DE3223114A1

DE3223114A1 - Mehrstufige hydraulische maschine und verfahren zur steuerung ihres betriebes

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Publication number: DE3223114A1
Application number: DE19823223114
Authority: DE
Inventors: Sachio Yokohama Kanagawa Tsunoda; Ichiro Yamagata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-06-22
Filing date: 1982-06-21
Publication date: 1983-01-13
Anticipated expiration: 2002-06-22
Also published as: CH659507A5; US4472103A; JPS57212374A; DE3223114C2; JPS636750B2

Description

^ 32231U.

MEHRSTUFIGE HYDRAULISCHE MASCHINE UND VERFAHREN ZUR STEUERUNG IHRES BETRIEBES.

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige hydraulische Maschine und ein Verfahren zur Steuerung des Betriebes dieser Maschine, die als Pumpe oder Turbine arbeitet, um so den hydraulischen Wirkungsgrad unter einer stetigen Arbeitsbedingung zu verbessern und die hydraulische Maschine durch Unterdrückung von in ihr erzeugten Schwingungen und Geräuschen stabil zu betreiben. Allgemein kann der Betrieb oder die Laufbedingung einer hydraulischen Maschine gesteuert werden, indem die Wassermenge, die durch die hydraulische Maschine strömt, eingestellt wird, wobei diese Einstellung durch Leitschaufeln erfolgt, die am Umfang eines Läufers angeordnet sind oder mit Hilfe eines am Einlaßteil der hydraulischen Maschine angeordneten Einlaßventils. . .

Bei einer mehrstufigen hydraulischen Maschine, bei welcher Druckstufen vorgesehen sind, wobei die Läufer über Umkehrleitungen miteinander verbunden sind, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die Wasserströmungsbedingungen an den jeweiligen Stufen durch Leitschaufeln zu steuern, die an den Umfangen der Läufer der Stufen angeordnet sind, um so den Betrieb der üblichen mehrstufigen hydraulischen Maschine zu steuern. Bei der mehrstufigen hydraulischen Maschine der obengenannten Art ist es aber wegen der konstruktiven Begrenzung extrem schwierig, Leitschaufeln an den Außenumfängen der Läufer der entsprechenden Stufen vorzusehen und den Betrieb oder das Schließen der Leitschaufeln durch eine Leitschaufel-Steuereinheit zu steuern, die mit den Leitschaufeln verbunden ist, was für den praktischen Gebrauch der mehrstufigen hydraulischen Maschine ein Problem darstellt. Bei der mehrstufigen hydraulischen Maschine dieser Art sind in vielen Fällen nur stationäre Leitschaufeln mit konstantem Öffnungsgrad am Außenumfang eines Läufers jeder Stufe angeordnet, und es erfolgt die

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Steuerung des Betriebes der Maschine durch eine Offen-Geschlossen-Steuerung eines Einlaßventils, das am Einlaßteil der hydraulischen Maschine vorgesehen ist. Ferner kann in einer solchen mehrstufigen hydraulischen Maschine die Wasserströmungsbedingung am Umfang des Läufers jeder Stufe in Abhängigkeit von der Strömungsmenge des hindurchtretenden Wassers eingestellt werden, so daß in Bereichen niedriger Strömungsgeschwindigkeit und hoher Strömungsgeschwindigkeit abgesehen von Konstruktionspunkten der hydraulische Wirkungsgrad herabgesetzt wird, wobei die hydraulische Maschine selbst bei verringertem hydraulischen Gesamtwirkungsgrad betrieben wird. Zusätzlich wird der Wasserdruckverlustanteii' in der Nähe des Einlaßventils durch Einstellung der durch das Einlaßventil strömenden Wassermenge durch teilweises Schließen der Ventilöffnung erhöht, und es wird deshalb hydraulische Energie entsprechend dem Wasserdruckverlust vergeudet, was zu einer Abnahme des Laufwinkungsgrades einer elektrischen Energieanlage führt.

Um den obenbeschriebenen Fehlern und Problemen zu begegnen, ist auch bereits ein Verfahren zum Steuern des Betriebes einer mehrstufigen hydraulischen Maschine vorgeschlagen worden, bei welchem verstellbare Leitschaufeln nur für die Stufe mit höchstem Druck vorgesehen sind, wobei die Wasserströmungsmenge durch Regulierung des Öffnungsgrades dieser verstellbaren Leitschaufeln eingestellt werden kann. Bei diesem Betriebssteuerverfahren wurde der Wasserdruckverlust am Einlaßventil, der in einem Falle beobachtet worden ist, in dem keine verstellbaren Leitschaufeln in der höchsten Druckstufe angeordnet waren, nicht beobachtet, so daß dieses Steuerverfahren einen besseren Arbeitswirkungsgrad hat als das erstgenannte Verfahren. Trotz des obenbeschriebenen Vorteils können in dem letztgenannten Verfahren ein Wasser-Trenn-Phänomen und oder ein örtlicher Sekundärstrom auftreten, weil die Niederdruckstufe an einem Betriebspunkt arbeitet, der von

einem bestimmten Arbeitspunkt während des Betriebes als Turbine mit einer geringen Wassermenge weit entfernt ist, und es werden diese nachteiligen Erscheinungen oft beobachtet, wenn der Wasserdruck auf der Auslaßseite eines Läufers absinkt, so daß solche Probleme, wie die Wasser-Trenn-Erscheinung und der örtliche Sekundärstrom an der Niederdruckstufe zunehmen, wo der Wasserdruck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe niedriger ist als derjenige der anderen Stufen. Es wird deshalb die hydrau>lische Maschine dieser Art unter einer unstabilen Bedingung mit Kavitation, mit starken Schwingungen und Geräuschen betrieben.

Infolgedessen-ist, wie oben beschrieben, eine mehrstufige hydraulische Maschine mit Druckstufen, die je mit verstellbaren Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade einstellbar sind, wegen der hydraulischen Eigenschaften in höchstem Maße bevorzugt, jedoch erfordert sie eine erhebliche Beschränkung der Konstruktion für den praktischen Gebrauch. Eine mehrstufige hydraulische Maschine, in welcher die jeweiligen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade nicht eingestellt werden können, und bei welcher die Steuerung des Wasserstromes nur durch Einstellung eines Einlaßventils erfolgt, hat den einfachsten Aufbau, jedoch hat sie extrem geringe hydraulische Eigenschaften. Jedoch werden in einer mehrstufigen hydraulischen Maschine, in welcher nur die Stufe höchsten Druckes mit einstellbaren Leitschaufeln versehen ist, wie es bereits vorgeschlagen worden ist, Kavitation, Schwingungen und Geräusche erzeugt, wenn die Maschine mit einer geringen Wassermenge arbeitet.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine und eines Verfahrens zur Steuerung des Betriebes einer solchen Maschine, so daß diese stabil arbeitet und einen verbesserten hydraulischen Wirkungsgrad bei einer stetigen Betriebsbedingung aufweist, wobei

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die Erzeugung von Kavitation, von Schwingungen und von Geräuschen in der hydraulischen Maschine wirksam unterdrückt wird.

Nach der Erfindung ist eine verbesserte mehrstufige hydraulische Maschine und ein Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Maschine vorgesehen, die wenigstens drei Stufen aufweist, wobei die jeweiligen Druckstufen über die Läufer und über Umkehrleitungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Druckstufen mit Leitschaufeln versehen sind, die an den Außenumfängen der jeweiligen Läufer angeordnet sind. Das Verfahren umfaßt die Schritte der Veränderung der Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck, und zwar entsprechend einer Arbeitsbedingung der hydraulischen Maschine, wobei die Öffnungsgrade der stationären Leitschaufeln der anderen Druckstufen auf einem konstanten Wert gehalten werden, wobei die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß sie in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit größer sind als diejenigen der Mitteldruckstufen, während sie in einem Bereich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit kleiner sind als diejenigen der Mitteldruckstufen, wobei der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gehalten wird, daß er gleich oder kleiner ist als derjenige der höchsten Druckstufe, und zwar in Übereinstimmung mit j einer Änderung in einer Betriebsbedingung der hydraulischen ' Maschine, während diese in einem stetigen Betrieb arbeitet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer typischen dreistu- ; figen hydraulischen Maschine, auf die die Erfindung anwendbar ist,in einem Längsschnitt,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der hydraulischen Eigenschaften bei Betrieb der hydraulischen Maschine als

Turbine,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der hydraulischen Eigenschaften bei Betrieb der hydraulischen Maschine als Pumpe,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Betriebslast und den Öffnungsgraden der Leitschaufeln bei Betrieb der hydraulischen Maschine als Turbine unter einer stetigen Bedingung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Betriebslast und den Öffnungsgraden der Leitschaufeln, wenn die Maschine unter einer stetigen Bedingung als Turbine arbeitet, und

Fig. 6 Blockschaltbilder, welche die Steuersysteme für die Steuerung der Leitschaufein der hydraulischen Maschine zeigen, wenn diese unter einer stetigen Arbeitsbedingung betrieben wird.

Die Erfindung wird nun im einzelnen in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, welche ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Francis-Maschine mit drei Stufen zeigt.

Ein Läufer 1 der Stufe mit höchstem Druck ist an ihrem Außenumfang mit mehreren einstellbaren Leitschaufeln 2 versehen, die in einem Kreis angeordnet sind, und deren Öffnungsgrade verändert werden können. Ein Läufer 3 einer Mitteldruckstufe ist an seinem Außenumfang mit mehreren stationären Leitschaufeln 4 versehen, die in einem Kreis angeordnet sind und deren Öffnungsgrade nicht veränderbar sind. Die Stufe mit höchstem Druck und die Mitteldruckstufe sind über eine Umkehrleitung 5 miteinander in Reihe geschaltet. Ein Läufer 6 der Stufe mit niedrigstem Druck ist an seinem Außenumfang mit mehreren verstellbaren Leitschaufeln 7 versehen, die in einem Kreis angeordnet sind und deren Öffnungsgrad verändert werden kann. Die niedrigste Druckstufe ist mit der Mitteldruckstufe über eine Umkehrleitung 8 in Reihe geschaltet.

Bei einer mehrstufigen hydraulischen Maschine dieser Art

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durchsetzt, wenn sie als Turbine mit einem geöffneten Einlaßventil 9 betrieben wird, ein Wasserstrom ein Druckrohr 10 und ein damit verbundenes Gehäuse 11. Der Wasserstrom tritt durch die Leitschaufeln 2 und den Läufer T der Stufe mit höchstem Druck ein, durchsetzt die Umkehrleitung 5, die Leitschaufeln 4 und den Läufer 3 der Mitteldruckstufe, die Umkehrleitung 8, die Leitschaufeln 7 und den Läufer 6 der Stufe mit niedrigstem Druck. Das Wasser wird dann durch ein Saugrohr 12 abgegeben, das mit einem nicht dargestellten Viasserablauf verbunden ist. Wenn andererseits die hydraulische Maschine als Pumpe arbeitet, strömt das Wasser von dem Saugrohr 12 zum Druckrohr 10 in umgekehrter Weise zu der oben in Verbindung mit dem Betrieb als Turbine beschriebenen Strömung. .

Gemäß der Erfindung arbeitet die mehrstufige (dreistufige) hydraulische Maschine der obenbeschriebenen Art unter einer stetigen Arbeitsbedingung, in dem die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der entsprechenden Druckstufen unabhängig oder gleichzeitig in einer solchen Weise gesteuert werden, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck immer so gehalten werden, daß sie gleich oder kleiner sind als der Öffnungsgrad der höchsten Druckstufe, so daß die Öffnungsgrade der einstellbaren Leitschaufeln verhältnismäßig größer sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln bei einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, während die Öffnungsgrade vergleichsweise kleiner als diejenigen der stationären Leitschaufeln gehalten werden, wenn es sich um einen Bereich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit handelt. ■

Die hydraulischen Eigenschaften der jeweiligen Stufen der dreistufigen hydraulischen Maschine, die unter einer stetigen Arbeitsbedingung als Turbine arbeitet und die gemäß· der obenbeschriebenen Erfindung gesteuert werden kann, werden nunmehr in Verbindung mit Fig. 2 erläutert.

In Fig. 2 stellt das Bezugszeichen H₁ einen wirksamen

-Mr- 32231U

-a»

Wasserdruck der höchsten Druckstufe dar. H« und H₃ sind die Drücke der mittleren Druckstufe und der Niederdruckstufe. Q ist eine Strömungsmenge und a (χ: ...., -2, -1, O, 1, 2, ...) bezeichnen die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der jeweiligen Stufen. Die aus ■:. den Buchstaben (z.B.

bestehenden Bezugszeichen H₁, H₂, H₃, Q und a) mit dem Zusatz "0"/stellen Werte bei der normalen Arbeitsbedingung des Wasserrades dar, in welcher die jeweiligen Stufen unter einer hydraulisch äquivalenten Arbeitsbedingung arbeiten. Die normale Arbeitsbedingung ist als ein Punkt "0" in Fig. 2 dargestellt. Die Öffnungsgrade der Leitschaufeln sind als a.. , a„,a_ ... dargestellt, wenn die Leitschaufeln geöffnet sind, so daß sie größer sind als a., und sie sind auch dargestellt a*/ ^a__?/ a _, ..., wenn die Leitschaufeln geöffnet sind, so daß der Öffnungsgrad kleiner als a^ ist.Δ E (%) bezeichnet die relative Turbinenwirkungsgraddifferenz, die durch eine relative Differenz von dem maximalen Turbinenwirkungsgrad dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und dem effektiven Wasserdruck für jede Stufe, in welcher die Abszisse ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit Ö/6_Q zeigt, während die Ordinate Verhältnisse des effektiven Wasserdruckes H./H._Q, H₂/H_2Q und H₃ZH₃₀ an den jeweiligen Stufen zeigt. Infolgedessen kann ein kombinierter wirksamer Gesamtwasserdruck der mehrstufigen hydraulischen Maschine erhalten werden, indem die effektiven Wasserdrücke für die jeweiligen Stufen summiert werden.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 2, wo das Einlaßventil voll geöffnet ist und wo jede Stufe sich in der normalen Arbeitsbedingung (Punkt 0 in Fig. 2) befindet, wobei der effektive Druck H.. , H„ oder H- jeder Stufe ein Drittel des kombinierten effektiven Gesamtdruckes H_Q ist, der auf die hydraulische Maschine wirkt und der durch die folgende Beziehung (1) dargestellt ist:

?C\ 32231U

^H	1 ⁺	H_{2 +}	^H3 =
H	1 ⁼	H₂ =	H₃
H	-, =	^H10 ⁼	H₀/3
H	2 ⁼	^H20 ⁼	H₀/3

(1)

H₃ = H₃₀= H₀/3

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit von dem Betrag für den normalen Turbinen^betrieb (Punkt 0) verringert wird, sind die geometrischen Betriebsorte in einem Verfahren, in welchem nur der Öffnungsgrad des Einlaßventils geregelt wird, in einem Verfahren, in welchem nur der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck reguliert wird, und in einem Verfahren nach der Erfindung vergleichend in Fig. 2 gezeigt, die in Verbindung hiermit im folgenden beschrieben werden.

Zuerst nimmt in einem Fall der Einlaßventilsteuerung der auf jede Stufe einwirkende effektive Druck um ein Drittel des Wasserdruckverlustes A H an dem Teil des Einlaßventils ab, während der Öffnungsgrad auf dem normalen Öffnungsgrad a.Q an jeder Stufe gehalten wird. Infolgedessen ändert sich oder verschiebt sich der Betriebspunkt jeder Stufe entlang einer Kurve 0-*A„ auf der Kurve entsprechend dem normalen Öffnungsgrad a_n in Fig. 2, und es wird die hydraulische Maschine mit einem extrem verringerten hydraulischen Wirkungsgrad und niedrigem Druck an jeder Stufe entsprechend der folgenden Beziehung (2) betrieben:

^{+ H}2	+ H ^j	^H°	- ΔΕ_ν
= (H₀-	^v	/3 = H	ίο -^V³
= (H₀-	ΔΕ_γ)	/3 = H	20 -^V³
= (H-	ΔΕ )	/3 = H	₃₀ -^H /3

(2)

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, geht in einer bekannten mehrstufigen hydraulischen Maschine, die durch Regelung fex Strömungsgeschwindigkeit durch Einstellung des Öffnungsgrades allein des Einlaßventils gesteuert wird, die hydraulische Energie entsprechend dem Wasserdruckverlust am Einlaßventil verloren, und es wird die Maschine in jeder Stufe mit dem extrem verringerten hydraulischen Wirkungsgrad betrieben, was unwirtschaftlich ist. Da zusätzlich jede Stufe der hydraulischen Maschine an einem Punkt mit einem niedrigen Druck mit verringertem.hydraulischen Wirkungsgrad betrieben wird, wird eine Abtrennungserscheinung des Wasserstromes und/oder ein örtlicher Sekundärstrom hervorgerufen, und insbesondere werden in der höchsten Druckstufe die Trennungserscheinung und/oder der örtliche Sekundärstrom in erhöhtem Maße erzeugt, weil der hydraulische Druck an der Auslaßseite des Läufers dieser Stufe niedrig ist, wodurch ein nachteiliger Wirbel und eine Kavitation hervorgerufen werden, die starke Schwingungen und Geräusche hervorrufen.

Zweitens soll der Betrieb der dreistufigen hydraulischen Maschine betrachtet werden, bei welchem der Öffnungsgrad der verstellbaren Schaufeln nur der höchsten Druckstufe veränderbar ist, während der Öffnungsgrad der anderen Stufen nicht veränderbar ist. Wenn unter dieser Voraussetzung die Strömungsgeschwindigkeit durch Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln der höchsten Druckstufe verringert wird, so daß die Leitschaufeln einen kleinen Öffnungsgrad bei normaler Turbinenbetriebsbedingung haben, verschiebt sich der Arbeitspunkt der höchsten Druckstufe entlang einer Kurve 0-»C, und es verschieben sich die Arbeitspunkte der anderen Stufen entlang einem geometrischen Ort 0-*B entsprechend der folgenden Beziehung (3).

₊ H₂	+	H₃ ■ =
^{= H}3	=	(H₀
= ^H3	<	H₁

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Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt,kann in einer bekannten mehrstufigen (beispielsweise dreistufigen) hydraulischen Maschine, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit durch Einstellung des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck gesteuert wird, die hydraulische Maschine im Vergleich mit der obenbeschriebenen hydraulischen Maschine wirtschaftlicher arbeiten, weil kein Verlust der hydraulischen Energie aufgrund des Wasserdruckverlustes im Einlaßventil auftritt. Da aber die Stufe mit niedrigstem Druck der an zweiter Stelle genannten hydraulischen Maschine mit verringertem hydraulischen Wirkungsgrad arbeitet, kann in nachteiliger Weise der Wirbel oder eine Kavitation auftreten, die zu starken Schwingungen und Geräuschen am Auslaßteil der Stufe mit niedrigstem Druck führen können.

Schließlich wird unter Hinweis auf Fig. 2 im folgenden die Strömungsgeschwindigkeitseinstellung in einem normalen Turbinenbetrieb einer mehrstufigen hydraulischen Maschine nach der Erfindung beschrieben, in welcher die Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck mit verstellbaren Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade geändert werden können, wobei die anderen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, deren Öffnungsgrade nicht veränderbar sind.

Mit dieser mehrstufigen hydraulischen Maschine werden im Falle einer erforderlichen Durchführung einer Lastjustierung durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit aus der normalen Turbinenbetriebsbedingung (Punkt 0 in Fig. 2) nach der Erfindung die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck so gesteuert, daß die Öffnungsgrade dieser Leitschaufeln verhältnismäßig kleiner sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der anderen Mitteldruckstufen, während die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gehalten werden, daß sie immer

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gleich oder kleiner sind als diejenigen der Stufe mit höchstem Druck.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführung, welche eine Betriebsart des Öffnungsgrades der verstellbaren Leitschaufeln darstellt, während das Wasserrad in der Last justiert wird, wobei die Abszisse die gesamte Turbinenlast P darstellt, während die Ordinate die Öffnungsgrade a. der verstellbaren Leitschaufeln und die Turbinenströmungsgeschwindigkeit Q zeigt. Gemäß der hydraulischen Maschine und ihrem Steuerverfahren nach der Erfindung können die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck relativ in verschiedenen Öffnungsgrad-Steuerbetriebsarten gesteuert werden. Im einzelnen zeigt Fig. 4, daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit Q entlang einer Kurve 0~*A verringert wird, wodurch die gesamte Turbinenlast auf eine Teillast gesteuert wird, die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck in Bezug auf die gesamte Turbinenlast P entlang den Kurven 0-^A₁ bzw. 0—»A_ gesteuert werden. Unter Hinweis auf Fig. 3 werden nämlich die Stufen der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine mit höchstem Druck, mit niedrigstem Druck und mit mittlerem Druck entlang den Kurven 0—»Α.. , 0-^A₃ bzw. 0—>A„ betrieben. Somit wird die Stufe mit niedrigstem Druck, in welcher der hydraulische Druck am Auslaß des Läufers gering ist, mit einem hohen Druck und ausgezeichnetem hydraulischen Wirkungsgrad betrieben. Deshalb wird der Wasserstrom am Auslaß der Stufe mit niedrigstem Druck stabil, so daß ein unstabiler Wirbel oder Kavitation, die Geräusche und Schwingungen hervorrufen, nicht erzeugt, weshalb die Maschine in der Stufe mit niedrigstem Druck sicher und stabil arbeitet. Da ferner in dieser Steuerbetriebsart nur die Mitteldruckstufen mit niedrigem hydraulischen Wirkungsgrad und niedrigem Druck arbeiten, kann der gesamte hydraulische Wirkungsgrad in einem Turbinenbetrieb mit einem geringen Wasserstrom im Vergleich zu dem Fall verbessert werden, in welchem nur die Stufe mit höchstem Druck mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist.

Selbst in einem anderen Fall, in dem die Installation und/ oder die Betriebsbedingungen einer hydraulischen Maschine ursprünglich erleichtert sind, z.B.wo die hydraulische Maschine so ausgebildet werden kann, daß sie einen verhältnismäßig großen Pumpendruck hat und der hydraulische Druck auf der Auslaßseite des Läufers der Stufe mit niedrigstem Druck verhältnismäßig hoch ist, wobei kaum ein Wirbel und/ oder eine Kavitation erzeugt wird, die Schwingungen und Geräusche hervorrufen, werden bei der erfindungsgemäßen mehrstufigen hydraulischen Maschine, wenn die Maschine als Turbine mit kleinem Wasserstrom arbeitet, die Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so betrieben, daß die Öffnungsgrade der Wasserwege der verstellbaren Leitschaufeln einander gleich sind, wobei diese Öffnungsgrade zusätzlich so gesteuert werden, daß sie kleiner sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen. Gemäß dieser Steuerbetriebsart werden die Mitteldruckstufen entlang einer Kurve 0 A„ (Fig. 2) betrieben, während die Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck entlang einer Kurve 0 B (Fig. 2) betrieben werden, und zwar mit einem hohen Druck und mit hohem hydraulischen Wirkungsgrad, wodurch die hydraulischen Gesamteigenschaften verbessert werden, wie es oben beschrieben ist bezüglich des Falles, in dem die verstellbaren Leitschaufeln so gesteuert werden, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck kleiner gehalten werden als diejenigen der Stufe mit höchstem Druck. In dieser Steuerbetriebsart befindet sich der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem Druck leicht auf der Seite des niedrigen Druckes, verglichen mit einem Fall, in welchem der Öffnungsgrad an der Stufe mit niedrigstem Druck kleiner gehalten wird als derjenige an der Stufe mit höchstem Druck, jedoch kann im Vergleich mit dem Punkt A„ in Fig. 2, welches der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem Druck einer üblichen hydraulischen Maschine ist, die hydraulische Maschine nach der Erfindung auf der Seite mit hohem Druck betrieben werden. Somit werden in einem Falle, in dem

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der Pumpendruck verhältnismäßig hoch ist, der Wirbel und/ oder eine Kavitation, die Schwingungen und Geräuöche her-

vorrufen, kaum erzeugt.

Somit kann nach der Erfindung die mehrstufige hydraulische Maschine mit hohem Wirkungsgrad und geringen Schwingungen und geringen Geräuschen bei einem Turbinenbetrieb mit kleiner Wassermenge arbeiten. Die hydraulische Maschine kann auch so gesteuert werden, daß der hydraulische Wirkungsgrad verbessert oder Schwingungen und Geräusche verringert werden.

In einem Falle, in dem der auf eine hydraulische Maschine einwirkende effektive Druck vorher gegeben ist, kann eine übliche mehrstufige Maschine, die durch die Einlaßventil-Steuerung betrieben wird, in einem Bereich einer Strömungsgeschwindigkeit betrieben werden, die größer ist als ein Fall der Bedingung 0 des normalen Turbinenbetriebes, in welchem das Einlaßventil voll geöffnet ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jedoch kann nach der Betriebssteuerart gemäß der Erfindung die hydraulische Maschine in einem Bereich mit einer Strömungsgeschwindigkeit arbeiten, die höher ist als im Falle der Betriebsbedingung 0 gemäß der folgenden Beziehung (4), und sie kann einen größeren Turbinenauslaß erzeugen.

H₁ 7 H₂ y (4)

3 ' 2

Ferner kann eine hydraulische Maschine, in welcher verstellbare Leitschaufeln nur für die höchste Druckstufe vorgesehen sind, in einem Bereich einer Strömungsgeschwindigkeit betrieben werden, der größer ist als im Falle der Betriebsbedingung 0 durch Steuerung der Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck, so daß die Öffnungsgrade größer werden als diejenigen

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der stationären Leitschaufeln der anderen Druckstufen. Jedoch kann nach der Erfindung die hydraulische Maschine in dem höheren Strömungsgeschwindigkeitsbereich betrieben werden als der gerade obenbeschriebene Fall.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 die vorliegende Erfindung anhand einer dreistufigen hydraulischen Maschine als typisches Beispiel einer mehrstufigen hydraulischen Maschine beschrieben.

Mit der dreistufigen hydraulischen Maschine, die durch Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln nur der Stufe mit höchstem Druck betrieben wird, wird in einem Falle, in dem die Leitschaufeln der Stufe mit höchstem Druck vom normalen Turbinenbetrieb (Punkt 0) maximal a geöffnet

max

werden, der Betriebspunkt entlang einer Kurve 0 <~>D verschoben, und es werden die Betriebspunkte an den anderen Druckstufen entlang einer Kurve 0 —* F.. verschoben. Im Zustand a wird die die hydraulische Maschine durchsetzende maximale Strömungsmenge durch Q₁ dargestellt.

Andererseits werden bei der dreistufigen hydraulischen" ; Maschine nach der Erfindung in einem Falle, in welchem die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck gleichmäßig auf den maximalen Wert von a geöffnet werden, die Betriebspunkte dieser Stufen entlang einer Kurve 0—>E verschoben, und es wird der Betriebspunkt der Mitteldruckstufe, die mit stationären Leitschaufeln versehen ist, entlang einer Kurve 0—»F„ verschoben. Im Zustand von a wird die die hydraulische

max

Maschine durchsetzende maximale Strömungsmenge durch Q„ dargestellt, die größer ist als Q₁, wodurch ein maximaler Ausgang im Turbinenbetrieb erhalten wird, der größer ist als derjenige, der bei der üblichen Steuerbetriebsart erhalten wird.

Ein Punkt E in Fig. 2 stellt eine Betriebsbedingung dar, J

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in welcher der hydraulische Wirkungsgrad unter einem geringen Wasserdruck verringert wird und wobei oft eine Wassertrenn-Erscheinung oder ein örtlicher Sekundärstrom auftritt. Insbesondere soll angenommen werden, daß an der Stufe mit niedrigstem Druck mit einem Auslaß, bei welchem der hydraulische Druck niedrig ist, ein Wirbel oder eine Kavitation, die Schwingungen und Geräusche hervorrufen, auftreten. Jedoch werden in diesem Falle nach der Erfindung die Leitschaufeln der jeweiligen Stufen so gesteuert, daß der Öffnungsgrad der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufe kleiner ist als derjenige der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck , während eine solche Relativbeziehung aufrechterhalten wird, daß der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gesteuert wird, daß er kleiner ist als der der Stufe mit höchstem Druck. Gemäß dieser Steuerbetriebsart arbeiten gemäß Fig. 2 die Stufen mit höchstem, mit niedrigstem Druck und mit mittlerem Druck entlang der Kurven 0—^E , 0—^ E, bzw. 0—> F_, und es hat deshalb die Stufe mit niedrigstem Druck einen Druck, der höher ist, als der in einem Falle, in welchem die Stufe mit niedrigstem Druck mit den Öffnungsgraden der verstellbaren Leitschaufeln so betrieben wird, daß sie gleich denjenigen der Stufe mit höchstem Druck ist, wodurch die Erzeugung des Wirbels oder einer Kavitation unterdrückt wird.

Gemäß der mehrstufigen hydraulischen Maschine und deren Betriebssteuerverfahren, wie es oben beschrieben ist, werden bei stetigem Turbinenbetrieb die Öffnungsgrade der Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck so gesteuert, daß sie relativ größer sind als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen in einem Betriebsbereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit oder relativ kleiner sind in einem Betriebsbereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Obgleich in dieser Steuerbetriebsart die jeweiligen Druckstufen gleichzeitig oder unabhängig gesteuert werden, wird in jedem Falle der Öffnungsgrad der

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verstellbaren Leitschaufeln der Stufe mit niedrigstem Druck so gehalten, daß er gleich oder relativ kleiner ist als derjenige der Stufe mit höchstem Druck. Somit kann die erfindungsgemäße mehrstufige hydraulische Maschine stabil betrieben werden mit extrem herabgesetzten Schwingungen und Geräuschen und mit verbessertem hydraulischen Wirkungsgrad in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und mit beträchtlich großem maximalen Ausgang in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit.

In einer Steuerbetriebsart für die verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck in Abhängigkeit von der Änderung des Wasserspiegels, d.h. der Änderung der Wasserhöhe bzw. des Wasserdruckes, im stetigen Turbinenbetrieb gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, können die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und mit niedrigstem Druck jeweils durch verschiedene Steuerbetriebsarten in Bezug auf den Wasserdruck bzw. die Wasserhöhe gesteuert werden. Wie in Fig. 6 im einzelnen gezeigt, werden in einem Fall, in welchem eine Last so justiert oder gesteuert wird, daß die Strömungsmenge Q sich entlang einer Kurve 0—>I von der Normalbedingung 0 in Abhängigkeit von der Änderung der gesamten effektiven Wasserhöhe bzw. des Wasserdruckes von der Normalbedingung H₀ auf eine geringe Wasserhöhenbedingung H verringert, die jeweiligen Druckstufen so gesteuert, daß die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem Druck und mit niedrigstem Druck kleiner werden als diejenigen der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen, während der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der niedrigsten Druckstufe immer so gehalten wird, daß er kleiner ist als derjenige der höchsten Druckstufe.

Im folgenden werden die hydraulischen Eigenschaften der mehrstufigen hydraulischen Maschine in dem stetigen Pumpenbetrieb beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit Fig. 3 an einer dreistufigen hydraulischen Maschine.

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In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen H. eine Förderhöhe an der höchsten Druckstufe. H„ ist eine Förderhöhe an der mittleren Druckstufe, während H_ eine Förderhöhe bei der niedrigsten Druckstufe ist. Das Bezugszeichen Q bezeichnet eine Strömungsmenge, während die Bezugszeichen H _Q, H„_o, H₀ und Q₀ entsprechend H₁, H₃, H und Q Förderhöhen und die Strömungsmenge in der normalen Pumpenbetriebsbedingung sind (Punkt 0 in Fig. 3), in welchem die Betriebe der jeweiligen Druckstufen hydraulisch äquivalent sind. Das Bezugszeichen a_n bezeichnet den Öffnungsgrad des Wasserweges in jeder Stufe beim normalen Pumpenbetrieb, während a. die Öffnungsgrade der Wasserwege der höchsten und der niedrigsten Druckstufen größer als a_n sind. a_₁ bezeichnet die Öffnungsgrade der Wasserwege der höchsten und niedrigsten Druckstufen kleiner als a_, Ziη bezeichnet die maximale Turbinenwirkungsgraddifferenz, die durch eine relative Differenz vom maximalen Turbinenwirkungsgrad dargestellt ist. Die gesamte Förderhöhe der mehrstufigen hydraulischen Maschine wird erhalten durch Zusammenaddieren entsprechender Förderhöhen der jeweiligen Druckstufen entsprechend den in Fig. 3 gezeigten Strömungsmengen. Gemäß Fig. 3 ergibt sich die gesamte Förderhöhe H_n, die bei normalem Pumpenbetrieb (Punkt 0) erzeugt wird, in welchem das Einlaßventil völlig geöffnet ist und die jeweiligen Stufen gemäß der folgenden Beziehung (5) hydraulisch gleich betrieben werden.

H₁₊ H₂₊ H₃ = I

TT _ TT /O — TJ

H₁ - ti_Q/3 - H₁₀

^H2 ^{= H}0^{/3 = H}20

^H3 ^{= H}0^{/3 = H}30

Wenn der Wasserspiegel bei einer hydroelektrischen Kraftanlage über denjenigen bei Normalbetrieb ansteigt, ist es für die hydraulische Maschine erforderlich, als Pumpe unter einer Wasserhöhe zu arbeiten, die höher ist als die normale Wasserhöhe H_Q in Abhängigkeit von dem Anstieg des Wasser-

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spiegeis. Da aber in einem solchen Falle bei einer üblichen mehrstufigen hydraulischen Maschine die jeweiligen Druckstufen mit den stationären Standard-Öffnungen a_n der Wasserwege und mit vollständig geöffnetem Einlaßventil betrieben werden, verschiebt sich der Betrieb jeder Stufe in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der hohen Förderhöhe entlang einer Kurve 0 —^A₁ mit verhältnismäßig großen Öffnungsgraden a„, und es werden die jeweiligen Druckstufen mit extrem herabgesetzten hydraulischen Wirkungsgraden betrieben, wodurch die hydraulischen Gesamteigenschaften der hydraulischen Maschine herabgesetzt werden. Bei einer üblichen hydraulischen Maschine, in welcher nur die höchste Druckstufe mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist, deren Öffnungsgrade eingestellt werden können, während die anderen Druckstufen mit stationären Leitschaufeln versehen sind, die konstante Öffnungsgrade besitzen, wird der Betriebspunkt der höchsten Druckstufe entlang einer Kurve 0·—^B₁ mit dem am besten zutreffenden Öffnungsgrad eines Wasserweges verschoben, während der Betriebspunkt der Stufe mit niedrigstem ;Druck, der an der Pumpeneinlaßseite eines Läufers einen niedrigen hydraulischen Druck aufweist, zu einem Punkt A. auf einer hohen Förderhöhenseite mit dem normalen Öffnungsgrad a_ verschoben wird. Somit, können auf der niedrigsten Druckseite Geräusche und Schwingungen durch Kavitation oder örtlichen Sekundärstrom hervorgerufen werden. Bei der hydraulischen Maschine gemäß der Erfindung werden in einem solchen Falle die Betriebspunkte der Mitteldruckstufen zum Betriebspunkt B₁ auf der hohen Förderhöhenseite verschoben, wobei der Öffnungsgrad aQ des Wasserweges und die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß sie kleiner werden als a„ , so daß die Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck zur Seite mit großer For;-derhöhe entlang der am besten geeigneten Kurve 0*C. verschoben werden, und zwar mit der folgenden Beziehung (6), wobei der hohe hydraulische Wirkungsgrad aufrechterhalten wird und die Erzeugung von Kavitation oder örtlichem Se-

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kundärstrom, die zu Schwingungen und Geräuschen führen, extrem verringert werden.

+ H₂ + H₃-

= H₃ < H₂

(6)

Infolgedessen kann mit der erfindungsgemäßen mehrstufigen hydraulischen Maschine in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit auf der Turbinenseite mit hoher Förderhöhe die hydraulische Maschine mit verbesserten hydraulischen Eigenschaften und geringerer Erzeugung von Kavitation oder örtlichem Sekundärstrom im Vergleich mit einer üblichen hydraulischen Maschine betrieben werden.

Andererseits ist es in einem Falle, in welchem ein Wasserspiegel bei der Kraftanlage sich unter denjenigen des normalen Pumpenbetriebes verringert, erforderlich, die hydraulische Maschine mit einer Förderhöhe zu betreiben,-die niedriger ist als die normale Förderhöhe entsprechend dem erniedrigten Wasserspiegel. In einem solchen Falle wird eine übliche hydraulische Maschine mit den jeweiligen Stufen mit der normalen stationären Öffnung a„ und mit voll geöffnetem Einlaßventil betrieben, und es werden die Betriebsbedingungen der jeweiligen Stufen entlang einer Kurve 0 —* A₉ verschoben zum Bereich mit höherer Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite niedriger Förderhöhe, und zwar mit der verhältnismäßig kleinen öffnung a_n des Wasserweges, so daß die jeweiligen Druckstufen mit geringem hydraulischem Wirkungsgrad und verringerten hydraulischen Gesamteigenschaften arbeitet. In diesem Falle werden bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine die Arbeitsbedingungen der Mitteldruckstufen zur Seite mit geringer Förderhöhe verschoben, und zwar mit dem normalen Öffnungsgrad a , jedoch werden die Betriebsbedingungen der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck zur Seite geringer Förderhöhe

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entlang einer Kurve O —-^-B„, verschoben, indem die Öffnungsgrade dieser Stufen so gesteuert werden, daß sie kleiner sind als a„, wodurch ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad aufrechterhalten und die hydraulischen Gesamteigenschaften verbessert werden.

Infolgedessen kann, wie oben beschrieben, die erfindungsgemäße hydraulische Maschine in einem stetigen Pumpenbetrieb im Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite hoher Förderhöhe bzw. im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite geringerer Förderhöhe mit extrem verbesserten hydraulischen Eigenschaften betrieben werden, indem die Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Stufen mit höchstem und niedrigstem Druck so gesteuert werden, daß sie relativ kleiner oder größer als der konstante Öffnungsgrad der Mitteldruckstufen sind.

Die Steuerungen der verstellbaren Leitschaufeln bei stetigem Turbinenbetrieb und bei stetigem Pumpenbetrieb können leicht unter hydraulisch stabiler Bedingung bewirkt werden, und zwar durch Betätigung eines Steuersystems 20, welches einen Wasserspiegelregler 13 und eine Leitschaufel-Steuereinheit 14 enthält, mit der die verstellbaren Leitschaufeln 2, 7 verbunden sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und durch ein Betriebssteuersystem 20, das eine Lasteinstelleinheit 15 und die Leitschaufel-Steuereinheit 14 enthält, mit der die verstellbaren Leitschaufeln 2, 7 verbunden sind, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

( 1 J Mehrstufige hydraulische Maschine in Form einer Pumpenturbine, gekennzeichnet durch eine Pumpenturbine mit wenigstens drei Druckstufen, die durch ümkehrleitungen (5, 8) miteinander verbunden sind, und zwar mit einer Hochdruckstufe mit einem ersten Läufer (1) und mit mehreren verstellbaren Leitschaufeln (2), die in einem Kreis um den ersten Läufer herum angeordnet sind, durch eine erste Betriebs-Steuervorrichtung (20) zur Veränderung der öffnung der verstellbaren Leitschaufeln (2) für den Wasserstrom durch den Durchlaß, durch eine Niederdruckstufe mit einem zweiten Läufer (6) und mehreren verstellbaren Leitschaufeln (7), die in einem Kreis um den zweiten Läufer (6) herum angeordnet sind, durch eine zweite Betriebs-Steuervorrichtung (20) zur Veränderung der öffnung der verstellbaren Leitschaufeln 7 der Niederdruckstufe für den Wasserstrom durch diesen Durchlaß und durch mehrere Mitteldruckstufen mit je einem Läufer (3) und mit mehreren stationären Leitschaufeln (4), wobei die beiden Betriebs-Steuervorrichtungen die Öffnungsgrade der Hochdruck- und der Niederdruckstufe derart steuern, daß der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Niederdruckstufe in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit größer ist als derjenige der Mitteldruckstufen, während er in einem Bereich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit kleiner ist als derjenige der Mitteldruckstufen, wobei der Öffnungsgrad der Niederdruckstufe auf einem Wert gehalten wird, der gleich oder kleiner ist als derjenige der Hochdruckstufe in Übereinstimmung mit einer Änderung der Betriebsbedingung der hydraulischen Maschine während einer Zeit eines stetigen Betriebes dieser Maschine.
2. Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine nach Anspruch 1 mit wenigstens drei Stufen, in welcher die jeweiligen Druckstufen durch Lau-

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fer und Umkehrleitungen in Reihe geschaltet sind und in welcher Leitschaufeln am äußeren Umfang der jeweiligen Läufer angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Veränderung der Öffnungsgrade der verstellbaren Leitschaufeln der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe entsprechend einer Betriebsbedingung der hydraulischen Maschine,

Aufrechterhaltung der Öffnungsgrade der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen auf einem konstanten Wert, und

Steuerung der Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Niederdruckstufe derart, daß sie in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit größer sind als diejenigen der Mitteldruckstufen, während sie in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit kleiner sind als diejenigen der Mitteldruckstufen, wobei der Öffnungsgrad der verstellbaren Leitschaufeln der Niederdruckstufe so gehalten wird, daß er gleich oder kleiner ist als derjenige der Hochdruckstufe, und zwar entsprechend der Änderung in einer Betriebsbedingung der hydraulischen Maschine zur Zeit eines stetigen Betriebes dieser Maschine.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Niederdruckstufe gleichzeitig mit der Steuerung der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufe gesteuert werden, wenn die hydraulische Maschine als Pumpe arbeitet.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsgrade der Leitschaufeln der Niederdruckstufe unabhängig von der Steuerung der stationären Leitschaufeln der Mitteldruckstufen erfolgt, wenn die hydraulische Maschine als Turbine arbeitet.