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Dokumentenidentifikation DE3334867C2 28.02.1991
Titel Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine
Anmelder Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Yamagata, Ichiro, Yokohama, Kanagawa, JP;
Sato, Shinsaki, Ebina, Kanagawa, JP
Vertreter Leine, S., Dipl.-Ing.; König, N., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 3000 Hannover
DE-Anmeldedatum 27.09.1983
DE-Aktenzeichen 3334867
Offenlegungstag 29.03.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.1991
IPC-Hauptklasse F03B 15/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine aus dem Leerlaufbetrieb in den Pump- oder Turbinenbetrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 32 03 442 bekannt. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß Hochdruckwasser zum Fluten der Maschine verwendet werden muß, was zu einer erheblichen Belastung der Maschine führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Umsteuern der Maschine (von Turbinenbetrieb in den Pumpbetrieb bzw. umgekehrt) ohne die Verwendung von Hochdruckwasser zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweistufige, reversible Francis- Turbinenpumpe im Leerlaufbetrieb und

Fig. 2 und 3 Längsschnitte durch die in Fig. 1 gezeigte Turbinenpumpe beim Flutungsvorgang.

Die Zeichnung zeigt eine mehrstufige hydraulische Maschine, und zwar eine zweistufige, reversible Turbinenpumpe vom Francis-Typ. Die Turbinenpumpe 40 weist eine senkrechte Hauptwelle 11 auf, an der ein Rotor 12 für die Hochdruckstufe und ein Rotor 13 für die Niederdruckstufe befestigt sind, die einen vorgegebenen axialen Abstand voneinander in Längsrichtung der Hauptwelle aufweisen.

Der stationäre Teil der Maschine weist eine erste obere Abdeckung 14 und eine erste untere Abdeckung 15 auf, die zusammen eine Hochdrucklaufradkammer 18 bilden. Der Rotor 12 der Hochdruckstufe ist in dieser Hochdrucklaufradkammer 18 angeordnet. Unterhalb der Hochdruckstufe befindet sich eine zweite obere Abdeckung 16 und eine zweite untere Abdeckung 17, die zusammen eine Niederducklaufradkammer 19 bilden. Der Rotor 13 für die Niederdruckstufe ist in dieser Niederdrucklaufradkammer 19 angeordnet. Die Hochdrucklaufradkammer 18 ist mit der Niederdrucklaufradkammer 19 über einen Rückführkanal 20 verbunden. Eine Rückführschaufel 21 ist im wesentlichen im Mittenabschnitt des Rückführkanals 20 angeordnet. Eine Stützschaufel 22 ist an demjenigen Abschnitt des Rückführkanals 20 vorgesehen, an dem dieser mit der Niederdrucklaufradkammer 19 verbunden ist.

Ein spiralförmiges Gehäuse 23 ist außerhalb der Hochdrucklaufradkammer 18 vorgesehen. das Innere dieses spiralförmigen Gehäuses 23 bildet eine Spiralkammer 24. Der Ausgang der Spiralkammer 24 ist mit dem Eingang der Hochdrucklaufradkammer 18 verbunden. Der Eingang der Spiralkammer 24 ist über ein Einlaßventil und eine Druckrohrleitung mit einem oberen Behälter verbunden (nicht dargestellt). Eine Vielzahl von Absperrschiebern 25 ist im Wasserkanal außerhalb des Rotors 12 der Hochdruckstufe angeordnet. Diese Absperrschieber 25 sind koaxial zur Hauptwelle 11 angeordnet und können zwischen einer Stellung, in der sie den Wasserkanal verschließen und einer Stellung verschwenkt werden, in der er offen ist. Die Bewegung der Absperrschieber 25 wird durch einen nicht dargestellten Schieberbetätigungsmechanismus gewährleistet.

Ein Ende eines gekrümmten Saugrohres 26 ist mit dem Ausgang der Niederdrucklaufradkammer 19 verbunden, während das andere Ende über ein (nicht dargestelltes) Abzugsrohr mit einem (nicht dargestellten) unteren Speicherbecken verbunden ist.

Ein erstes Auslaßrohr 27 verbindet die obere Abdeckung 14 der Hochdrucklaufradkammer 18 über ein erstes Ventil 29 mit der Atmosphäre. Ein zweites Auslaßrohr 28 verbindet die obere Abdeckung 16 der Niederdrucklaufradkammer 19 über ein zweites Ventil 30 mit der Atmosphäre.

Der Rückführkanal 20 und das Saugrohr 26 sind direkt miteinander über eine Wasserrückführleitung 31 verbunden, welche ein Ventil 32 aufweist.

Druckmesser 51 und 52 sind mit den entsprechenden Laufradkammern der Hochdruck- und Niederdruckstufe verbunden. Ferner ist die Laufradkammer 18 der Hochdruckstufe mit einer (nicht dargestellten) Wasserpegel-Absenkvorrichtung verbunden.

Wird die reversible Turbinenpumpe 40 als Turbine betrieben, so ist jedes der Ventile 29, 30 und 32 geschlossen. In dieser Betriebsweise fließt Wasser vom oberen Wasserspeicher unter Druck in die Spiralkammer 24 des spiralförmigen Gehäuses 23 durch das Druckrohr und das Einlaßventil. Das unter Druck stehende Wasser fließt durch die beweglichen Absperrschieber 25 und beaufschlagt den Rotor 12 der Hochdruckstufe, wodurch die Welle 11 in Drehungen versetzt wird. Anschließend fließt das unter Druck stehende Wasser durch den Rückführkanal 20, beaufschlagt den Rotor 13 der Niederdruckstufe, um die Welle weiter anzutreiben und wird durch das Saugrohr 26 zum unteren Wasserspeicher abgeführt.

Wird andererseits die reversible Turbinenpumpe 40 als Pumpe betrieben, so dreht ein (nicht dargestellter) Motor die Welle 11 mit der gleichen Rotationsfrequenz als im vorhergehenden Fall, in dem sie als Turbine betrieben wird, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird Wasser von dem Rotor 13 der Niederdruckstufe und ferner durch den Rotor 12 der Hochdruckstufe in den oberen Wasserspeicher gefördert auf dem zum vorherigen Fall umgekehrten Weg, bei dem die Turbinenpumpe 40 als Turbine betrieben wird.

Die folgende ausführliche Beschreibung dient der Erklärung des Verfahrens zur Steuerung der reversiblen oben erläuterten Turbinenpumpe 40, wenn diese aus dem Zustand, in dem die Welle 11 im Leerlauf in Drehrichtung zur Stromerzeugung umläuft, in den Zustand umgeschaltet wird, in dem die reversible Turbinenpumpe 40 Strom erzeugt oder Wasser pumpt.

Vor dem Umschaltvorgang werden die Sperrschieber 25 vollständig geschlossen. Danach wird das Einlaßventil geöffnet, so daß unter Druck stehendes Wasser die Spiralkammer 24 füllt. Danach wird komprimierte Luft in die Laufradkammer 18 der Hochdruckstufe durch das erste Auslaßrohr 27 von der Wasserpegel-Absenkvorrichtung eingelassen, so daß das Wasser innerhalb der Laufradkammer 18 der Hochdruckstufe durch den Rückführkanal 20 nach unten gedrückt wird und durch die Laufradkammer 19 der Niederdruckstufe in das Saugrohr 26, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Stellung dreht sich die Welle 12 mit Leerlaufgeschwindigkeit.

Um die Betriebsweise vom Leerlauf auf Turbinenoder Pumpbetrieb umzuschalten, wird das Auslaßventil 29 geöffnet. Dadurch wird Luft innerhalb der Hochdrucklaufradkammer langsam abgelassen, und zu gleicher Zeit steigt der Wasserspiegel, der unterhalb der Niederdrucklaufradkammer 19 lag, langsam an. Erreicht das Wasser die Unterseite des Rotors 13 der Niederdruckstufe, wird es vermittels der durch Drehung hervorgerufenen Zentrifugalkraft des Rotors 13 der Niederdruckstufe durch die Niederdrucklaufradkammer 19 in den Rückführkanal 20 geleitet. Dadurch beginnt der Einlauf von Wasser in den Rückführkanal 20, und zu gleicher Zeit wird das Ventil 32 in der Wasserrückführleitung 31 geöffnet. Dies bedeutet, daß ein Teil des von der Niederdrucklaufradkammer 19 in den Rückführkanal 20 eingespeisten Wassers durch die Wasserrückführleitung 31 in das Saugrohr 26 geleitet wird.

Wenn Q1 die Wassermenge bezeichnet, die vom Saugrohr 26 durch die Niederdrucklaufradkammer 19 in den Rückführkanal 20 aufgrund der durch Drehung erzeugten Zentrifugalkraft eingespeist wird und Q2 diejenige Wassermenge bezeichnet, die in das Saugrohr 26 über die Wasserrückführleitung 31 abgeführt wird, und Q3 diejenige Wassermenge bezeichnet, die durch den Rückführkanal 20 in die Hochdrucklaufradkammer 18 eingespeist wird, so ist die folgende Bedingung erfüllt:

Q3=Q1-Q2.

Da nur ein Teil des zum Rückführkanal 20 gepumpten Wassers in die Hochdruckkammer eintritt, wird ein schnelles Einspeisen von Wasser aus dem Rückführkanal 20 in die Kammer 18 der Hochdruckstufe verhindert, so daß ein stabiles Einspeisen in die Kammer der Hochdruckstufe erzielt wird.

Danach wird der Rückführkanal 20 mit Wasser gefüllt und nachdem das Wasser die Unterseite des Laufrades 12 der Hochdruckstufe erreicht hat, wird das von der Unterdruckstufe zur Kammer der Hochdruckstufe geführte Wasser durch die aufgrund von Drehungen erzeugte Zentrifugalkraft eingespeist.

Das von der Niederdruckstufe stammende Wasser wird also in die Hochdruckstufe oder die Hochdruckstufen, sofern mehrere vorhanden sind, eingespeist. Nachdem das Rückführrohr einer jeden Stufe von der Niedrigstdruckstufe zur Höchstdruckstufe, wie oben erwähnt, mit Wasser gefüllt ist, sammelt sich das Wasser allmählich in der Kammer 18 der Hochdruckstufe an (die die Höchstdruckstufe in einer mehrstufigen hydraulischen Maschine mit drei Stufen und mehr ist).

Ist die Hochdruckkammer 18 mit Wasser gefüllt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Auslaßventil 30 des zweiten Auslaßrohres 28 geöffnet, so daß Wasser von der Niederdrucklaufradkammer 19 über das Auslaßrohr 28 abgeführt wird. Zu gleicher Zeit wird das Ventil 32 vollständig geschlossen. Dies bedeutet, daß der Wasserfluß vom Kanal 20 in das Saugrohr 26 unterbunden wird.

Wenn, wie oben erwähnt, die Hochdruckstufe mit Wasser gefüllt ist und den Abschaltzustand beim vollständigen Eintauchen ins Wasser einnimmt, wird das Ablassen von Luft aus der benachbarten Niederdruckstufe eingeleitet. Das Luftablassen und das Füllen mit Wasser erfolgt in der Reihenfolge von der Höchstdruckstufe zur Niedrigstdruckstufe. Wenn jede Stufe mit Ausnahme der Niederdruckstufe vollständig in Wasser eingetaucht ist, so ist das Ableiten von Wasser aus dem Rückführkanal in Verbindung mit der Laufradkammer der Niederdruckstufe vollendet. Gleichzeitig wird das Ablassen von Luft aus der Niederdrucklaufradkammer 19 der Niederdruckstufe eingeleitet. Um den Rotor befindliche Luft ist in den Fig. 2 und 3 durch einen Kreisbogen angedeutet.

Wenn danach der Wasserdruck in der Laufradkammer 18 der Hochdruckstufe einen vorgegebenen Druckwert erreicht, der den Druck jeder Stufe im vollständig in Wasser eingetauchten Zustand bestimmt, werden die Auslaßventile 29 und 30 vollständig geschlossen. Anschließend werden die Absperrschieber 25 allmählich in eine vorbestimmte Offenstellung über eine nicht dargestellte Vorrichtung gebracht, um so eine Verbindung zwischen der Laufradkammer 18 der Hochdruckstufe und dem spiralförmigen Gehäuse 23 herzustellen, wodurch der Turbinen- oder der Pumpbetrieb eingeleitet wird. Auf diese Weise wird der Leerlaufbetrieb glatt und stoßfrei auf Turbinenbetrieb (Stromerzeugung) oder Pumpbetrieb umgeschaltet.

In einer mehrstufigen Turbinenpumpe mit mehr als drei Stufen kann das Ablassen von Luft aus jeder Laufradkammer in der Niederdruckstufe durch Verwendung eines Zeitschalters eingeleitet werden, der ein Ausgangssignal zum Öffnen des Auslasses in einem vorgegebenen Zeitraum in bestimmter Reihenfolge abgibt, nachdem durch Ablassen der Luft in der Laufradkammer 15 über das Auslaßrohr 27 das Luftablassen in der Stufe mit dem höchsten Druck beendet ist.

Das Ableiten von Wasser aus dem Rückführkanal 20 in das Saugrohr 26 kann durch das Schließen des Ventils 32 vervollständigt werden vermittels eines Signals vom in der Höchstdruckstufe angeordneten Druckmesser 51.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Steuerung einer mehrstufigen hydraulischen Maschine aus dem Leerlaufbetrieb, in dem der Wasserpegel durch Einblasen von Druckluft bis in ein Saugrohr (26) abgesenkt ist, in den Pump- oder Turbinenbetrieb, in dem die Maschine vollständig mit Wasser gefüllt ist, wobei bei dem Verfahren zunächst bei geschlossenen Sperrschiebern zwischen Druckrohr bzw. Spiralkammern und Hochdruckstufe Wasser in die Laufradkammern der Hochdruck- und Niederdruckstufe und in den diese Kammern verbindenden Rückführkanal (20) eingefüllt und die verdrängte Luft abgelassen wird und danach die Sperrschieber geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - der Wasserpegel durch teilweises Ablassen der Druckluft bis in die Laufradkammer (19) der Niederdruckstufe angehoben wird und dann Wasser in den Rückführkanal (20) und in die Laufradkammer (18) der Hochdruckstufe geleitet wird,
    2. - wobei ein Teil des Wassers aus dem Rückführkanal (20) in das Saugrohr (26) über eine Wasserrückführleitung (31) zurückgeführt wird, so lange, bis die Laufradkammer (18) der Hochdruckstufe gefüllt ist,
    3. - dann nach Füllung der Hochdruck-Laufradkammer (18) Wasser und Restluft aus der Niederdruck-Laufradkammer (19) über eine Leitung (28) abgeleitet wird und
    4. - gleichzeitig die Rückleitung von Wasser aus dem Rückführkanal (20) in das Saugrohr (26) unterbrochen und
    5. - die Niederdruckstufe vollständig mit Wasser gefüllt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdruck (Druckmesser 52) im an die Laufradkammer der Niedrigdruckstufe angeschlossenen Rückführkanal (20) gemessen wird und daß das Ableiten eines Teiles des Wassers aus dem Rückführkanal (20) in das Saugrohr (26) in Abhängigkeit vom gemessenen Wasserdruck unterbrochen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdruck (Druckmesser 51) in der Laufradkammer der Hochdruckstufe gemessen wird und daß das Ableiten eines Teiles des Wassers aus dem Rückführkanal (20) in das Saugrohr (26) in Abhängigkeit vom gemessenen Wasserdruck unterbrochen wird.
  4. 4. Mehrstufige hydraulische Maschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wasserrückführleitung (31), die den Rückführkanal (20) mit dem Saugrohr (26) verbindet, ein vom durch den Druckmesser (51 oder 52) gemessenen Druck steuerbares Ventil (32) angeordnet ist.






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