DE3203442C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als Pumpe und Turbine betreibbare hydraulische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten hydraulischen Maschine gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 (JP-54-1 14 648) wird vor Beginn des Pump- bzw. Turbinenbetriebes das Druckwasser zwischen der Hoch­ druckstufe und der Niederdruckstufe zugeführt, wobei zuerst der Laufradbereich der Niederdruckstufe und danach der Laufradbe­ reich der Hochdruckstufe gefüllt wird. Beide Stufen weisen auf der Druckseite bewegbare Drosselklappen auf, so daß während des Einfüllens des Druckwassers die Niederdruckstufe und die Hoch­ druckstufe durch Schließen der betreffenden bewegbaren Drossel­ klappen voneinander getrennt gehalten werden. Nachteilig ist hierbei, daß zunächst Druck in der Stufe niedrigeren Drucks aufgebaut wird, weil dieser Druck die Stufe höheren Drucks zeitweilig beeinflußt, wobei Luft in die Kammer höheren Drucks eingezogen wird und die Verhältnisse in der Kammer instabil werden. Weiterhin treten Vibrationen in dieser Kammer auf und insgesamt wird der Druck in der hydraulischen Maschine unkon­ trollierbar. Weiterhin führt die Verwendung von bewegbaren Drosselklappen in jeder Stufe zu einer konstruktiv aufwendigen Ausführung. Darüber hinaus müssen die bewegbaren Drosselklappen sehr genau gesteuert werden. Wenn beispielsweise die hydrauli­ sche Maschine plötzlich angehalten werden muß, muß die Stufe niedrigeren Drucks vor der Stufe höheren Drucks geschlossen werden, weil sonst der Druck in der Stufe niedrigeren Drucks außerordentlich hoch werden kann, was im Extremfall zu einer Zerstörung führen kann. Um dies zu verhindern, müssen die be­ wegbaren Drosselklappen sehr genau gesteuert werden, was je­ doch, auch wegen der großen Abmessungen der bewegbaren Drossel­ klappen sehr schwierig zu erreichen ist. Außerdem ist es, wenn die hydraulische Maschine mehr als drei Stufen hat, schwierig, wenn nicht unmöglich, wegen des begrenzten zur Verfügung ste­ henden Raumes bewegliche Drosselklappen vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydraulische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszuführen, daß bei geringerem Konstruktionsaufwand eine stabile Umsteuerung vom Leerlaufbetrieb in den Pump- bzw. Turbinenbetrieb gewährlei­ stet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnen­ den Teiles des Patentanspruchs 1.

Dadurch, daß lediglich an der Hochdruckstufe bewegbare Drossel­ klappen vorgesehen sind, ist der Konstruktionsaufwand geringer und die Drosselklappensteuerung einfacher. Gleichzeitig wird durch das Zuführen des Druckwassers auf der Druckseite der Hochdruckstufe ein stabilerer Druckaufbau innerhalb der hydrau­ lischen Maschine erreicht.

Weiterbildungen der hydraulischen Maschine gemäß Patentanspruch 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine zwei­ stufige als Pumpe und Turbine betreibbare hydraulische Francis-Maschine im Leerlaufbetrieb,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, anhand welcher das Einfüllen von Druckwasser nach dem Ausblasen von Luft erläutert wird,

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung der hydrau­ lischen Maschine im Turbinenbetrieb,

Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer zwei­ stufigen als Pumpe und Turbine betreibbaren hydrauli­ schen Maschine im Leerlaufbetrieb zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zur Steuerung der hydrauli­ schen Maschine, und

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine drei­ stufige als Pumpe und Turbine betreibbare hydraulische Maschine im Leerlaufbetrieb zur Veranschaulichung eines noch weiteren Verfahrens zur Steuerung der hydrauli­ schen Maschine.

Im folgenden wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens anhand der Fig. 1 bis 3 im einzelnen erläu­ tert.

Dieses Steuerverfahren ist auf eine mehrstufige Wasser­ kraftmaschine in Form einer zweistufigen reversiblen Francis-Pumpturbine 10 angewandt, die eine lotrecht angeordnete, drehbar gelagerte Hauptwelle 12 aufweist, an welcher ein Hochdruckstufen-Laufrad 14 und ein Nie­ derdruckstufen-Laufrad 16 in einem vorbestimmten ge­ genseitigen Axialabstand montiert sind. Die Hauptwelle 12 und die beiden Laufräder 14 und 16 bilden bewegliche Bauteile.

Um diese beweglichen Bauteile herum sind feststehende bzw. ortsfeste Bauteile vorgesehen, die im Untergrund bzw. Fundament einbetoniert sind. Diese ortsfesten Bau­ teile umfassen einen ersten oberen Deckel 18 und einen ersten unteren Ring 20, die zwischen sich eine Hoch­ druckstufen-Laufradkammer 22 zur Aufnahme des Hoch­ druckstufen-Laufrads 14 festlegen. Unterhalb des ersten unteren Rings 20 befinden sich ein zweiter oberer Deckel 24 und ein zweiter unterer Ring 26, die zwischen sich eine Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 festlegen, in welcher das Niederdruckstufen-Laufrad 16 angeordnet ist. Die beiden Laufradkammern 22 und 28 stehen über einen Verbindungskanal 30 in Verbindung miteinander. Praktisch in einer mittleren Position des Verbindungskanals 30 ist ein Leitring 32 angeordnet. In dem Teil des Verbindungskanals 30, an dem er in die Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 mündet, ist ein Leitschaufelring 34 vorgesehen.

Außerhalb der Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 ist ein Spiralgehäuse 36 angeordnet, das in seinem Inneren eine Wirbelkammer 38 bildet. Der Auslaß der Wirbel­ kammer 38 und die Laufradkammer 22 stehen miteinander in Verbindung. Der Einlaß der Wirbelkammer 38 ist über ein Einlaßventil bzw. -schieber 40 mit einem Druckrohr 42 verbunden, das mit einem nicht darge­ stellten oberen Vorrats-Behälter in Verbindung steht. Im Wasserkanal außerhalb des Hochdruckstufen-Laufrads 14 sind mehrere bewegbare Drosselklappen 44 angeordnet, die koaxial zur Hauptwelle 12 liegen und zwischen einer den Wasserkanal versperrenden und einer diesen öffnenden Stellung verschwenkbar sind. Der Öffnungs­ grad dieser Drosselklappen 44 wird durch einen nicht dargestellten Drosselklappen-Stellmechanismus be­ stimmt.

An die Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 ist das eine Ende eines kniestückförmigen bzw. abgebogenen Saug­ rohrs 46 angeschlossen, dessen anderes Ende mit einem nicht dargestellten Ablauf in Ver­ bindung steht, der seinerseits mit einem nicht darge­ stellten unteren Vorrats-Behälter verbunden ist.

An den die Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 begrenzenden ersten oberen Deckel 18 ist ein erstes Abblaserohr 48 angeschlossen, das über ein erstes Abblaseventil 50 mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht. An den die Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 begrenzenden zweiten oberen Deckel 24 ist andererseits ein zweites Abblaserohr 52 angeschlossen, das über ein zweites Abblaseventil 54 mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht. Die Wirbelkammer 38 und die Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 sind durch eine druckwasserbeaufschlagte Rohrleitung 56 unmittelbar miteinander verbunden. In der Rohrleitung 56 ist ein Wasserzufuhrventil 58 angeordnet. Weiterhin ist an die Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 ein nicht dargestellter Wasserspiegelsenker angeschlossen.

Im Turbinenbetrieb der Maschine 10 sind sämtliche Ventile bzw. Schieber 50, 54 und 58 geschlossen. Unter diesen Bedingungen strömt das Wasser vom oberen Vorrats-Behälter her als Druckwasser über das Druckrohr 42 und das Einlaßventil 40 in die Wirbelkammer 38 des Spiralgehäuses 36. Das Druckwasser strömt dabei an den Drosselklappen 44 vorbei und beaufschlagt das Hochdruckstufen-Laufrad 14, so daß die Hauptwelle 12 in Drehung versetzt wird. Anschließend strömt das Druckwasser über den Verbindungskanal 30 zur Beaufschlagung des Niederdruckstufen-Laufrads 16, um einen weiteren Antrieb der Hauptwelle 12 zu bewirken. Hierauf strömt das Wasser über das Saugrohr 46 zum unteren Vorrats-Behälter ab.

Wenn die Maschine 10 dagegen als Pumpe betrieben wird, wird die Hauptwelle 12 durch einen nicht dargestellten Motor mit derselben Drehzahl wie im Turbinenbetrieb, jedoch in entgegengesetzter Rich­ tung, angetrieben. Dabei wird das durch das Nieder­ druckstufen-Laufrad 16 geförderte Wasser durch das Hochdruckstufen-Laufrad 14 weiter hochgepumpt und entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Turbinenbetrieb zum oberen Vorrats-Behälter gefördert.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Steuer­ verfahren, wenn diese aus dem Zustand, in welchem sich die Hauptwelle 12 in der für Stromerzeugung erforderlichen Richtung im Leerlaufzustand befindet, auf den Zustand umge­ schaltet wird, in welchem die Maschine 10 zur Stromerzeugung (Turbinenbetrieb) betrieben wird.

Vor dem Leerlaufbetrieb werden zunächst die Drosselklappen 44 vollständig geschlossen. Danach wird das Einlaßventil 40 geöffnet, so daß unter Druck stehendes Wasser in die Wirbelkammer 38 einströmt. Anschließend wird über den Wasserspiegelsenker Druckluft in den Laufradbereich, d. h. in die Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 eingeleitet, so daß das Wasser aus der Laufradkammer 22 über den Verbindungskanal 30 und die Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 gemäß Fig. 1 in das Saugrohr 46 herabgedrückt wird. In dem in Fig. 1 veranschaulichten Zustand beginnt die Hauptwelle 12 (in Vorbereitung auf den Turbinenbereich) leer bzw. frei zu laufen.

Vor Beginn des Turbinenbetriebs wird zunächst das Wasserzufuhrventil 58 geöffnet. Dabei wird unter hohem Druck stehendes Wasser aus dem Spiralgehäuse 36 über die Rohrleitung 56 zum Außenumfangs­ teil der innerhalb der voll geschlossenen Drosselklap­ pen 44 befindlichen Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 geleitet. Dieses Wasser verdichtet bzw. verdrängt die im Kanal zurückgebliebene Luft, so daß sich die Lauf­ radkammer 22 vom Außenumfangsteil zum Mittelteil hin allmählich mit Wasser füllt. Weiterhin wird das der Laufradkammer 22 zugeführte Wasser über den Verbindungs­ kanal 30 auch der Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 zugeführt, um diese zu füllen. Gemäß Fig. 2 ist das erste Abblasventil 50 offen, wenn die Hochdruckstufen- Laufradkammer 22 und der anschließende Rücklaufkanal 30 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt sind. Die in der Laufradkammer 22 zurückgebliebene verdichtete Luft (in Fig. 2 bei X angedeutet) wird sodann über das erste Abblaserohr 48 abgelassen.

Anschließend wird das zweite Abblasventil 54 geöffnet, wenn die Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 den in Fig. 3 dargestellten Wasserfüllzustand erreicht hat. Dabei wird die in der Niederdruckstufen-Laufradkammer 28 befindliche ver­ dichtete Luft (in Fig. 3 bei Y angedeutet) über das zweite Abblaserohr 52 abgeblasen.

Wenn der Wasserspiegel in der Hochdruckstufen-Laufrad­ kammer 22 eine vorbestimmte Höhe erreicht, wird das Wasserzufuhrventil 58 vollständig geschlossen. Hier­ durch wird die Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Wasser vom Spiralgehäuse 36 beendet. Gleichzeitig wird das zweite Abblaseventil 54 vollständig geschlossen. Die Drosselklappen 44 werden hierauf durch einen nicht dargestellten An­ triebs- oder Stellmechanismus allmählich in eine vor­ bestimmte Öffnungsstellung gebracht, um über die Drosselklappen 44 eine Verbindung zwischen der Hoch­ druckstufen-Laufradkammer 22 und dem Spiralgehäuse 36 herzustellen. Hierdurch wird die Stromerzeugung bzw. der Turbinenbetrieb ein­ geleitet. Auf die beschriebene Weise kann gleichmäßig und stoßfrei vom Leerlaufbetrieb auf Stromerzeugungs­ betrieb umgeschaltet werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Wasserfüllstand im Verbindungskanal 30 an der Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 durch einen im Verbindungskanal 30 angeordneten Druckdetektor 60 festgestellt bzw. gemessen wird. Das erste Abblaseventil 50 öffnet in Abhängigkeit von einem vom Druckdetektor 60 gelieferten Meßsignal. Ein weiterer, in der Hochdruckstufen-Laufradkammer 22 angeordneter Druckdetektor 62 stellt fest, wann der Wasserdruck in der Laufradkammer 22 eine dem vollständigen Füllen des Laufradbereiches entsprechende Größe erreicht. Das Wasserzufuhrventil 58 wird in Abhängigkeit von einem Meßsignal dieses Detektors 62 geschlossen.

Der Übergang vom Leerlaufbetrieb auf Pumpbetrieb kann auf dieselbe Weise erfolgen wie der vorstehend beschriebene Übergang vom Leerlaufbetrieb auf Turbinenbetrieb, nur mit dem Unterschied, daß sich dabei die Hauptwelle 12 in Gegenrichtung dreht.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wer­ den die Wasserspiegel oder Wasserstände in Hochdruck­ stufen-Laufradkammer 22 und im Verbindungskanal 30 je­ weils durch zugeordnete Druckdetektoren gemessen, wo­ bei die Öffnungs/Schließbetätigungen der Ventile oder Schieber in Abhängigkeit von den Meßergebnissen ge­ steuert werden. Bei dem in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann andererseits eine vorbestimm­ te Zeitspanne, die für das Füllen des Verbindungskanals 30 und der betreffenden Stufen mit Wasser erforderlich ist, im voraus berechnet werden, wobei eine Zeitgeber­ vorrichtung 64 für die Steuerung der Öffnungs/Schließ­ vorgänge der Ventile eingesetzt werden kann.

Obgleich vorstehend das Steuerverfahren für eine zwei­ stufige Maschine beschrieben ist, ist die Erfindung auch auf eine Maschine mit mehr als zwei Stufen anwendbar. In einem dritten Ausführungsbeispiel ist das Steuerverfahren beispielsweise gemäß Fig. 5 auf eine dreistufige re­ versible Francis-Pumpturbine anwendbar. In diesem Fall wird das unter hohem Druck stehende Wasser auf dem Spiralgehäuse 36 sequentiell von der Stufe höheren Drucks her eingeleitet. Wenn die Stufe höheren Drucks mit Wasser gefüllt und der Zustand vollständiger Füllung erreicht ist, wird die restliche Luft aus der der be­ treffenden Stufe höheren Drucks benachbarten Stufe niedrigeren Drucks abgeblasen. Auf diese Weise werden die Wasserfüll- und Luftabblasevorgänge der Reihe nach von der Stufe höchsten Drucks zur jeder Stufe niedri­ geren Drucks hin gleichmäßig und stoßfrei durchgeführt.

Darüber hinaus ist die Erfindung nicht nur auf Pump­ turbinen, sondern auch auf Pumpen, Turbinen und andere hydraulische Maschinen bzw. Wasserkraftmaschinen an­ wendbar. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die bewegbaren Drosselklappen in der Laufradkam­ mer der Stufe höchsten Drucks angeordnet.

Claims (3)

1. Als Pumpe und Turbine betreibbare hydraulische Maschine, umfassend wenigstens eine an ihrer Saugseite mit einem Saugrohr (46) in Verbindung stehende Niederdruckstufe und eine mit der Niederdruckstufe in Verbindung stehende nach­ geordnete Hochdruckstufe, deren Druckseite mit einem Druck­ rohr (42) in Verbindung steht,
wobei für Leerlaufbetrieb der Laufradbereich der Stufen mittels Druckluft ausgeblasen und vor Beginn des Pump- bzw. Turbinenbetriebes mit Druckwasser gefüllt wird,
jede Stufe ein Laufrad (16 bzw. 14) aufweist, welches in einer Kammer (28 bzw. 22) angeordnet ist, die an der Druck­ seite der betreffenden Stufe mit einem ventilgesteuerten Luftabblaserohr (52, 54 bzw. 48, 50) in Verbindung steht,
eine ventilgesteuerte druckwasserbeaufschlagte Rohrleitung (56, 58) mit dem Laufradbereich in Verbindung steht, und wobei
druckseitig angeordnete bewegbare Drosselklappen (44) vor­ gesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die bewegbaren Drosselklappen (44) lediglich an der Hoch­ druckstufe vorgesehen sind, und daß
die druckwasserbeaufschlagte Rohrleitung (56, 58) mit der Druckseite der Hochdruckstufe an deren Außenumfang inner­ halb der Drosselklappen (44) in Verbindung steht.

2. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen im Verbindungskanal (30) zwi­ schen den beiden Stufen angeordneten Wasserdruckdetektor (60), der, wenn vor Beginn des Pump- bzw. Turbinenbetriebes die Laufradkammer (22) der Hochdruckstufe und der Verbin­ dungskanal (30) zwischen den beiden Stufen nahezu vollstän­ dig mit Druckwasser gefüllt sind, das Ventil (50) des mit der Druckseite der Hochdruckstufe verbundenen Luftabblas­ rohres (48) öffnet.

3. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen in der Laufradkammer (22) der Hochdruckstufe angeordneten Wasserdruckdetektor (62) zum Absperren des Ventils (58) der druckwasserbeaufschlagten Rohrleitung (56), wenn der Laufradbereich mit Druckwasser gefüllt ist.