsprechend der durch dieTurbine fließenden
Wassermenge und dem Oberwasserspiegel wird die Kurvenscheibe 31 von Hand eingestellt
und dadurch die Feder 32 vorgespannt. Auf diese Weise ist das Öffnungsmaß der Stauvorrichtung
festgelegt. Erst wenn sich beim Herausfallen des Leistungsschalters am Generator
die Magnetsperre 33 löst, erfolgt eine entsprechende Verstellung des Steuerkolbens
34 und eine Druckmittelzufuhr für die Druckzylinder 35 an der Stauschütze 36. Eine
von der Zahnstange 37 angetriebene Rückführvorrichtung bewirkt wieder die Rückbewegung
des Steuerkolbens.