DE2920760A1

DE2920760A1 - Mehrstufige hydraulikmaschinenanlage und verfahren zu ihrer steuerung

Info

Publication number: DE2920760A1
Application number: DE19792920760
Authority: DE
Inventors: Sachio Tsunoda; Ichiro Yamagata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1979-05-22
Publication date: 1979-12-06
Anticipated expiration: 1999-05-23
Also published as: US4280788A; JPS54151741A; JPS6237234B2; DE2920760C2; CH643914A5

Description

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Kawasaki-shi, Japan

. 22. Mai 1979

Mehrstufige Hydraulikmaschinenanlage und Verfahren zu ihrer Steuerung

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Hydraulikmaschinenanlage, bestehend aus einer Mehrstufen-Hydraulikmaschine mit je einem Laufrad (runner) für jede Stufe der Stufen vom höchsten bis zum niedrigsten Druck, einem alle Stufen miteinander verbindenden Rücklauf- bzw. Umlenk-

kanal und einer Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung der Arbeitsweise oder des Betriebs der Hydraulikmaschine. Bei der erfindungsgemäßen mehrstufigen Hydraulikmaschxne handelt es sich beispielsweise um eine Mehrstufenpumpe, —turbine oder -pumpenturbine.

Die Betriebsregelung oder -steuerung einer Hydraulikmaschine kann allgemein durch Einstellung der die Maschine durchströmenden Wassermenge mittels Leitschaufeln, die um ein Laufrad herum angeordnet sind, oder mittels des Einlaß-Schiebers (inlet valve) im Einlaufteil der Maschine erfolgen.

Für eine hydraulische Maschine mit je einem Laufrad (runner) für jede Stufe vom höchsten bis zum niedrigsten Druck, wobei die Laufräder über einen Rücklauf- oder Umlenkkanal miteinander verbunden sind, sind bereits verschiedene Systeme entwickelt und vorgeschlagen worden, um den Betrieb der Maschine durch Steuerung der Wasserströmung an jeder Stufe mittels Leitschaufeln zu steuern, die um das

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Laufrad für jede Stufe herum angeordnet sind.

Bei dieser mehrstufigen Hydraulikmaschine mit komplizierter Konstruktion, bei welcher die Stufen jeweils höheren und niedrigeren Drucks über Rücklauf- bzw. Umlenkkanäle fortlaufend in Reihe miteinander geschaltet sind, ist es vom konstruktiven Standpunkt sehr schwierig, das öffnen und Schließen mittels eines Betätigungsmechanismus vorzunehmen, der mit den um die Laufräder herum angeordneten Leitschaufeln gekoppelt ist.

Aus diesem Grund sind derartige Hydraulikmaschinen üblicherweise so konstruiert, daß nur feste Leitschaufeln mit festem Öffnungsgrad der Strömungsbahn (Anstellwinkel) um das Laufrad jeder Stufe herum angeordnet sind und daß die Betriebsart oder Arbeitsweise durch öffnen und Schließen des Einlaßschiebers im Einlaufteil der Maschine zur Regelung der Wasserströmurigsmenge gesteuert wird. Bei einer solchen Maschine ist es jedoch unmöglich, die Strömungsbedingungen am Außenumfangsbereich des Laufrads entsprechend der Strömungsmenge einwandfrei einzustellen, so daß sich die hydraulische Leistung bzw. der hydraulische Wirkungsgrad jeder Stufe verschlechtert, wenn die Strömungsmenge wesentlich niedriger oder höher wird als die Sollmenge, so daß die integrierte hydraulische Leistung der Maschine im Betrieb herabgesetzt wird. Wenn zudem die Strömungsmenge mit leicht geschlossenem Einlaßschieber eingestellt wird, erhöht sich der Staudruckverlust im Einlaufteil unter Vernichtung der diesem Verlust entsprechenden Wasserströmungsenergie, wodurch der Betriebswirkungsgrad eines Kraftwerks beeinträchtigt wird.

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Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausschaltung der Mängel und Nachteile des Stands der Technik durch Schaffung einer verbesserten mehrstufigen Hydraulikmaschine, die im Normalbetrieb mit zufriedenstellender hydraulischer Leistungs-Kennlinie arbeitet und auch in einem Übergangsbetriebs zustand bei Änderung der Betriebsart sicher weiterzuarbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer mehrstufigen hydraulischen Maschinenanlage der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stufe höchsten Drucks in einem Kreis um das betreffende Laufrad herum angeordnete verstellbare Leitschaufeln mit variablem Wasserdurchgang-Öffnungsgrad aufweist, daß jede Stufe'niedrigeren Drucks feste Leitschaufeln mit festem bzw. gleichbleibendem Öffnungsgrad (Anstellwinkel) in einer Kreisanordnung um das betreffende Laufrad herum aufweist und daß die Betriebssteuereinrichtung den Öffnungsgrad (Anstellwinkel) der verstellbaren Leitschaufeln so steuert, daß dieser Öffnungsgrad im Normalbetrieb der Hydraulikmaschine mit großem Durchsatz größer und bei kleinem Durchsatz kleiner ist als der Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die verstellbaren Schaufeln auf die vorstehend beschriebene Weise gesteuert bzw. verstellt.

Bei der* Maschinenanlage und beim Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung kann die hydraulische Leistung dadurch verbessert werden, daß der Öffnungsgrad der durch die bewegbaren Leitschaufeln bestimmten Wasserströmungsbahn in einem niedrigeren Arbeits-Durchsatzmengenbereich im Vergleich zum normalen Betriebszustand kleiner eingestellt wird als der durch die festen Leitschaufeln bestimmte Öffnungsgrad der Wasserströmungsbahn, während ein Betrieb mit größerer Turbinenausgangsleistung als im Normalbetrieb durch Vergrößerung

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des Öffnungsgrads der bewegbaren Leitschaufeln erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß kann weiterhin im Pumpbetrieb der mehrstufigen Hydraulikmaschine die integrierte hydraulische Leistung (integrated hydraulic performance) in einem Arbeitsbereich mit geringerer Durchsatzmenge für die Seite höheren Staudrucks oder in einem Arbeitsbereich größerer Durchsatzmenge für die Seite niedrigeren Staudrucks durch Verkleinerung bzw. Vergrößerung des variablen Öffnungsgrads des durch die verstellbaren Leitschaufeln bestimmten Wasserdurchgangs relativ zu dem durch die festen Leitschaufeln bestimmten festen Wasserdurchgang-Öffnungsgrad verbessert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mehrs"tufigen Hydraulikmaschinenanlage mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Turbinenkennlinien für die einzelnen Stufen einer mehrstufigen Hydraulikmaschine bei der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Pumpenkennlinien für die einzelnen Stufen der Maschine und

Fig. 4 bis 6 Blockschaltbilder von Steuervorrichtungen für die Betriebssteuerung der hydraulischen 'Maschine.

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Fig. 1 zeigt zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung den Aufbau einer einfachen Ausführungsform der mehrstufigen Hydraulikmaschinenanlage gemäß der Erfindung mit einer Francis-Zweistufenhydraulikmaschine 15 und einer Betriebssteuereinheit 17 für diese. Gemäß Fig. 1 umfaßt die Anlage ein Laufrad (runner) 10 für die Hochdruckstufe 10a, in einem Kreis um das Laufrad 10 herum angeordnete und einen variablen Wasser-Einlaßwinkel besitzende verstellbare Leitschaufeln 12 für die Hochdruckstufe 10a sowie ein Laufrad 14 und feste Leitschaufeln 16 für die Niederdruckstufe 14a, wobei diese Leitschaufeln in einem Kreis um das Laufrad 14 herum angeordnet sind und einen festen Anstell- oder Einlaßwinkel bzw. Öffnungsgrad besitzen und wobei die Hochdruckstufe 10a mit der Niederdruckstufe 14a über einen Rücklauf- bzw. Umlenkkanal 18 in Reihe geschaltet ist. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind mit einem nicht dargestellten Betätigungsmechanismus verbunden, der durch eine nicht dargestellte Steuereinheit so gesteuert wird, daß der öffnungswinkel der verstellbaren Leitschaufeln 12 entsprechend der Wasserdurchsatzmenge im Normal— oder im Übergangsbetrieb kleiner oder großer wird als derjenige der festen Leitschaufeln 16. Ein dem Laufrad 10 der Hochdruckstufe zugeordnetes Gehäuse 20 kommuniziert über eine Rohrleitung 22 mit einem Einlaßschieber 24. Ein Abzugsrohr 26 bildet einen Wasserkanal für das Laufrad 14 der Niederdruckstufe.

Bei der beschriebenen Anordnung strömt somit das Wasser im Turbinenbetrieb aus der Rohrleitung 22 in das angeschlossene (Turbinen-) Gehäuse 20, wenn der Schieber 24 offen ist. Das Wasser durchströmt dabei der Reihe nach die verstellbaren Leitschaufeln 12 des Laufrads 10 der Hochdruckstufe 10a, den Umlenkkanal 18 sowie die festen Leitschaufeln 16 und das Laufrad 14 der Niederdruckstufe T4a, um dann in das mit einem nicht dargestellten Abzugsgraben (tail race) verbundene Abzugsrohr 26 zu strömen.

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— O ~

Im Pumpenbetrieb strömt dagegen das durch das Niederdruck-Laufrad 14 hochgepumpte Wasser vom Abzugsrohr 26 auf entgegengesetztem Wege wie im Turbinenbetrieb zum Druckrohr 22.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind somit die festen Leitschaufeln 16 mit festem Wasserleit-Öffnungsgrad bzw. Ausstellwinkel jeweils für das Laufrad der mit niedrigerem Druck arbeitenden Stufen 14a, d.h. bei einer Mehrstufenmaschine mit drei oder mehr Stufen bei allen Stufen, mit Ausnahme der mit dem höchsten Druck arbeitenden Stufe, vorgesehen, die infolge konstruktiver Schwierigkeiten kaum mit verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden können. Die verstellbaren Leitschaufeln 12 sind andererseits nur dem Laufrad 12 für die Stufe 10a mit dem höchsten Druck einer Hydraulikmaschine mit drei oder mehr Stufen zugeordnet, wo sie sich vergleichsweise einfach einbauen lassen.

Fig. 2 zeigt die Hydraulikkennlxnien der beschriebenen Zweistufen-Hydraulikmaschine im normalen Turbinenbetrieb, wobei die Kennlinien für die einzelnen Stufen dieser Maschine gelten. In Fig. 2 bedeuten: H1 = Turbinen-Gesamtstaudruck oder -gefälle (net head) für die Hochdruckstufe 10a, H2 = Turbinen-Gesamtstaudruck für die Niederdruckstufe 14a, Q = Durchsatzmenge, H1O, H2O und QO = Werte entsprechend H1, H2 und Q unter normalen Turbinenbetriebsbedingungen (Punkt O wie angegeben), wobei H1 gleich H2 ist. Weiter bedeuten: aO = Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an jeder Stufe im normalen Turbinenbetrieb; al = Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an der Hochdruckstufe 10a, d.h. größer als der normale Öffnungsgrad aO; a-1, a-2, ... = Öffnungsgrade an der Hochdruckstufe 10a, die kleiner sind als der normale Öffnungsgrad aO; und ΔY\ = relativer Turbinenwirkungsgrad-Unterschied, durch den relativen Unterschied gegenüber dem maxi-

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malen Turbinenwirkungsgrad dargestellt. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Durchsatzmenge und dem Turbinen-Gesamtstaudruck für jede Stufe, wobei die Durchsatzmengenverhältnisse Q/QO auf der Abszisse und die Verhältnisse des Turbinen-Gesamtstaudrucks H1/H1O sowie H2/H2O für die Stufen 10a und 14a höheren bzw. niedrigeren Drucks auf der Ordinate aufgetragen sind. Die Kurven aO, al, ... sind Kennlinien entsprechend den Öffnungsgraden aO, al, ... . Der kombinierte Turbinen-Gesamtstaudruck HO der Hydraulikmaschine kann somit durch Zusammenaddieren der Gesamtstaudrücke für die beiden Stufen erhalten werden.

Wenn der Einlaßschieber 24 voll offen ist und sich jede Stufe im normalen Turbinenbetrieb befindet (Punkt O in Fig. 2), beträgt der Turbinen-Gesamtstaudruck für jede Stufe die Hälfte des kombinierten Turbinen-Gesamtstaudrucks HO, welcher die Hydraulikmaschine beaufschlagt. Somit erhält man:

Hl + H2 = HO

Hl = H2

(D

Hl - HlO = HO/2 _und

H2 = 1120 = HO/2

Bei Verringerung der Strömungs- oder Durchsatzmenge gegenüber dem Wert im normalen Turbinenbetrieb durch allmähliches Schließen des Einlaßschiebers 24 , während der Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs jeder Stufe auf der normalen Größe gehalten wird, erhält die Betriebsbedingung für jede Stufe einen Verlauf O—^ A auf der Kennlinie entsprechend dem normalen Öffnungsgrad aO, der sich gemäß Fig. 2 bei einem Staudruckverlust oder -abfall ^Hv/2 des Einlaßschiebers 24 zur Seite niedrigeren Staudrucks hin

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verschiebt. Infolgedessen arbeitet die Maschine mit verringerter hydraulischer Leistung entsprechend folgender Beziehung:

Hl + H2 = HO - ΔΗν

Hl = (HO - AHv)/2 = HlO - ΔΗν/2 und

H2 = (HO - ΔΗν)/2 = H20 - ΔΐΙν/2

Der obige Fall tritt bei der bisherigen Mehrstufen-Hydraulikmaschine mit festen Leitschaufeln für das Laufrad jeder Stufe ein, bei welcher die Bedingungen im Turbinenbetrieb durch Einstellung der Strömung bzw. des Durchsatzes mittels des Einlaßschiebers 24, gesteuert werden. Aus dem Verlauf A—>O auf der Kennlinie geht hervor, daß die Hydraulikenergie für den Staudruckverlust verlorengeht und daß beide Stufen mit niedriger hydraulischer Leistung arbeiten, wodurch im Betrieb der Maschine ziemlich viel Leistung vergeudet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Zweistufenmaschine wird jedoch die Durchsatzmenge vom Wert für normalen Turbinenbetrieb (Punkt O) nur durch Einstellung des Öffnungsgrads des Wasserdurchgangs der verstellbaren Leitschaufeln 12 der Hochdruckstufe 10a verringert, während der Einlaßschieber 24 voll offen bleibt.

Wenn gemäß Fig. 2 der Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an der Hochdruckstufe 1Oa allmählich verkleinert wird, folgen die Betriebsbedingungen für die Niederdruckstufe 14a mit festem Öffnungsgrad dem Verlauf 0—> A auf der Kennlinie entsprechend dem normalen Öffnungsgrad, wodurch sich die hydraulische Leistung bzw. der hydraulische Wirkungsgrad vergleichsweise verschlechtert. Da andererseits der Turbinen-Gesamtstaudruck H1 mit Verkleinerung des

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Durchgang-Öffnungsgrads zunimmt, .folgen die Betriebsbedingungen für die Hochdruckstufe 10a einem Verlauf O—>B, auf welchem die hydraulische Leistung entsprechend folgender Beziehung verstärkt wird:

Hl + H2 = HO und

Hl > H2 ⁽³⁾

Bei der dargestellten Zweistufen-Hydraulikmaschine kann somit der Arbeitsbereich für die Hochdruckstufe 10a auf eine höhere hydraulische Leistung verschoben werden, wodurch die integrierte Hydraulikleistung der Maschine verbessert wird. Außerdem vergrößert sich nicht der Verlust oder Abfall des Staudrucks am Einlaßschieber 24, so daß die Maschine im Vergleich zu der durch Steuerung des Einlaßschiebers geregelten Maschine mit hohem Wirkungsgrad und wirtschaftlich betrieben werden kann. Wenn der kombinierte Turbinen-Gesamtstaudruck HO, welcher die Hydraulikmaschine beaufschlagt, vorgegeben ist, kann die bisherige Maschine aufgrund des- festen Öffnungsgrads des Wasserdurchgangs an jeder Stufe durch Einlaßschiebersteuerung nicht mit einer Strömungs- oder Durchsatzmenge betrieben werden, die höher ist als der Wert für den normalen Turbinenbetrieb (Punkt O) bei voll offenem Einlaßschieber 24 (Fig. 2). Bei der dargestellten ZweiStufenmaschine kann dagegen der Durchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln für die Stufe höheren Drucks so eingestellt werden, daß er grosser ist als der normale Öffnungsgrad aO oder der feste Öffnungsgrad an der Niederdruckstufe. Infolgedessen kann eine höhere Turbinen-Ausgangsleistung bei einer größeren Durchsatzmenge als im Normalbetrieb (Punkt 0) entsprechend den folgenden Beziehungen erzielt werden:

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Hl + H2 = MO und

(4)

III < H2

Erfindungsgemäß kann somit die Mehrstufen-Hydraulikmaschine wirtschaftlich betrieben werden. Im normalen Turbinenbetrieb kann der hydraulische Wirkungsgrad im Bereich niedrigerer Durchsatzmengen durch Steuerung oder Regelung des Öffnungsgrads des durch die verstellbaren Leitschaufeln bestimmten Wasserdurchgangs auf einen kleineren Wert als dem festen Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln verbessert werden, während eine vergleichsweise große Turbinen-Ausgangsleistung dadurch erreicht werden kann, daß der variable Öffnungsgrad größer eingestellt wird als der feste Öffnungsgrad.

Im folgenden sind anhand von Fig. 3 die hydraulischen Eigenschaften bzw. Kennlinien der Zweistufen-Hydraulikmaschine im normalen Pumpenbetrieb erläutert. Fig. 3 zeigt die hydraulischen Kennlinien dieser Maschine im Pumpenbetrieb. Darin bedeuten: H1 = Pumpenstaudruck für die Hochdruckstufe 10a, H2 = Pumpenstaudruck für die Niederdruckstufe 14a, Q = Strömungs- oder Durchsatzmenge, H10, H20 und Q = Werte oder Größen entsprechend H1, H2 oder Q, die unter normalen Pumpenarbeitsbedingungen (Punkt O, wie dargestellt) erzielt werden, wobei H1 gleich H2 ist, aO = Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs an jeder Stufe im normalen Pumpenbetrieb, al = der über dem normalen öffnungsgrad aO liegende Öffnungsgrad des Wasserdurchganqs an der Hochdruckstufe 10a, a-1 = der unter dem normalen öffnungsgrad aO liegende Öffnungsgrad an der Hochdruckstufe 1Oa und <^>i = ein relativer Pumpenwirkungsgrad-Unterschied, durch einen relativen Unterschied gegenüber dem maximalen

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Pumpenwirkungsgrad dargestellt. Die Kennlinien aO, al, ... entsprechen den Öffnungsgraden aO, al , ... . Der kombinierte Pumpenstaudruck HO der Hydraulikmaschine kann durch Zusammenaddieren der Pumpenstaudrücke für die beiden Stufen erhalten werden. Wenn der Einlaßschieber 24 der Maschine 15 voll offen ist und sich jede Stufe im normalen Pumpenbetriebszustand befindet (Punkt O in Fig. 3), kann der durch die Maschine erzeugte, kombinierte Pumpenstaudruck HO durch Addieren der gleichen Staudrücke an beiden Stufen wie folgt erhalten werden:

Hl + H2 = HO

Hl = HO/2 = HlO und ..... (5)

H2 = HO/2 = II20

Wenn der Wasserspiegel bei einem Kraftwerk über den Wasserspiegel für Normalbetrieb hinaus ansteigt, muß die Hydraulikmaschine im Pumpenbetrieb arbeiten, wobei der Pumpenstaudruck entsprechend dem gestiegenen Wasserspiegel höher ist als der normale Pumpenstaudruck HO. In diesem Fall wird die bisherige Maschine mit festen Leitschaufeln für alle Stufen mit voll geöffnetem Einlaßschieber und mit beibehaltenem festen Normal-Öffnungsgrad aO des Wasserdurchgangs betrieben, so daß sich die Betrxebsbedingungen jeder Stufe bei diesem vergleichsweise großen Öffnungsgrad aO im Bereich kleinerer Durchsatzmenge an der Seite des höheren Staudrucks längs eines Verlaufs O—> Al verschieben. Infolgedessen werden die hydraulischen Eigenschaften jeder Stufe erheblich verschlechtert, wodurch auch der integrierte hydraulische Wirkungsgrad der Maschine beträchtlich herabgesetzt wird.

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Obgleich sich bei der dargestellten Anordnung die Niederdruckstufe 14a zur Seite höheren Staudrucks hin verschiebt und bei Aufrechterhaltung des normalen Öffnungsgrads aO die Größe A1 erreicht, kann dagegen die hohe hydraulische Leistung der Hochdruckstufe 10a durch Steuerung oder Regelung des Öffnungsgrads der verstellbaren Leitschaufeln 12 auf eine Größe unter dem normalen Öffnungsgrad aO sichergestellt werden, um die Betriebsbedingungen der Hochdruckstufe 10a längs eines Verlaufs O—^ B1 zur Seite höheren Staudrucks für die optimalen Öffnungsgradbedingungen zu verschieben, und zwar entsprechend der folgenden Beziehung:

Hl + H2 = H und

(6)

Hl > H2

Infolgedessen kann im Vergleich zur bisherigen Mehrstufen-Hydraulikmaschine im Betrieb mit kleiner Durchsatzmenge ein erheblich verbesserter integrierter Hydraulikwirkungsgrad erreicht werden. Wenn andererseits der Wasserspiegel am Kraftwerk unter den Wasserspiegel für Normalbetrieb abfällt, muß die Hydraulikmaschine als Pumpe mit einem niedrigeren Pumpenstaudruck als dem normalen Staudruck HO entsprechend diesem verringerten Wasserspiegel arbeiten. In diesem Fall wird die bisherige Maschine mit festen Leitschaufeln an allen Stufen bei voll geöffnetem Einlaßschieber sowie mit gleichbleibendem Wasserdurchgang-Öffnungsgrad aO betrieben, so daß sich die Betriebsbedingungen jeder Stufe entsprechend diesem vergleichsweise kleinen normalen Öffnungsgrad aO an der Seite niedrigen Staudrucks

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* Λ Λ

längs eines Verlaufs O—^Ä2 zum Bereich größerer Durchsatzmenge hin verschieben. Infolgedessen verschlechtern sich die hydraulischen Eigenschaften jeder Stufe unter Verringerung des integrierten Hydraulikwirkungsgrads der Maschine. Obgleich sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Niederdruckstufe 14a zur Seite niedrigen Staudrucks hin verschiebt und unter Aufrechterhaltung des normalen Öffnungsgrads aO die Größe A2 erreicht, kann eine hohe hydraulische Leistung der Hochdruckstufe 10a dadurch gewährleistet werden, daß der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln 12 auf einen größeren Wert als den normalen Öffnungsgrad aO eingestellt wird, so daß sich die Arbeitsoder Betriebsbedingungen der Hochdruckstufe 10a zur Seite des niedrigeren Staudrucks längs eines Verlaufs O - B2 für optimalen Öffnungszustand entsprechend der Beziehung nach Gleichung (6) verschieben und damit den Betrieb der Maschine mit verbesserter integrierter hydraulischer Leistung (integrated hydraulic capability) zulassen.

Die erfindungsgemäße Maschine kann somit effektiv auch im normalen Pumpenbetrieb mit verbesserter integrierter hydraulischer Leistung (integrated hydraulic capability) im Bereich kleiner Durchsatzmengen an der Seite des höheren Staudrucks oder im Bereich großer Durchsatzmengen an der Seite niedrigeren Staudrucks betrieben werden, indem der variable Wasserdurchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln so eingestellt wird, daß er kleiner bzw. größer ist als der feste Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln der Niederdruckstufe.

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Die Betriebssteuereinheit 17 umfaßt gemäß den Fig. bis 6 Steuersysteme 17a und 17b zur Steuerung bzw. Einstellung der verstellbaren Leitschaufeln 12 im Normalbetrieb sowie ein Betriebssteuersystem 17c für Übergangsbetrieb.

Fig. 4 veranschaulicht einen Fall, in welchem der Öffnungsgrad des Wasserdurchgangs a der mit einer Leitschaufel-Einstelleinheit 52 gekoppelten verstellbaren Leitschaufeln 12 für die Höchstdruckstufe entsprechend der Last oder Belastung für gute hydraulische Leistung mittels einer Lasteinstelleinheit 50 und der Leitschaufel-Einstelleinheit 52 eingestellt wird. Gemäß Fig. 5 wird der Öffnungsgrad a der verstellbaren Leitschaufeln 12 entsprechend dem Wasserspiegel (Turbinen- oder Pumpenstaudruck bzw. -gefälle) für gute hydraulische Leistung mittels eines Steuersystems aus einem Wasserspiegelregler 54 und der mit den Leitschaufeln 12 gekoppelten Einstelleinheit 52 eingestellt. Die Betriebssteuerung im Normalbetrieb läßt sich ohne weiteres durch Vornahme einer oder beider Einstellungen nach Fig. 4 und 5 durchführen.

Im folgenden ist die Steuerung oder Regelung für Übergangsbetrieb der Maschine beschrieben. Wesentlich ist dabei, ein einfaches und sicheres Verfahren zur Steuerung der Übergangsbetriebszustände der komplexen Mehrstufenmaschine mit je einem Laufrad (runner) pro Stufe, die durch den Umlenkkanal (return passage) miteinander verbunden sind, vorzusehen. Diese übergangszustände sind z.B. Anfahren und Abstellen der Turbine oder Pumpe, Unterdrückung (rejection) der Turbinenbelastung und Ausfall des Pumpeneinlaufs oder -eingangs.

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Bei der bisherigen Maschine mit dem vorher beschriebenen Aufbau erfolgt die Steuerung der Betriebsbedingungen oder -zustände durch Eingabe von Betriebssteuerbefehlen in den Einlaßschieber zur Einstellung des Wasserdurchlasses, um dadurch die Durchsatzmenge oder die Drehzahl zu steuern. Bei dieser Steuerung mittels des Einlaßschiebers, im Gegensatz zur Steuerung mittels der Leitschaufeln, erweist es sich jedoch als schwierig, den Wasserstrom gleichmäßig zu regeln, so daß erhebliche Turbulenz auftritt, die zu beträchtlicher Geräuschentwicklung und Schwingung führt. Erfindungsgemäß wird dagegen der Wasserdurchlaß, d.h. sein Öffnungsgrad, dadurch eingestellt, daß Betriebssteuerbefehle nur den verstellbaren Leitschaufeln 12 am Laufrad für die Höchstdruckstufe 10a zugeführt werden, um dadurch die Durchsatzmenge oder die Drehzahl zur Erzielung der Steuerung für den jeweiligen Betriebszustand zu regeln. Da die Steuerbefehle nur diesen Leitschaufeln der Höchstdruckstufe 10a zugeführt werden, läßt sich u.a. die Steuerung leicht bewerkstelligen, ohne die auf die komplizierten Steuersysteme zurückführenden Schwierigkeiten oder Störungen zu bedingen. Im Gegensatz zur Einlaßschiebersteuerung ermöglicht die Leitschaufelsteuerung zudem eine gleichmäßige bzw. stufenlose (smooth) Einstellung der Durchsatzmenge, wobei Geräuschentwicklung und Schwingung vermieden werden. Die erfindungsgemäße Mehrstufen-Hydraulikmaschine kennzeichnet sich weiterhin dadurch, .daß selbst beim Auftreten einer plötzlichen Druckänderung aufgrund eines Wasserdruckstoßes in einem an die Hochdruckstufe 10a angeschlossenen Wasserleitsystem, etwa infolge einer plötzlichen Änderung der Strömungsmenge, bei geschlossenen Leitschaufeln die Druckstoßwelle durch die wenig geöffneten oder voll geschlossenen Leitschaufeln an der Hochdruckstufe 10a aufge-

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fangen wird. Diese Druckwelle kann somit nicht die Niederdruckstufe 14a unmittelbar beeinflussen, an welcher der Öffnungswinkel stets groß ist, so daß die gesamte Maschine nicht mit einem übermäßigen Wasserdruck beaufschlagt und damit stets eine höchst sichere Steuerung gewährleistet wird.

Im folgenden ist anhand von Fig. 6 die Steuerung bei der Unterdrückung oder Abweisung von Turbinenbolastungcn beschrieben, die u.a. eines der kritischsten Probleme im Übergangsbetrieb darstellen. Eine Drehzahl- oder Spannungsänderung ^,N in einem unmittelbar mit der Hydraulikmaschine gekoppelten Drehzahlgeber oder Generator wird dabei abgegriffen, um dadurch den Wasserdurchgang-Öffnungsgrad der verstellbaren Hochdruckstufen-Leitschaufeln 12 zu steuern, die an ein Steuersystem aus einer Reglereinheit 5 6 und der Leitschaufel-Einstelleinheit 52 angeschlossen sind, so daß auf einfache und sichere Weise eine Stabilisierung von Drehzahl, Durchsatzmenge, Wasserdruck usw. erzielt wird. Für den Fall eines Ausfalls des Pumpeneinganqs sowie für Anfahren und Abstellen der Hydraulikmaschine ist es weiterhin wichtig, die Betriebszustände der Maschine im Übergangsbetrieb dadurch sicher zu steuern oder zu regeln, daß die Betriebssteuerbefehle über die Einstelleinheit 52 nur den verstellbaren Leitschaufein 12 zugeführt werdc?n. Da die Betriebssteuersysteme gemäß den Fig. 4 bis 6 im allgemeinen an sich bekannt sind, kann auf eine genauere Beschreibung ihrer Bauteile und Funktionen verzichtet werden.

Mit der Erfindung wird also eine mehrstufige Ilydraulikmaschine mit Stufen von höchstem bis zu niedrigstem Druck, die durch einen Rücklauf- oder Umlenkkanal miteinander verbunden sind, und mit einen variablen Öffnungsgrad des Wasser-

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durchgangs einstellenden, verstellbaren Leitschauleln, die um ein Laufrad für die Stufe höchsten Drucks herum angeordnet sind, sowie mit festen Leitschaufeln mit festem Öffnungsgrad (Anstellwinkel) an jedem Laufrad für jede Stufe niedrigeren Drucks geschaffen, wobei im Normalbetrieb der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln für die Höchstdruckstufe 10a entsprechend der Strömungsoder Durchsatzmenge kleiner oder größer eingestellt werden kann als derjenige der festen Leitschaufeln an der Niederdruckseite. Hierdurch werden sowohl die hydraulischen Eigenschaften im Normalbctrieb verbessert als auch eine sichere Steuerung unter Ubergangsbetriebsbedingungen gewährleistet, die bei Änderung der Betriebsart auftreten.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler &Hänzel ^{: :}- - - : .. Patentanwälte

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Te!, 089/982085-87

Kawasaki-shi, Japan Telex: 0529802 hnkld

Telegramme: ellipsoid

2 2. Mai 1979

case 53P878-2

Patentansprüche.

.) Mehrstufige Hydraulikmaschinenanlage, bestehend aus einer Mehrstufen-Hydraulikmaschine mit je einem Laufrad (runner) für jede Stufe der Stufen vom höchsten bis zum niedrigsten Druck, einem alle Stufen miteinander verbindenden Rücklauf- bzw. Umlenkkanal und einer Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung der Arbeitsweise oder des Betriebs der Hydraulikmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (10a) höchsten Drucks in einem Kreis um das betreffende Laufrad (10) herum angeordnete verstellbare Leitschaufeln (12) mit variablem Wasserdurchgang-Öffnungsgrad aufweist, daß jede Stufe (14a) niedrigeren Drucks feste Leitschaufeln (16) mit festem bzw. gleichbleibendem Öffnungsgrad (Anstellwinkel) in einer Kreisanordnung um das betreffende Laufrad (14) hQrum aufweist und daß die Betriebssteuereinrichtung (17) den Öffnungsgrad (Anstellwinkel) der verstellbaren Leitschaufeln (12) so steuert, daß dieser Öffnungsgrad im Normalbetrieb der Hydraulikmaschine (15) mit großem Durchsatz größer und bei kleinem Durchsatz kleiner ist als der Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln (16).

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2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuereinrichtung (17) den Wasserdurchlaß-Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln (12) in Abhängigkeit von Betriebssteuerbefehlen ste'uert, die beim Anfahren oder Abstellen der Hydraulikmaschine (15), bei Unterdrückung (rejection) von Turbinenbelastungen oder bei einem Ausfall des Pumpeneingangs geliefert werden.
3. Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen Hydraulikmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verstellbare Leitschaufeln mit variablem Wasserdurchgang-Öffnungsgrad in einem Kreis um das Laufrad der Stufe mit dem höchsten Druck herum angeordnet werden, daß um die Laufräder der mit niedrigerem Druck arbeitenden Stufen herum jeweils feste Leitschaufeln mit festem Öffnungsgrad in Kreisanordnung vorgesehen werden und daß das öffnen bzw. der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln durch die Betriebssteuereinrichtung so gesteuert bzw. eingestellt wird, daß er im Normalbetrieb der Hydraulikmaschine mit großem Durchsatz größer und bei kleinem Durchsatz kleiner ist als der Öffnungsgrad der festen Leitschaufeln.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Wasserdurchgang-Öffnungsgrads der verstellbaren Leitschaufeln in Abhängigkeit von Betriebs-Steuerbefehlen erfolgt, die beim Anfahren oder Abstellen der Hydraulikmaschine, bei Unterdrückung (rejection) von Turbinenbelastungen oder bei einem Ausfall des Pumpeneingangs geliefert werden.

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ORIGINAL INSPECTED