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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses
in hydraulischen Maschinen, insbesondere zur dynamisch richtigen Erfassung des Zu-
und Abflusses bei fliegenden oder ständigen Betriebskontrollen, für Abnahmeversuche
und/oder für den Aufbau einer Rohrbruchsicherung aus dem geodätischen Betriebsdruck
und dem jeweiligen Öffnungsgrad der Maschine.
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Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die zum Messen des Durchflusses
in Rohrleitungen und in hydraulischen Kraftmaschinen Verwendung finden.
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Bei Anwendung der bekannten Meßgeräte und -methoden ist es in verzweigten
Rohrleitungsanlagen in vielen Fällen nicht möglich, die Messung direkt an den Kraftmaschinen
vorzunehmen, weil der Einbau der bekannten Wirkdruckgeber für die Differenzdruckbildung
in der Nähe der Kraftmaschine wegen der auftretenden Störungen in der Nähe von verschieden
beaufschlagten Verzweigungen und Regelorganen, die verschiedene Betriebsstellungen
einnehmen, nicht möglich ist. Hierdurch entsteht bei der Ausbildung von Rohrbruchsicherungen
nach dem Prinzip des Differentialschutzes der erhebliche Nachteil, daß der unterste
und - wegen des dort entstehenden höchsten Druckes und der konstruktiven Ausbildung
der Verteilerorgane -am meisten gefährdete Teil des Rohrsystems nicht in den Differentialschutz
einbezogen werden kann.
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Die oft angewendete Winter-Kennedy-Methode zur Durchflußmessung,
bei der durch Einbau geeigneter Meßbohrungen in der Pumpen- oder Turbinenspirale
ein Differenzdruck gewonnen wird, hat bekanntlich zahlreiche Nachteile: Die Festlegung
der geeigneten Einbauorte ist nicht ausschließlich durch theoretische Überlegungen
und Berechnungen möglich. Sie muß vielmehr meistens an Hand von Betriebsversuchen
ermittelt werden, wobei die Vielzahl der notwendigen Anbohrungen bei aus Stahl oder
einem ähnlichen Material ausgebildeten Spiralen zu einer unerwünschten Herabsetzung
der Festigkeit führt. Bei aus Stahlbeton oder einem ähnlichen Material hergestellten
Spiralen bereitet die nachträgliche Erstellung von Anbohrungen außerordentliche
Schwierigkeiten, die oft nicht überwunden werden können. In vielen Fällen können
die Meßbohrungen nicht so angebracht werden, daß eine selbsttätige Entlüftung bewirkt
und gleichzeitig die Gefahr des Verschmutzens oder Abnutzens des Bohrungsmundes
im Dauerbetrieb vermieden wird. Ein weiterer Nachteil der Winter-Kennedy-Methode
besteht darin, daß die Bildung des richtigen Differenzdrucks durch Steuervorgänge
an den Turbinen oder Pumpen häufig gestört und dadurch die dynamisch richtige Durchflußmessung
verhindert wird. Deshalb hat sich diese Meßmethode für Wandermessungen häufig ebenso
als ungeeignet erwiesen wie zur ständigen Betriebskontrolle, wie diese beispielsweise
zum Erzielen eines Differentialschutzes unter Einschluß des eigentlichen Verteilersystems
bis zu den Kraftmaschinen selbst wünschenswert ist.
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Das Prinzip, den Durchfluß in Turbinen und Pumpen von Wasserkraftwerken
aus dem Betriebsdruck bzw. der Fallhöhe und der jeweiligen Regelorgan-Stellung zu
bestimmen, ist zwar bekannt, aber die Durchflußmenge kann nur auf Grund umständlicher
Messungen der Fallhöhe und des Öffnungsgrades nach einer zusätzlichen theoretischen
Auswertung
ermittelt werden. Dieses Verfahren ist somit für eine Durchflußanzeige
nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei geringer Störanfälligkeit die gefährdeten
Teile des Rohrsystems mit erfaßt und die ohne Auswertung eine direkte elektrische
Anzeige der Durchflußmenge ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
mindestens ein Funktionspotentiometer enthält, das vom Ausgangsstrom eines Druckmeßgebers
gespeist und dessen Abgriff durch die betriebsabhängige öffnungsstellung eines Schließ-
oder Regelorgans der hydraulischen Maschine mechanisch verstellt wird.
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Auf diese Weise wird der Durchfluß durch die Maschine zum unteren
Ende der Druckrohrleitung hin in der Maschine selbst ermittelt, so daß die gesamte
Länge der Druckrohrleitung in die Messung einbezogen und damit der Schutz auf das
gesamte Rohrsystem ausgedehnt wird. Ein besonderer Vorteil der Erfindung wird dadurch
erzielt, daß für die Durchflußmessung der geodätische Betriebsdruck zugrundegelegt
wird, weil dieser bei Hochdruckwasserkraftwerken, für die der Differentialschutz
von besonders großem Interesse ist, im Regelfall einige hundert m WS beträgt, so
daß Störungen, wie sie bei bekannten Meßanordnungen, z. B. durch eine Luftblase
oder durch Veränderung der Meßkante in Höhe von einigen cm WS, entstehen können,
praktisch bedeutungslos sind.
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Da der Durchfluß an der Turbine oder Pumpe auch bei dynamischen Vorgängen
unmittelbar mit der anstehenden dynamischen Druckhöhe zusammenhängt, ist die Messung
des Durchflusses durch Erfassung des Betriebsdruckes auch während dynamischer Regelvorgänge,
z. B. beim Anfahren und Abstellen der hydraulischen Kraftmaschine, besonders zweckmäßig.
Falls erforderlich, können geeignete Korrektureinrichtungen, z. B. zusätzliche Funktionspotentiometer,
in Verbindung mit den offnungs-und Schließorganen eingebaut werden.
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Die theoretische Durchflußmenge ist insbesondere bei Turbinen dem
Wurzelwert des Betriebsdruckes und der jeweiligen Turbinenöffnung proportional.
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Deshalb wird gemäß der Erfindung ein Manometer mit elektrischem Ferngeber
mit entsprechender Charakteristik oder ein Transmitter mit einem vorzugsweise dem
Wurzelwert des Betriebsdruckes, d. h. der in der Turbine anstehenden Druckdifferenz
proportionalen, eingeprägten Ausgangsstrom verwendet.
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Dieser Ausgangsstrom wird in einer besonders zweckmäßigen Ausbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speisen eines Funktionspotentiometers benutzt,
dessen veränderlicher Abgriff zusammen mit dem Leitapparat der Turbine verstellt
wird, so daß man für jede Leitradstellung eine dem Turbinenzufluß zugeordnete Ausgangsspannung
erhält.
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Sofern zwei oder mehrere Turbinen von einer Rohrleitung aus betrieben
werden, ist es möglich, jeweils zwei Funktionspotentiometer mit gegenläufiger Verstellung
in Reihe zu schalten und zwischen den beiden veränderlichen Abgriffen eine Spannung
abzunehmen, die dem Summendurchfluß zweier Turbinen oder zweier Turbinenhälften
entspricht, wenn diese getrennte Steuerorgane besitzen.
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Durch die Verwendung von Meßsystemen mit elektrisch getrennten Eingangswicklungen
ist es möglich,
mehrere solche Summenspannungen zu addieren und
ein Drehmoment zu bilden, das dem Gesamtzufluß einer beliebigen Zahl von Turbinen,
Turbinenpaaren oder von Doppelturbinen entspricht.
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Es ist dann mit Hilfe der bekannten Kompensationsmeßwerke möglich,
einen eingeprägten Ausgangsstrom zu erhalten, der ein Maß für den Gesamtzufluß darstellt.
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Schließlich besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, bei
veränderlichen Betriebsdrücken im Turbinenzu- und -abfluß Differenzdrucktransmitter
mit einem dem Wurzelwert des Differenzdruckes proportionalen Ausgangsstrom oder
in vereinfachter Ausführung einen reinen Drucktransmitter zu benutzen, der in vorteilhafter
Weise in Höhe des mittleren Unterwasserspiegels eingebaut wird und das an der Turbine
anstehende mittlere Druckgefälle aufnimmt. Die meist nur geringen Pegelschwankungen
des Unterwasserspiegels können dabei, weil sie in die Messung nur mit ihrem Wurzelwert
eingehen, in den meisten Fällen vernachlässigt werden.
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Bei einigen Kraftwerksanlagen werden die Turbinen nicht nur mit dem
Leitapparat, sondern bei Störungsfällen auch noch mit besonderen Schnellschlußorganen
geregelt bzw. außer Betrieb gesetzt.
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Um auch während solcher Übergangsvorgänge, bei denen wegen der dabei
eintretenden dynamischen Druckanstiege Rohrbruchsicherungen von ganz besonderer
Wichtigkeit sind, eine dynamisch richtige Erfassung des Durchflusses vornehmen zu
können, wird außer dem für die Erfassung der Leitradöffnung vorgesehenen Gebergerät
noch ein weiteres angeordnet, das mit dem Schnellschlußorgan verstellt wird.
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Die beiden Gebergeräte, beispielsweise als Funktionspotentiometer
mit verstellbarem Abgriff ausgebildet, können parallel oder in Form einer Schachtelbrücke
so geschaltet werden, daß eine Spannung entsteht, die dem tatsächlichen Durchfluß
wenigstens annähernd proportional ist. In ähnlicher Weise kann auch bei der Durchflußbestimmung
von Pumpaggregaten die Anlauffunktion bis zur vollen Öffnung des zugehörigen Hauptabsperrschiebers
oder auch der Abstellvorgang als Funktion dieser Schieberöffnung korrigiert werden.
Dabei kann man mit Drehzahlgebern, die gleichzeitig die Drehrichtung erfassen, den
Auslauf des Pumpaggregats und die zuweilen eintretende Drehrichtungsumkehr bis zum
völligen Schließen des Schiebers bei ungewolltem Ausfall der Stromversorgung die
Änderung und/oder Umkehrung des Durchflusses wenigstens annähernd richtig erfassen.
Eine weitere vorteilhafte Erfassung des Strömungsverlaufs bei einem ungewollten
Ausfall der Stromversorgung für das Pumpaggregat wird gemäß einem Merkmal der Erfindung
dadurch erreicht, daß das Funktionspotentiometer, welches den Öffnungsgrad des Absperrorgans
für den Pumpenauslauf erfaßt und das vom Meßumformer zur Überwachung des am Pumpenauslauf
herrschenden Betriebsdruckes gespeist wird, mit einem zusätzlichen Satz von Justierwiderständen
und Spannungsanschlüssen über Relaiskontakte versehen ist. Diese bringen bei Ausfall
der Stromzuführung zur Antriebsmaschine den vorzugsweise selbsttätig ausgelösten
Schließvorgang des Absperrschiebers in eine solche Charakteristik, daß der entstehende
Spannungsabgriff den zeitlichen Verlauf der Strömung einschließlich einer etwa auftretenden
Strömungsumkehr wenigstens annähernd richtig wiedergibt. In bekannter Weise kann
außer-
dem die Empfindlichkeit oder die Auslösungszeit des Überwachungsorgans kurzzeitig
so verändert werden, daß eine Fehlauslösung auch bei solchen außergewöhnlichen Betriebszuständen
verhindert wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird für die Bestimmung
des Abflusses einer Hochdruckpumpe, wie sie vorzugsweise in Pumpspeicherwerken zur
Aufladung des Speichers und zur Verwertung überschüssigen Nachtstromes verwendet
wird, die QH-Kennlinie zugrundegelegt. Die QH-Kennlinie stellt in bekannter Weise
den Zusammenhang des Durchflusses Q als Funktion der von der Pumpe zu überwindenden
Druckhöhe dar, wobei bei gegebener Pumpendrehzahl der Durchfluß auch bei dynamischen
Vorgängen in eindeutigem Zusammenhang mit eben dieser Druckhöhe steht. Mit dieser
Art Erfassung der Druckhöhe kann dem Druckmeßgerät mit geeigneter Charakteristik
direkt ein Meßstrom oder eine Meßspannung entnommen werden, die dem Durchfluß entspricht.
Hierfür eignet sich besonders ein Manometer mit angebautem Ferngeber (kapazitiver,
induktiver oder Widerstandsgeber), der eine entsprechende Ausgangsfunktion besitzt.
Widerstandsgeber werden dabei in bekannter Weise als Funktionspotentiometer mit
gestufter Wicklung oder mit entsprechenden Anzapfungen ausgebildet, mit Hilfe deren
mittels justierbarer Nebenschlüsse die gewünschte Anpassung und/oder auch Regelbarkeit
der Charakteristik erzielt wird.
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Für besondere Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, zur Herabsetzung
der Trägheit der Messungen an Stelle eines Manometers mit Ferngeber einen Transmitter
zu verwenden, der ein justierbares Kompensationsmeßsystem besitzt. Von den beiden
Systemen des dynamischen Meßwerkes kann in bekannter Weise eines mit einem veränderlichen
Nebenschluß und/oder mit einer einstellbaren Zusatzspannung versehen sein, wodurch
die Magnetisierung (Nebenschluß) oder Vormagnetisierung (Zusatzspannung) des Systems
herabgesetzt werden kann. Da die Pumpaggregate im allgemeinen mit geringen Druckschwankungen
betrieben werden, die im stetigen Betrieb lediglich durch die verhältnismäßig kleinen
Schwankungen der zugehörigen Wasserpegel bedingt sind und außerdem während des Anfahrens
und Abstellens im Normalbetrieb durch die Ausbildung der zugehörigen Steuerorgane
dynamische Druckerhöhungen und Druckminderungen weitgehend eingeschränkt sind, ist
der von dem Transmitter zu erfassende Druckbereich verhältnismäßig klein. Es können
also auch einfache Mittel zum Anpassen der Charakteristik des Ausgangswertes an
die QH-Kennlinie benutzt werden. Zweckmäßigerweise werden die mit dem Transmitter
erzielten Ausgangsspannungen mit einer festen Meßspannung verglichen, da bekanntlich
die QH-Linie bei geschlossenem Schieber und dem hierbei entstehenden statischen
Enddruck den Durchflußwert Null ergibt. Erst bei abnehmendem Gegendruck entsteht
ein entsprechender Durchfluß; ein Zusammenhang, welcher durch den Vergleich einer
mit dem Druck veränderlichen Größe und einer festen Größe meßrichtig nachgebildet
wird.
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Es ist selbstverständlich, daß man für Kontrollmessungen, aber auch
zur kompletten Ausbildung einer Rohrbruchsicherung, sämtliche in Verbindung mit
einem Rohrstrang stehende Kraftmaschinen, wie Turbinen, Pumpen, Anrufturbinen und
etwaige sonstige Aggregate (Hausturbinen), zusammenfassen
wird.
Dabei kann man für überschlägige Messungen und bei den kleineren Aggregaten statt
eines veränderlichen Druckwertes auch eine konstante Meßgröße einschalten, die dem
Mittelwert des Druckes entspricht; denn die geringen, von diesen Aggregaten aufgenommenen
Durchflüsse sind für die Bildung des Gesamtdurchflusses von untergeordneter Bedeutung
und können deshalb mit einem größeren zulässigen Meßfehler erfaßt werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 ein Prinzipschema des hydraulischen Teiles eines
Pumpspeicher-Kraftwerkes, F i g. 2 das hierzu gehörige elektrische Schaltbild für
die Durchflußmessung an Turbinen und Fig. 3 das Prinzipschaltbild für die Durchflußmessung
bei einer hydraulischen Pumpanlage.
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Gemäß F i g. 1 ist das Oberbecken 1 mit dem Unterbecken2 über die
Hauptrohrleitung3, in der sich noch das Absperrorgan4 befindet, verbunden.
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In dem Verteilerrohr 5 sind in den einzelnen Abzweigungen weitere
Absperrorgane 6 vorgesehen, die eine Zu- bzw. Abschaltung der einzelnen Verbraucher
gestatten. Jeweils einer Hauptturbine 7 a, 7 b ist eine Pumpe 8 a, 8 b zugeordnet;
diese können wahlweise mit Hilfe der Kupplungen 9 a bzw. 9 b mit den Synchronrnaschinen
10 a, 10 b verbunden werden. Mit 11 a und 11 b sind die Anwurfturbinen und mit 12
ist die Hausturbine mit dem ihr zugeordneten Generator 13 für den Eigenbedarf bezeichnet.
Am Oberbeckeneinlauf ist ein Durchflußmeßgeber 14 angeschlossen, und am Verteilerrohr
5 befindet sich in Höhe des mittleren Unterwasserpegels eine Druckmeßstelle 15.
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Mit 16 a und 16 b sind die Druckmeßstellen für den Betriebsdruck der
Pumpen 8 a und 8 b bezeichnet.
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In dem zum hydraulischen Plan gehörigen elektrischen Schaltplan,
den F i g. 2 vereinfacht darstellt, ist das die Anlage speisende Wechselstromnetz
mit 20 bezeichnet. Als Druckmeßgeber 21 dient ein Transmitter zum Erfassen des geodätischen
Betriebsdruckes an der Druckmeßstelle 15, der ihn in einen seinem Wurzelwert entsprechenden
eingeprägten Gleichstrom umwandelt. Ein Justierwiderstand 22 dient zum Einstellen
der Charakteristik des Transmitters. Die Funktionspotentiometer 23 a und 23 b dienen
zum Erfassen der Leitschaufel- bzw. der Düsenstellungen der Hauptturbinen 7 a bzw.
7 b. Die Strommesser 24 a und 24b erfassen den Durchfluß der beiden Hauptturbinen,
deren Meßwerte wiederum vom Kompensationsmeßwerk 25 erfaßt werden. Mit dem Potentiometer
26 wird die Leitradstellung der Hausturbine 12 und mit den Potentiometern 27 a,
27 b werden die Leitradstellungen der Anwurfturbinen 11 a, 11 b erfaßt. An die Stelle
des vom Betriebsdruck abhängigen Stromwertes in den Funktionspotentiometern bei
den Hauptturbinen tritt in diesem Falle ein konstanter Gleichstrom, der dem Mittelwert
des Betriebsdruckes entspricht. Dies ist möglich, da die Durchflußmengen der kleineren
Aggregate von untergeordneter Bedeutung sind und zum Gesamtfluß nicht wesentlich
beitragen.
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Die Strommesser 28 und 29 erfassen den Durchfluß dieser Turbinen,
deren Meßwerte mittels des Kompensationsmeßwerkes 30 zusammengefaßt werden. Mit
31 und 32 sind zwei Kompensationsverstärker bezeichnet, die von dem stabilisierten
Netzgerät 33 gespeist werden. Das Meßgerät 34 zeigt den Gesamtdurchfluß aller Turbinen
an.
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In F i g. 3 ist das elektrische Schaltbild zur Durchflußmessung bei
Pumpenbetrieb vereinfacht dargestellt. Die Meßstelle für den Druck an der Pumpe
8 ist entsprechend der F i g. 1 mit 16 bezeichnet. Als Druckmeßgeber 40 dient ein
Transmitter, der den Druck in einen proportionalen Strom umformt. Das stabilisierte
Netzgerät 41 speist das Kompensationssystem des Transmitters 40, wobei mittels des
Justierpotentiometers 42 eine Möglichkeit geschaffen ist, die Vormagnetisierung
des Kompensationssystems des Transmitters zu verändern. Die Ausgangsgröße des Druckmeßgebers
40 wird über das vom nicht näher dargestellten Schließorgan 6 (Fig. 1) gesteuerte
Funktionspotentiometer 43 abgegriffen und dem Abgriffwiderstand 44 zugeführt. Dem
Abgriffwiderstand 45 wird eine Gegenspannung zugeführt, die von dem stabilisierten
Netzgerät 46 erzeugt wird und die mittels des Justierpotentiometers 47 eingestellt
werden kann. Am Meßgerät 48 kann der Durchfluß der Pumpe abgelesen werden.