Verfahren und Einrichtung zur Vermeidung von Sunk und Schwall bei Flusskraftwerken Der zunehmende Ausbau schiffbarer Flüsse zur Wasserkraftnutzung erfordert umfangreiche Mass nahmen zur Bekämpfung von Sunk- und Schwall bildung im Unter- bzw. Oberwasser für die Fälle, dass einzelne Turbinen oder ganze Kraftwerke plötz lich von dem elektrischen Netz getrennt werden. Um ein Durchgehen der Maschinen zu verhindern, wür den ohne besondere Massnahmen die Turbinen dabei rasch schliessen, wodurch eine erhebliche Störung des Wasserstromes im Fluss zustande käme.
Es würde dabei nicht nur im Unterwasser des betreffenden Kraftwerkes ein Sunk entstehen, sondern es würden im Oberwasser auch Schwallwellen auftreten, die sich flussaufwärts fortpflanzen. Durch diese Erscheinun gen wäre die Schiffahrt unter Umständen gefährdet.
Man hat deshalb nach Massnahmen gesucht, um die Sunk- und Schwallbildung bei Turbinenabschal tungen zu vermeiden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass man jeder Turbine einen elektrischen Wasser widerstand zuordnet, auf den beim Abschalten des von der Turbine angetriebenen Generators vom Netz die augenblickliche Leistung umgeschaltet werden kann. Die Turbinenverschlussorgane (Leitschaufeln, Laufschaufeln) könnten damit unverändert offen blei ben, so dass der Wasserstrom vor und nach der Abschaltung des Generators vom Netz gleich ist.
Allerdings muss bei der Verwendung von Wasser widerständen die Eintauchtiefe der Elektroden der Leistung entsprechend dauernd nachreguliert werden.
Man hat auch schon Methoden in Erwägung gezogen, durch Nebenauslässe an den Spiralen der Turbinen den Wasserstrom nach einer Abschaltung weiterzuführen. Diese Nebenauslässe müssen genau so schnell geöffnet werden, wie die Turbinen schlies- sen. Solche Lösungen sind deshalb sehr aufwendig und sind ausserdem bei Rohrturbinen kaum durch zuführen.
Man ist deshalb in den letzten Jahren dazu über gegangen, den Turbinenwasserstrom nach der Ab schaltung auch weiterhin durch die Turbinen zu leiten. Bei entsprechender Einstellung von Leitschaufeln und Laufschaufeln zueinander und Inkaufnahme erhöhter Drehzahl ist dies teilweise oder auch ganz möglich. Infolge der Möglichkeit des Auftretens von Vibra- tionen an der Turbine muss jedoch dieser Zustand zeitlich begrenzt bleiben, solange bis das Wehr so weit abgesenkt ist, dass die Turbinenwassermenge abgeführt werden kann.
Der erstrebte zeitliche Verlauf der Wasserströme von Turbine und Wehr geht aus Fig. 1 der beilie genden Zeichnung hervor. Es bedeuten hierbei: QT Turbinenwasserstrom bei einer Vollast-Ab- schaltung QL Turbinenwasserstrom im Leerlauf bei opti maler Zuordnung von Leitschaufel- und Laufschau felstellung Qw Wehr-Wasserstrom t1 Turbinenregelzeit t2 Beginn des Wasserabflusses am Wehr t3 Erreichung der Beharrungszustände
an der Turbine (Leerlauföffnung) und am Wehr.
Erfolgt zur Zeit t=0 eine Abschaltung, so soll nach Ablauf der Regelzeit t1 der ursprüngliche Tur- binenwasserstrom bis zur Zeit t2 beibehalten werden. Je nach Betrieb der Kraftanlage (z. B. bei Schwell- betrieb), oder nach Ausführung der Wehre, kann die Zeit t2 mehrere Minuten betragen. Darnach beginnt das Wehr zu öffnen und die Turbinenwassermenge soll in gleichem Mass vermindert werden.
Zum Zeit punkt t3 fliesst durch die Turbine nur noch die statio- näre Leerlaufwassermenge, während der Hauptstrom durch das Wehr geht. Auch die Zeit zwischen t, und t, kann u. U. mehrere Minuten betragen. Bei Teil lastabschaltung (gestrichelt) sind die Verhältnisse ähnlich. Es muss dabei lediglich das Wehr weniger weit abgesenkt werden.
Aus Fig. 2 können für eine Kaplanturbine die Wasserströme QT und Qa, als Bruchteile der Vollast wassermenge und die Drehzahl bzw. die Frequenz in Hz in Funktion der Leitschaufelöffnung a, und der Laufschaufelöffnung 99 nach einer Abschaltung (Lei stung Null) ermittelt werden.
Die stark ausgezogene Linie stellt den optimalen Zusammenhang zwischen Leitschaufel- und Laufschaufelstellung vor der Ab schaltung dar; die gestrichelten Linien ergeben die Drehzahlen und die strichpunktierten Linien die Wasserströme nach einer Abschaltung. Wird bei spielsweise von einem normalen Betriebspunkt A die Turbine plötzlich abgeschaltet und soll nachher der selbe Wasserstrom durch die Turbine gehen, so kann eine Stellung von Leitschaufeln und Laufschaufeln eingestellt werden, die dem Punkt B entspricht.
Die Laufschaufeln wären dabei in ihrer Stellung unver ändert geblieben, die Leitschaufeln hätten um den Betrag A -B geschlossen und die Drehzahl wäre um einen gewissen Prozentsatz über normal. Der Zustand B kann über kürzere oder längere Zeit aufrechter halten werden. Beim Schliessen der Turbine müssen Leit- und Laufschaufeln in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass sowohl der Wasserstrom als auch die Drehzahlkontinuierlich zurückgehen.
Eine für die Durchführung eines solchen Ver fahrens bestimmte Einrichtung ist bekannt. Die Leit- schaufeln können bei dieser bekannten Einrichtung bei einer Abschaltung der Turbine nur soweit schlies- sen, als es eine von der Betätigungseinrichtung für die Laufschaufeln mitgenommene Stoppkurve erlaubt. Das weitere Schliessen der Turbine vom Punkt B der Fig. 2 aus erfolgt dann gemäss dieser Stoppkurve. Diese Einrichtung erfordert jedoch einen engen Zu sammenbau der Steuerungen der Leit- und Lauf schaufeln.
Ein solcher enger Zusammenbau ist in dessen nicht immer möglich, insbesondere wenn eine Laufradsteuerung mit Steuerpumpen in die Maschine eingebaut ist.
Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Sie betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Sunk und Schwall bei Flusskraftwerken beim Abschalten einer Wasserturbine mit verstellbaren Leit- und Laufschau feln im Falle plötzlicher Entlastung, bei welchem in einer ersten, kurzen Schliesszeit nur die Leitschau- feln um einen bestimmten Teil ihres Verstellweges geschlossen werden, wobei sich eine überdrehzahl einstellt,
bei der etwa die gleiche Wassermenge durch die Turbine fliesst wie vor der Abschaltung. Gemäss der Erfindung wird unabhängig von der Laufschaufel stellung der gewünschte Schliessweg der Leitschau- feln in der erwähnten ersten Schliesszeit in Funktion der vor der Abschaltung vorhandenen Reglerstellung vorgegeben, und dieser Schliesszustand wird nach der Abschaltung einige Zeit aufrechterhalten. Hernach wird in einer weitern Schliesszeit die durch die Tur bine fliessende Wassermenge vermindert.
In den Fig. 3 und 5 der beiliegenden Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen einer Einrich tung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens vereinfacht dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Variante für einen Teil der Einrichtung nach Fig. 3.
Gemäss Fig. 3 besitzt eine nicht dargestellte Wasserturbine mit verstellbaren Leit- und Laufschau feln ein Steuerwerk 1 mit Drehzahlregler 2 und Drehzahlverstellvorrichtung 3. Die Leitschaufeln werden durch einen Stellmotor 4 betätigt, dessen Druckmittelzufluss von einem Steuerschieber 5 be herrscht wird. Der Drehzahlregler 2 wirkt über einen Verstärker 6 des Steuerwerkes auf eine Stange 7, die über einen Balken 8 mit der Kolbenstange des Stell motors 4 gelenkig verbunden ist und an der auch der Steuerschieber 5 aasgelenkt ist.
Zur Betätigung der Laufschaufeln dient ein Stell motor 9, dessen Druckmittelzufuhr von einem Steuer schieber 10 beherrscht wird. Der Steuerschieber 10 wird vom Leitschaufelstellmotor 4 aus in bekannter Weise über Gestänge 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 be tätigt, und durch eine zwischen den Teilen 12 und 13 eingeschaltete Kurvenscheibe 18 wird im stationären Zustand eine bestimmte Zuordnung zwischen Leit- und Laufschaufelstellung erreicht.
Eine zwischen den Gestängeteilen 14 und 15 eingebaute Feder 19 und eine in einem Abflussteil des Steuerschiebers 9 ein gebaute Blende 20 erlauben ferner, die Bewegung des Stellmotors 9 gegenüber jener des Stellmotors 4 zu verzögern oder sie auch ganz zu verhindern.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens ist nun eine um eine Achse 21 drehbare Scheibe 22 vorgesehen. Diese Scheibe 22 ist mit dem einen Ende eines Lenkers 23 verbunden, der an seinem andern Ende mit einer Nase 24 durch eine Feder 25 an einen Hebel 26 angedrückt wird, der durch die vom Steuerwerk 1 bewegte Stange 7 be tätigt wird. Der Lenker 23 ist ferner mit einem Kata rakt 27 verbunden.
Die Scheibe 22 trägt an ihrer Oberseite ein Zahn segment 28. Ein Riegel 29 wird normalerweise von einer Feder 30 in einer gewissen Entfernung vom Zahnsegment 28 gehalten. Ein Elektromagnet 31 erlaubt aber, die Feder 30 zu spannen und den Riegel 29 in das Zahnsegment 28 eingreifen zu lassen, so dass eine Drehung der Scheibe 22 verhindert wird. Am untern Teil verläuft der Aussenrand der Scheibe 22 gemäss einer Kurve 32 in einem gewissen varia blen Abstand b vom Hebel 26.
Im weiteren ist der Teil 15 des den Stellmotor 9 steuernden Gestänges mit einer um eine Achse 33 drehbaren, ein Zahnsegment 34 tragenden Scheibe 35 verbunden. Ein Riegel 36, der normalerweise durch eine Feder 37 in einem gewissen Abstand vom Zahn segment 34 gehalten wird, kann wiederum durch einen Elektromagneten 38 bei Bedarf mit dem Zahn segment 34 in Eingriff gebracht werden.
Die Einrichtung wirkt folgendermassen: Beim normalen Regelungsvorgang werden die Leitschaufeln durch den Stellmotor 4 entsprechend der Bewegung der durch das Steuerwerk 1 betätigten Stange 7 verstellt, und die Laufschaufeln folgen in der durch die Kurvenscheibe 18 bestimmten Zuord nung nach. Der Lenker 23 folgt stets der Bewegung des Hebels 26 und damit auch der Stange 7, so dass jeder Stellung der Stange 7 bzw. des Steuerwerkes 1 eine bestimmte Winkellage der Scheibe 22 zugeordnet ist.
Bei einer Abschaltung werden nun die Elektro magnete 31 und 38 betätigt, so dass die Riegel 29 und 36 mit den Zahnsegmenten 28 bzw. 34 in Ein griff kommen. Einerseits wird dabei die Scheibe 35 festgehalten und so die Steuerung für die Laufschau feln blockiert, so dass diese in ihrer ursprünglichen Lage festgehalten werden. Anderseits wird durch den Eingriff des Riegels 29 in das Zahnsegment 28 die Scheibe 22 in ihrer ursprünglichen Stellung festge halten.
Infolge der Abschaltung veranlasst aber nun das Steuerwerk eine Schliessbewegung des Stellmotors 4 für die Leitschaufeln, d. h. eine Bewegung der Stange 7 nach oben (Pfeilrichtung). Da die Scheibe 22 fest gehalten ist, folgt hierbei der Lenker 23 dem nach oben schwenkenden Hebel 26 nicht nach. Die Schliessbewegung geht so lange, bis der Hebel 26 unter Überwindung des Abstandes b zum Anliegen an die Kurve 32 der Scheibe 22 kommt. In einer ersten, kurzen Schliesszeit werden somit die Leit- schaufeln um einen bestimmten Teil ihres Verstell weges geschlossen.
Der Abstand b ist so bemessen, dass sich bei diesem Schliessvorgang eine überdreh- zahl einstellt, bei der etwa die gleiche Wassermenge durch die Turbine fliesst wie vor der Abschaltung. Der Schliessweg entspricht also beispielsweise der Strecke A -B der Fig. 2.
Die Stellung der Scheibe 22 hängt von der Stel lung des Reglers und damit auch von der Leistung ab, die die Turbine vor der Abschaltung hatte. Die Kurve 32 ist so geformt, dass sie unabhängig von der Laufschaufelstellung den Schliessweg der Leitschau- feln in der ersten Schliesszeit auf einen in Funktion der vor der Abschaltung vorhandenen Reglerstellung vorgegebenen Betrag beschränkt. Aus der Fig. 2 können die entsprechenden Schliesswege im ganzen Betriebsbereich für jede Ausgangslage festgelegt wer den.
Dieser Schliesszustand wird nach der Abschaltung einige Zeit aufrechterhalten. Hernach, d. h. nach der Zeit t2 der Fig. 1, wird in einer weiteren Schliesszeit, bis zur Zeit t3 der Fig. 1, die durch die Turbine fliessende Wassermenge vermindert.
Dies geschieht bei der Einrichtung nach Fig. 3 beispielsweise dadurch, dass die Verriegelungen durch die Riegel 29 und 36 gelöst werden. Dann dreht sich die Scheibe 22 mit einer durch den Katarakt 27 ver langsamten Bewegung, und entsprechend wird auch die Weiterbewegung der Stange 7 und damit des Stellmotors 4 für die Betätigung der Leitschaufeln in Schliessrichtung freigegeben.
Auch die Laufschaufeln schliessen dann, durch die Wirkung der Blende 20 verlangsamt, im Sinne einer Herstellung der durch die Kurvenscheibe 18 gegebenen Zuordnung zwischen der Lage der Laufschaufeln und der Leitschaufeln.
Eine Variante für die Ausbildung der Steuerein richtung für die Laufschaufeln zeigt die Fig. 4. An Stelle der Scheibe 35 und des Riegels 36 ist hier ein durch ein Magnetventil 39 betätigbarer Stellmotor 40 vorgesehen, welcher bei einer Abschaltung den Hebel 15 nach unten drückt und damit ein vollständiges Öffnen der Laufschaufeln veranlasst. Gleichzeitig ist die Kurve 32 der Scheibe 22 so ausgebildet, dass das Leitrad etwas weiter schliesst als bei der Ausführung nach Fig. 4, so dass nach der Abschaltung beispiels weise der Punkt C der Fig. 2 erreicht wird.
Es wird dabei dieselbe Wassermenge durch die Turbine strö men wie im Punkt B, jedoch bei wesentlich vermin derter Drehzahl. Diese Massnahme.hat für Abschal tungen aus dem Teillastgebiet Bedeutung.
Beim Zurücknehmen der Massnahmen zur Schwallbekämpfung durch Freigabe des Zahnsegmen- tes 28 der Fig. 3 und Entlasten des Stellmotors 40 der Fig. 4 schliessen wieder die Leitschaufeln ent sprechend der Stehzeit des Kataraktes 27.
Die Schliesszeit der Laufschaufeln hat dabei im Gegen satz zur Einrichtung nach Fig. 4 immer ihren Maxi malwert, doch ist dies nicht von grosser Bedeutung für die Verminderung des Wasserstromes, weil die strichpunktierten Linien der Fig. 2 fast senkrecht verlaufen, der Wasserstrom also von der Stellung der Laufschaufeln praktisch unabhängig ist.
Die Kurve 32 in Fig. 3 gilt nur für ein bestimmtes Gefälle. Sobald sich durch veränderte Wasserführung im Fluss das Gefälle ändert, muss auch diese Kurve dem augenblicklichen Gefälle angepasst werden. Will man also für jeden Fall korrekte Verhältnisse, so wird aus dieser Kurve eine sogenannte Kurvenwalze, die in Funktion des Gefälles verschoben werden muss, ähnlich wie dies beim optimalen Zusammen hang zwischen Leitschaufel- und Laufschaufelstellung auch notwendig ist. Dadurch treten Komplikationen auf.
Man stellt nun aber fest, dass alle Punkte B der Fig. 2 auf einer Linie konstanter Drehzahl liegen, gleichgültig, ob man aus Vollast oder Teillast ab schaltet. Es können daher zum Erreichen des gleichen Zieles wie bei der Einrichtung nach Fig. 3 auch Einrichtungen verwendet werden, die nicht eine be stimmte Leitradstellung direkt ansteuern, sondern die zur Einregulierung der L7berdrehzahl entsprechend Punkt B führen.
Dazu ist lediglich ein Impuls auf die Drehzahlverstellvorrichtung des Reglersteuerwerkes notwendig, der möglichst rasch im Moment der Abschaltung dem Regler die im Punkt B gewünschte Drehzahl vorschreibt. Hält man gleichzeitig die Lauf schaufeln entsprechend Fig. 3 fest, so stellt der Regler auch die gewünschte Leitschaufelstellung zur Auf rechterhaltung der vorgeschriebenen überdrehzahl her.
In diesem Fall sind keine Stoppkurven mehr erforderlich, sondern lediglich die Einrichtungen zum Festhalten der Laufschaufeln und zur raschen Er höhung des Drehzahlsollwertes.
Eine Einrichtung dieser Art ist in Fig. 5 darge stellt. Entsprechende Teile sind hierbei mit gleichen Bezugsziffern versehen wie in Fig. 3. Statt der die Scheibe 22 der Fig. 3 aufweisenden Vorrichtung ist nun im Steuerwerk 1 ein Stössel 41 angebracht, der auf die Drehzahlverstellvorrichtung einwirkt und mit Hilfe eines Elektromagneten 42 betätigt werden kann. Der Hub des Stössels 41 wird durch eine Justier schraube 43 begrenzt.
Ändert sich das Gefälle, so wird auch die über drehzahl nach der Abschaltung geringfügig anders werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich für jedes Gefälle eine konstante überdrehzahl für jeden Betriebspunkt vor der Abschaltung ergibt. Die Abhängigkeit des notwendigen Drehzahlsoll- wertes vom Gefälle kann leicht an der Justierschraube 43 eingestellt werden. Die Ausbildung von Kurven oder Kurvenwalzen entfällt.
Beim Zurücknehmen der Massnahmen zur Schwallbekämpfung (Zeit t2 Fig. 1) kann auf zweierlei Arten verfahren werden: Soll die Turbine in etwa 1 bis 2 Minuten ge schlossen werden, so ist es notwendig, zuerst das Zahnsegment 34 freizugeben. Dann schliessen die Laufschaufeln entsprechend der Blende 20 in der Zeit von 1 bis 2 Minuten, während die überdrehzahl konstant beibehalten wird.
Nach einiger Zeit soll jedoch der Drehzahlimpuls am Magnet 42 zurück- genommen werden, wodurch die Turbine dem Leer laufpunkt zusteuert.
Soll jedoch die Turbinenschliesszeit länger, z. B. etwa 5 Minuten dauern, so ist es kaum möglich, durch die Blende 20 das Schliessen der Laufschaufeln so zu verlangsamen. In diesem Fall ist es zweck- mässig, vom Zeitpunkt t2 ab über die normale Dreh zahlverstellung des Steuerwerkes 1 langsam konti nuierlich oder schrittweise die Drehzahl zu erniedri gen. Die Laufschaufeln sollen dabei festgehalten bleiben.
Es ist ohne weiteres möglich, bei Erreichen der normalen Drehzahl die Maschine wieder zu synchronisieren und zu belasten, oder sie auch ganz abzustellen. Nach dem Belasten bzw. Abstellen kön nen die Laufschaufeln entblockiert werden.