DE2935480C3

DE2935480C3 - Verfahren zum Betrieb einer Pumpenturbine zwischen Teillast- und Rückwärtspumpenbetrieb.

Info

Publication number: DE2935480C3
Application number: DE2935480A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7920 Heidenheim Ulith
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1979-09-01
Filing date: 1979-09-01
Publication date: 1982-02-11
Also published as: IT1129119B; GB2057585B; YU215480A; DE2935480A1; IT8068212A0; GB2057585A; JPS5638573A; FR2464382B1; SE8005891L; DE2935480B2; CH648906A5; ES494054A0; YU41217B; US4419047A; AT367176B; FR2464382A1; ATA351980A; ES8103802A1; SE441540B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /um Betrieb einer Pumpenturbine im Kennlinienbereich zwischen Teillast- und Rückwärtspumpenbetrieb, wobei die verschiedenen Betriebszustände Hijrrh Verändern der Leitschaufelöffnung hergestellt werden.

Es ist bekannt, Pumpenturbinen zum Turbinenbetrieb wie jede andere Reaktionsturbine durch gleichmäßiges Öffnen der Leitschaufcln anzufahren. Dabei wird das Laufrad vom Stillstand bis zur Nenndrehzahl beschleunigt. Bei Erreichen des Leerlaufbetriebes bei Leerlauföffnung der Leitschaufcln kann der Motorgenerator synchronisiert und an das elektrische Netz geschaltet werden. Durch weiteres öffnen der Leitschaufcln gehl dann die Maschine in den Turbinenbetrieb über und gibt Leistung ab. Die Kennlinien von Pumpenturbinen laufen bei der Darstellung z. B. im nVC'i-Diagramm (Einheitsdrehzahl über Einheitswasserstrom) mit zunehmendem η Ί immer steiler. Sie können sogar senkrecht verlaufen oder eine negative Neigung haben. Dies bedeutet, daß die Charakteristik der Maschine in diesen Bereichen unstabil werden kann.

Ein Ausschnitt aus dem Vierquadrantenkennlinienfeld einer bekannten Pumpenturbine ist in der Fig. 1 dargestellt. Diese zeigt Kennlinien für verschiedene Leitradöffnungen a\ bis as, wobei die hier gezeigte größte Öffnung as noch zum Synchronisieren verwendet

ίο wird. Mit L ist die Leerlauflinie für den Turbinenbetrieb bei einem Moment M=O bezeichnet. Unterhalb der Leerlauflinie L im Bereich B setzen sich die Kennlinien a zunächst im sogenannten Bremsbetrieb fort, bei dem das Laufrad Leistung aufnimmt und der Wasserstrom in Turbinenfließrichtung weiter abbremst, bis schließlich kein Wasser mehr durch die Turbine fließt. Daran anschließend geht die Maschine unterhalb der Abszisse im Bereich R in einen Pumpenbetrieb in Turbinendrehrichtung, d. h. in einen sogenannten Rückwärtspumpenbetrieb über, bei dem das Wasser trotz Turbinendrehrichtung des Laufrades in Pumpenfließrichtung gefördert wird (siehe auch Fuji-Elektric-Review, Vol. 24, No. 2, auf Seite 42, Fig. 8, und auf Seite 44, Fig. 12).
Die Kennlinien können, wie aus dem Diagramm der

2^r) F i g. 1 zu ersehen, im Brems- und Rückwärtsturbinenbetrieb teilweise eine S-förmige Charakteristik aufweisen; das führ:, ebenfalls zu einem unerwünschten instabilen Verhalten der Pumpenturbine. Die Folge eines solchen unerwünschten instabilen Betriebsverhaltens besteht

jo darin, daß das Synchronisieren beim Hochfahren zum Turbinenbetrieb erschwert oder sogar unmöglich gemacht wird und daß ein längerer Betrieb im Leerlauf nicht möglich ist, weil z. B. kleinste unvermeidliche Druckschwankungen zu einem plötzlichen »Über-

i^r) schnappen« in einen Betriebspunkt mit Leistungsaufnahme führen können. Auch wird beim Übergang vom Phasenschieberbetrieb in Turbinendrehrichtung mit in Luft umlaufendem Laufrad zum Turbinenbetrieb, wenn die Turbine wieder gefüllt und der Kugelschieber geöffnet worden ist, beim öffnen des Leitapparates der nicht vermeidbare vorübergehende Anstieg der Leistungsaufnahme unerwünscht hoch und springt dann plötzlich bei weiterem öffnen zu einer verhältnismäßig großen Leistungsabgabe im Turbinenbetrieb über.

4^r> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Pumpenturbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, durch welche die Kennlinien beim Anfahren auf eine stabile Charakteristik geändert werden können, d. h. auf eine

Ίο Charakteristik, bei welcher jedem π'Ί-Wert einer Kennlinie im n'i-<?'i-Diagramm nur ein einziger Q't-Wcri zugeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst das Problem dadurch, daß wenigstens vorübergehend wenigstens

Vt eine Leitschaufel aus dem synchronen Verstellverband herausgenommen und vorgeöffnet wird. Es werden also von den entweder starr durch einen Regelring oder bei Einzelservomotoren durch eine entsprechende Gleichlaufsteuerung synchron bewegten I.eitschaufeln eine

w) oder mehrere bewußt aus dem synchronen Verband herausgenommen und unterschiedlich zu den übrigen Lcilsehaufeln vorgeöffnet und dadurch Einfluß auf die Kennlinien genommen. Wenn nämlich ein/eine Leitschaufeln auf eine größere öffnung als die im Verband

b^r> stehenden Leitschaufcln gebracht werden, genügt für die synchronen Leitschaufcln eine kleinere öffnung, um auf den gleichen Wasserstrom und die gleiche Drehzahl wie bei synchroner öffnung aller Leitschaufcln zu

kommen. Da kleine Leitradöffnungen immer stabile Kennlinien zeigen, wird auf diese Weise eine Kennlinie, die bei synchronen Leitschaufel instabil ist, durch einzelne vorgeöffnete Leitschaufeln stabilisiert.

Es ist zwar ein Leitapparat für Strömungsmaschinen bekannt, bei dem ein Teil der Leitsohaufeln gesondert verstellbar und hierfür eine zusätzliche Verstelleinrichtung vorgesehen ist. Dieser Leitapparat dient aber allein dem Zweck, mit ihm eine leicht beherrschbart und hinreichend genaue Feinreguiierung in allen öffnungsbereichen, aber insbesondere beim Anfahren durchführen zu können und die gewünschte Solldrehzahl dabei rasch und druckstoßfrei erreichen zu können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dann, wenn mehr als eine Leitschaufel aus dem synchronen Verband herausgenommen ist, die aus dem Verband herausgenommenen Leitschaufeln polarsymmetrisch angeordnet. Vorzugsweise werden dabei zwei gegenüberliegende Leitschaufeln aus dem Verband herausgenommen.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, einwandfrei und in ausreichend kurzer Anfahrzeit zu synchronisieren und die ans Netz geschaltete Maschine vollkommen stabil im Leerlauf und bei Teillast zu betreiben. Die Gefahr, daß die Maschine im Rückwärtspumpenbetrieb arbeitet, ist beseitigt. Es ergibt sich als weiterer Vorteil, daß bei einem Betriebsübergang vom Phasenschieberbetrieb zum Turbinenbetrieb die kurzzeitig auftretende Leistungsaufnahme erheblich reduziert und bei geeigneter jn Steuerung vermieden werden kann.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Pumpenturbine mit Leitschaufeln, die durch einen gemeinsamen Regelring verstellt werden, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, s^r> daß zur Voröffnung der aus dem synchronen Verband herausgenommenen Leitschaufeln ein zwischen dem Regelring und der Leitschaufel angeordneter, die Zuordnung zwischen Regelringstellung und Leitschaufelstellung ändernder hydraulischer Servomotor dient, ad In einer vorteilhaften Verkörperung der erfindungsgemäßen Pumpenturbine ist der Lenker der aus dem synchronen Verband herausgenommenen Leitschaufel längenveränderbar ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausbildungsmöglichkeit wirkt der Regelring auf einen lose um die Leitschaufelachse schwenkbaren Hebel, der über einen gesondert steuerbaren hydraulischen Servomotor den fest mit dem Leitschaufelzapfen verbundenen Leitschaufelhebel verschwenkt. >n

Bei einer mit Einzelservomotorregelung ausgerüsteten Pumpenturbine ist in vorteilhafter Weise eine Einrichtung zum Aufaddieren eines zusätzlichen Voröffnungssollwertes auf den Öffnungssollwert für die synchrone Leitschaufelöffnungsregelung vorgesehen. «

Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 wie schon oben erwähnt, einen Ausschnitt aus einem Vierquadrantenkennlinienfeld einer Pumpentur- t>o bine nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 einen entsprechenden Ausschnitt eines Kennlinienfeldes einer gemäß der Erfindung betriebenen Pumpenturbine,

F i g. 3 eine .schematische Darstellung eines regelring- <r> gesteuerten Leitapparates einer Pumpenturbine mit einer Einrichtung nach der Erfindung, F i κ. 4 in schernatischer Darstellung eine Alternativausbildung eines regtlringgesteuerten Leitapparates und

Fig. 5 im Blockschaltbild die erfindungsgemäße Einric-Iitung für einen einzelservomotorgesteuerten Leitapparat.

Im Gegensatz zu den Kennlinien der Fi g. 1, welche, wie schon oben erwähnt. Kennlinien eines Leitapparates zeigen, bei welchem sämtliche Leitschaufel synchron gesteuert werden, zeigt Fig.2 Modellversuchen entnommene Kennlinien eines entsprechenden Leitapparates, bei welchem jedoch einige Leitschaufeln gegenüber den übrigen Leitschaufeln vorgeöffnet werden. Es sind auch hier wieder Kennlinien an bis au dargestellt. Es ist klar zu erkennen, daß diese Kennlinien eine absolut stabile Charakteristik aufweisen. Jedem n'i-Wert einer Kennlinie ist nur ein einziger Q'i-Wert zugeordnet.

In Fig.3 sind schematisch zwei regelringgesteuerte Leitschaufeln dargestellt, und zwar ist die Leitschaufel 6 im normalen synchronen Verband mil dem Regelring 7. Si? wird über den Lenker 8 und den Leitschaufelhebel 9 durch Verdrehen des Regelringes 7 in Pfeilrichtung 10 geöffnet und durch Verdrehen in Pfeilrichtung 11 geschlossen. Die Leitschaufel 12 dagegen kann aus dem synchronen Verband herausgenommen werden. Der ihr zugeordnete Lenker 13 greift an einem lose um den Leitschaulelzapfen 14 schwenkbaren Doppelhebel 15 an, der an seinem anderen freien Ende über einen hydraulischen Stellmotor 16 auf dem eigentlichen mit dem Leitschaufelzapfen 14 fest verbundenen Leitschaufelhebel 17 einwirkt. Über Druckleitung 18, Magnetventil 19 und Verstärkerventil 20 kann dem durch den Regelring 7 zugeordneten Istwertsignal ein Überlagerungssignal zugeführt werden. Damit ist es möglich, die Leitschaufel 12 und weitere über die Druckleitung 21 angeschlossene, mit entsprechenden Antrieben versehene Leitschaufeln vorzuöffnen.

Ein weiteres Steuerventil 23 dient für eine Endlagenregelung, welche ein Übersteuern der vorgeöffneten Leitschaufel 12 über die maximale Öffnung hinaus verhindert, wenn bei maximaler Voröffnung die weitere Öffnung im Verband durch den Regelring 7 erfolgt. Außer den den maximalen öffnungswinkel begrenzenden normalen Anschlägen 24 an sämtlichen Leitschaufeln ist an den vorzuöffnenden Leitschaufeln ein weiterer Anschlag 25 vorgesehen, gegen welchen der Steuerstift des Steuerventils 20 anschlägt, wenn bei Voröffnung der Leitschaufel 12 die Steuerung über den Regelring 7 den maximalen öffnungswert überschreitet. Durch den Anschlag wird das Steuerventil 20 auf Schließen gesteuert.

Eine weitere Möglichkeit der Herausnahme einer Leitschaufel aus dem Verband bei regeHnggesteuenen Leitschaufeln ist in F i g. 4 dargestellt, wobei die gleichen Teile mit den in Fig. 3 verwendeten Bezugszeichen versehen sind. Der an dem Leitschaufelhebel 26 angreifende Lenker 27 für die aus dem synchronen Verband herausnehmbare Leitschaufel 12 ist als hydraulischer Stellzylinder längenveränderlich ausgebildet. Die Steuerung dieses Stellzylinders kann in der gleichen Weise wie bei der Ausführung gemäß F i g. J erfolgen.

In der Fig. 5 ist schließlich noch eine Steuerung der vorzuöffnenden Schaufel bei solchen Leitapparaien dargestellt, welche eine Einzelleitschaufelregelung mn einem elektrischen Primärregler aufweisen, etwa gemäß der DE-PS 22 04 804 der Anmelderin. Der Öffnungssollwert in dem Glied 28 wird über die Leitung 29 den 1111

Verbünd verbindlichen Schaufeln zugeführt. Die Grolle der Voröffnung der vorzuöffnenden Schaufeln wird über das Glied 30 zugeführt und den Werten von dem Glied 28 in dem Addierglied 31 zuaddiert und über 32 den vor/uöffncnden l.eitschaufeln als Sollwert zugeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer Pumpenturbine im Kennlinienbereich zwischen Teillast- und Rückwärtspumpenbetrieb, wobei die verschiedenen Betriebszustände durch Verändern der Leitschaufelöffnung hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens vorübergehend wenigstens eine Leitschaufel aus dem synchronen Verstellverband herausgenommen und vorgeöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehr als eine Leitschaufel aus dem synchronen Verband herausgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß polarsymmetrisch angeordnete Leitschaufeln aus dem Verband herausgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei gegenüberliegende Leitschaufeln aus dem Verband herausgenommen werden.

4. Pumpenturbine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit Leitschaufeln, die durch einen gemeinsamen Regelring verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Voröffnung der aus dem synchronen Verband herausgenommenen Leitschaufel (12) ein zwischen dem Regelring (7) und der Leitschaufel (12) angeordneter, die Zuordnung zwischen Regelringstellung und Leitschaufelstellung ändernder hydraulischer Servomotor (16; 27) dient.

5. Pumpenturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker (27) der aus dem synchronen Verband herausgenommenen Leitschaufel (12) längenveränderbar ausgebildet ist.

6. Pumpenturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelring (7) auf einen lose um die Leiterschaufelzapfenachse schwenkbaren Hebel (15) wirkt, der über einen gesondert steuerbaren hydraulischen Servomotor (16) den fest mit dem Leitschaufelzapfen (14) verbundenen Leitschaufelhebel (17) verschwenkt.

7. Pumpenturbine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 3, mit Einzclservomotorregelung der Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (31) zum Aufaddieren eines zusätzlichen Voröffnungssollwertes (30) auf den Öffnungssollwert (28) für sämtliche Einzelleitschaufelöffnungsregler vorgesehen ist.