WO2023147918A1 - Pelton turbine und betriebsverfahren - Google Patents
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- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
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Definitions
- the invention relates to a Pelton turbine and an operating method for operating the turbine.
- Pelton turbines are known from the prior art.
- DE 10 2010 024475 A1 discloses such a turbine.
- the disclosed Pelton turbine includes an impeller having a plurality of buckets and at least two nozzles for applying a jet of water to the buckets.
- the jets usually have a mechanism for regulating the flow of water through the jets.
- the Pelton turbine disclosed in the document mentioned has a horizontal axis of rotation. However, most Pelton turbines are designed with a vertical axis of rotation. In ordinary Pelton turbines, all nozzles are designed the same, i.e. they have the same outlet diameter.
- a Pelton turbine has become known from FR 2 137 359 which includes an auxiliary nozzle which has a smaller outlet diameter than the other nozzles.
- the auxiliary jet is used for turbine run-up and for fine adjustment of the turbine to synchronous speed.
- the auxiliary nozzle is used along with the other nozzles during normal operation.
- Pelton turbines typically include a synchronous generator for power generation. This means that the regulation must be carried out in such a way that the impeller connected to the generator always rotates at the synchronous speed.
- Pelton turbines which include an asynchronous generator for power generation. The impeller can then revolve at speeds within a predefined range.
- the control parameters for setting the nozzle opening are the inlet pressure of the driving water and the power dissipated at the generator. Efficient operation of a Pelton turbine is possible within certain control parameter ranges. This range is referred to as the operating range of the turbine. Ie the control parameters can also be referred to as operating parameters.
- the object of the invention is to specify a Pelton turbine which can be operated efficiently in a larger operating range than comparable known Pelton turbines.
- FIG. 1 shows a Pelton turbine according to the prior art in a schematic representation.
- the Pelton turbine comprises an impeller, indicated at 1, which comprises a plurality of buckets.
- the Pelton turbine includes several nozzles, one of which is denoted by 2 .
- the nozzles 2 are arranged in such a way that the water jets emerging from the nozzles 2 hit the cups of the impeller 1 and can thus drive the impeller 1 .
- the nozzles 2 are designed to be adjustable, i.e. they comprise a so-called needle which can be moved back and forth. This allows the water flow through the relevant nozzle to be adjusted.
- the needles are indicated by the tips at the end of the nozzles 2 in FIG.
- the following description of the Pelton turbine according to the invention is based on the boundary condition that the output of the turbine should remain constant, ie that the only free control parameter is the water inlet pressure. This means that everything that is said below about the inlet pressure must generally be translated to all freely variable control parameters.
- the water flow through the nozzles 2 is proportional to the power transported by the water.
- the power is proportional to the water inlet pressure. This means that a change in the water inlet pressure can be compensated for by changing the water flow through the nozzles 2, i.e. by adjusting the needles, if the performance is to remain constant.
- the pressure range [p m in, Pmax] (ie the water inlet pressure range - hereinafter “water inlet pressure” is used for brevity as “pressure”) that can be compensated in this way depends on the following factors. At the minimum pressure p m in the nozzles 2 are fully opened. Therefore, the diameter and the number of nozzles 2 are designed in such a way that at pm in the desired water flow can flow through the nozzles. As mentioned, as the pressure increases, the nozzles are gradually closed by moving the needles forward. Eventually, a point is reached where the jet quality is so badly affected by the needles in the jet that the efficiency of the turbine is significantly reduced. The maximum pressure p max is therefore given by the fact that the required efficiency of the turbine can no longer be guaranteed if the maximum pressure is exceeded.
- the inventors have recognized that the pressure range in which the turbine can still be operated efficiently can be increased by using nozzles with different diameters, as will be explained in more detail below.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a Pelton turbine according to the invention.
- the Pelton turbine includes two groups of nozzles with different diameters.
- the embodiment shown in FIG. 2 comprises a first group of five larger-diameter nozzles, one of which is labeled 2.1 and a second group of smaller diameter nozzles.
- the second group includes only one nozzle, which is denoted by 2.2.
- the second group could just as well include more than one nozzle. Nozzles that belong to one and the same group have the same diameter, and nozzles that belong to different groups have different diameters.
- the Pelton turbine according to the invention comprises a control device, which is denoted by 3 and which is designed in such a way that it can control the water flow through the nozzles of the two groups so that in a first predefined pressure range water flows through the nozzles of the first group and no water flows through the Nozzles of the second group flows, and that in a second predefined pressure range, water flows through the nozzles of the second group and no water flows through the nozzles of the first group.
- the two predefined pressure ranges follow each other, and the transition from the first to the second pressure range is given by a predefined pressure po, so to speak, po is the switching pressure at which the water flow from the first to the second nozzle group ( and vice versa) is switched. Water flows through the nozzles of the first group at lower pressures and through the nozzles of the second group at higher pressures.
- the switching process described relates to normal operation of the Pelton turbine according to the invention.
- the switching process between the auxiliary nozzle and the other nozzles does not take place during normal operation, but rather when the turbine is started up and synchronized. Normal operation of the turbine only begins after these processes have been completed.
- the auxiliary nozzle can either be switched off permanently during normal operation or used permanently together with the other nozzles in order to increase the output.
- control device 3 is designed in such a way that it can set the following states:
- the Pelton turbine according to the invention can be operated efficiently at higher pressures than a comparable Pelton turbine of conventional design, since the nozzles with a smaller diameter can still provide a jet of good quality with smaller water flows and thus higher pressures.
- the invention is not limited to two groups of nozzles, i.e. in principle there can be as many groups of nozzles with nozzles of different diameters as there are nozzles. In these cases there is more than one switching pressure, because then the groups are switched successively, i.e. first between the first and the second group, then between the second and the third group, etc. It is clear that the nozzles -Diameter decreases with group number, i.e. the nozzles of the first group have the largest diameter and the following groups always have smaller diameters.
- FIG. 3 shows the nozzles of the first and second group from FIG. 2 and thereby clarifies the nozzle diameter.
- the nozzles of the first group 2.1 have one Nozzle diameter Di and the nozzles of the second group 2.2 have a
- the design of the nozzle diameter is based on the following criteria. If only the nozzles of the first group are to be used at the minimum pressure p m , then the diameter is chosen such that the associated water flow can be provided through the nozzles of the first group. The maximum diameter that can be used is limited by the bucket size of the impeller. Of course, in order to achieve the necessary water flow under this boundary condition, the number of nozzles in the first group can be more than one nozzle. Then the water flow and thus the associated pressure is determined, up to which the nozzles of the first group can deliver a jet of sufficient quality. This pressure or a slightly lower pressure is then selected as the switching pressure between the first and second nozzle group.
- the nozzle or nozzles of the second group are then designed so that a water flow which flows through the nozzles of the first group in the needle position associated with the switching pressure can flow through the nozzles of the second group when they are fully open.
- the condition of the same water flow always refers to the switchover pressure.
- the nozzles of the second group can also be made slightly larger in order to achieve a certain overlap. Then the water flow and thus the associated pressure is determined, up to which the nozzle or nozzles of the second group can deliver a jet of sufficient quality. If this pressure already reaches the desired maximum pressure p max , then the design process is over. Otherwise, one or more additional groups are added according to the criteria described.
- the diameters of the nozzles in the first group can be selected to be correspondingly smaller. That is, in the first step, the design is carried out according to the previous section, and then the diameters of the first group are reduced. The diameters of the nozzles of the higher groups can then mostly be retained, as this only leads to a slightly larger overlap between the first and second group.
- the criteria presented in some cases there are several possibilities as far as the number of nozzles in the individual groups is concerned. The person skilled in the art can choose between these possibilities by applying the well-known criteria with which he is familiar. This includes considerations of material savings, reduction of machine wear or with regard to the smooth running of the turbines in the individual operating areas.
- Switching between the nozzles of two groups or switching on the nozzles of a group can be done using the needles of the relevant nozzles.
- the needling operations are controlled by the control device, without this being specifically mentioned below.
- a turbine with only two groups of nozzles is also assumed for the following description of the switchover and connection processes.
- the nozzles of the first or second group are always spoken of in the plural.
- one or both of the groups may just as well comprise only one nozzle.
- Switching between the first and the second group then takes place, for example, as follows.
- the pressure approaches the value po from below.
- the nozzles of the first group are gradually closed with their needles.
- the nozzles of the second group are closed during this time.
- the nozzles of the first group reach the degree of closure at which a jet of sufficient quality can just about be produced.
- the nozzles of the first group are completely closed and at the same time the nozzles of the second group are opened as far as necessary. If there is no overlap between the two groups, it means that the nozzles of the second group must be fully opened. If there is an overlap, the nozzles of the second group are then only opened almost completely.
- the pressure continues to rise, the nozzles of the second group are gradually closed further.
- the switching process with decreasing pressure runs in reverse. Initially, only the nozzles of the second group are open. As the pressure moves towards po, the nozzles of the second group are gradually opened wider. When po is reached, the nozzles of the second group are fully (no overlap) or almost fully (with overlap) open. Then the nozzles of the second group are closed and the nozzles of the first group are opened as far as necessary. The nozzles of the first group are then opened so wide that the jet quality is high enough to ensure the required efficiency.
- the optional switching on of the nozzles of the second group at low pressure works as follows.
- the pressure approaches the switching pressure pi from above.
- the nozzles of the first group are gradually opened and reach the open position at pi. Now the nozzles of the second group are opened so far that the jet quality is sufficiently high, and at the same time the nozzles of the first group are closed as far as necessary (ie so far that the power remains constant). If the pressure continues to drop, either the nozzles of the first group can be opened one after the other, or the nozzles of the second group, or the nozzles of both groups simultaneously. It is clear that the nozzles of the respective group can only be opened until they reach the open position. When all nozzles have reached the open position, the minimum pressure pm in has been reached.
- FIG. 4 shows an arrangement suitable for this in a schematic representation.
- the turbine comprises a first valve, indicated 4.1, adapted to regulate the flow of water through the nozzles of the first group and a second valve, indicated 4.2 and which is adapted to regulate the flow of water through the nozzles of the second group.
- a separate valve 4.1 or 4.2 can be provided for each nozzle. In this case, all valves belonging to a nozzle group are opened or closed simultaneously.
- the pressure approaches the value po from below.
- the valve of the first group 4.1 is open and the valve of the second group 4.2 is closed.
- the nozzles of the first group are gradually closed with their needles. No water flows through the nozzles of the second group, since the valve 4.2 is closed.
- the needles of the nozzles of the second group are in the open position (no overlap) or close to the open position (existing overlap).
- the nozzles of the first group reach the degree of closure at which a jet of sufficient quality can just about be produced.
- the valve 4.1 is closed and at the same time the valve 4.2 is opened.
- the nozzles of the second group are gradually closed further.
- the pressure has reached the maximum value p max .
- valve 4.2 is open and valve 4.1 is closed, i.e. water only flows through the nozzles of the second group.
- valve 4.1 is closed, i.e. water only flows through the nozzles of the second group.
- the nozzles of the second group are gradually opened wider.
- po is reached, the nozzles of the second group are fully (no overlap) or almost fully (with overlap) open.
- the nozzles of the first group are in the degree of closure at which a jet of sufficient quality can just about be produced.
- valve 4.2 is closed and valve 4.1 is opened.
- control device 3 can also control the positions of the needles of the nozzles, although this is not specifically shown in FIG.
- a Pelton turbine according to the present invention can advantageously be used in hydroelectric power plants in which the water levels in the headwater basin exhibit great variability.
- Another advantageous application is compressed air storage systems, in which the energy conversion takes place via water, which is used in a Pelton turbine when discharging the compressed air storage to generate electrical energy, since in this application the inlet pressure of the turbine has a wide range.
- FIG. 5 shows the Pelton turbine according to the invention in a highly schematic representation.
- the impeller is denoted by 1 .
- the impeller is connected to a generator with a shaft.
- the generator is denoted by 5 and the shaft is denoted by 6. If the generator 5 can run at a variable speed, then the condition for controlling the Pelton turbine at a constant speed does not apply. As a result, the control of the turbine is made considerably easier, particularly when there is a requirement to deliver constant power, or the range in which the turbine can be operated efficiently can be further increased.
- a synchronous generator for example, which is connected to the power grid via a converter, or an asynchronous generator can be used as a variable-speed generator.
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Abstract
Pelton Turbine umfassend ein Laufrad (1) und mehrere regelbare Düsen (2.1, 2.2) in zwei Gruppen, und wobei die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe einen größeren Durchmesser hat als die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe, und wobei die Pelton Turbine eine Steuereinrichtung (3) umfasst, welche so ausgebildet ist, dass sie einen Wasserfluss durch die Düsen in Abhängigkeit von Regelparametern im Normalbetrieb steuern kann, und wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in einem ersten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe durchströmt, und dass sie in einem zweiten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse der zweiten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse der ersten Gruppe durchströmt.
Description
Pelton Turbine und Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Pelton Turbine und ein Betriebsverfahren zum Betrieb der Turbine.
Aus dem Stand der Technik sind Pelton Turbinen bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2010 024475 A1 eine solche Turbine. Die offenbarte Pelton Turbine umfasst ein Laufrad mit einer Vielzahl von Bechern und wenigstens zwei Düsen zum Aufbringen eines Wasserstrahles auf die Becher. Dabei haben die Düsen gewöhnlich einen Mechanismus zur Regulierung des Wasserflusses durch die Düsen. Die in der genannten Schrift offenbarte Pelton Turbine besitzt eine horizontale Drehachse. Die meisten Pelton Turbinen werden jedoch mit vertikaler Drehachse ausgeführt. Bei gewöhnlichen Pelton Turbinen sind alle Düsen gleich ausgeführt, d.h. sie haben einen gleich großen Austrittsdurchmesser.
Aus der FR 2 137 359 ist eine Pelton Turbine bekannt geworden, welche eine Hilfsdüse umfasst, welche einen geringeren Austrittsdurchmesser als die übrigen Düsen aufweist. Die Hilfsdüse wird für das Hochfahren der Turbine verwendet und für die Feinjustierung der Turbine auf die Synchrondrehzahl. Außerdem wird die Hilfsdüse zusammen mit den anderen Düsen während dem Normalbetrieb verwendet.
Gewöhnlich umfassen Pelton Turbinen einen Synchrongenerator für die Stromerzeugung. Das bedeutet, dass die Regelung so erfolgen muss, dass das mit dem Generator verbundene Laufrad stets mit der Synchrondrehzahl umläuft. Außerdem gibt es Pelton Turbinen, welche für die Stromerzeugung einen Asynchrongenerator umfassen. Dann kann sich das Laufrad mit Drehzahlen in einem vordefinierten Bereich umlaufen. Regelparameter für die Einstellung der Düsenöffnung sind dabei der Eingangsdruck des Triebwassers und die am Generator abgeführte Leistung. Ein effizienter Betrieb einer Pelton Turbine ist in gewissen Regelparameterbereichen möglich. Dieser Bereich wird als der Betriebsbereich der Turbine bezeichnet. D.h. die Regelparameter können auch als Betriebsparameter bezeichnet werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pelton Turbine anzugeben, welche in einem größeren Betriebsbereich effizient betrieben werden kann, als vergleichbare bekannte Pelton Turbinen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig.1 Pelton Turbine gemäß dem Stand der Technik;
Fig.2 Erfindungsgemäße Pelton Turbine;
Fig. 3 Düsen und Düsendurchmesser;
Fig. 4 Erfindungsgemäße Pelton Turbine in einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 5 Erfindungsgemäße Pelton Turbine mit Generator.
Figur 1 zeigt eine Pelton Turbine gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung. Die Pelton Turbine umfasst ein Laufrad, welches mit 1 bezeichnet ist und welches eine Vielzahl von Bechern umfasst. Ferner umfasst die Pelton Turbine mehrere Düsen, von denen eine mit 2 bezeichnet ist. Die Düsen 2 sind so angeordnet, dass die aus den Düsen 2 austretenden Wasserstrahlen auf die Becher des Laufrades 1 treffen und so das Laufrad 1 antreiben können. Die Düsen 2 sind regelbar ausgeführt, d.h. sie umfassen eine sogenannte Nadel, welche vor und zurückbewegt werden kann. Dadurch ist der Wasserfluss durch die betreffende Düse einstellbar. In Figur 1 sind die Nadeln durch die Spitzen am Ende der Düsen 2 angedeutet.
Die folgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Pelton Turbine geht der Einfachheit halber von der Randbedingung aus, dass die Leistung der Turbine konstant bleiben soll, d.h. dass der einzige freie Regelparameter der Wasser-Eingangsdruck ist.
Das bedeutet, dass alles was im Folgenden über den Eingangsdruck gesagt wird, im allgemeinen Fall auf alle frei variablen Regelparameter übersetzt werden muss.
Bei einem gegebenen Wasser-Eingangsdruck ist der Wasserfluss durch die Düsen 2 proportional zur Leistung, welche vom Wasser transportiert wird. Bei gegebenen Wasserfluss ist die Leistung andererseits proportional zum Wasser-Eingangsdruck. Das bedeutet, dass eine Änderung des Wasser-Eingangsdruckes durch eine Änderung des Wasserflusses durch die Düsen 2, d.h. durch eine Verstellung der Nadeln, kompensiert werden kann, wenn die Leistung konstant bleiben soll.
Der Druckbereich [pmin, Pmax] (d.h. der Wasser-Eingangsdruckbereich - im Folgenden wird für „Wasser-Eingangsdruck“ der Kürze halber „Druck“ verwendet), der auf diese Weise kompensiert werden kann, hängt dabei von folgenden Faktoren ab. Beim minimalen Druck pmin werden die Düsen 2 vollständig geöffnet. Daher wird der Durchmesser und die Anzahl der Düsen 2 so ausgelegt, dass bei pmin der gewünschte Wasserfluss durch die Düsen fließen kann. Wie erwähnt werden die Düsen bei steigendem Druck nach und nach geschlossen, indem die Nadeln nach vorne bewegt werden. Dabei wird schließlich ein Punkt erreicht, bei dem die Strahlqualität durch die im Strahl befindlichen Nadeln so stark beeinträchtigt wird, dass dadurch die Effizienz der Turbine signifikant verringert wird. Der maximale Druck pmax ist also dadurch gegeben, dass bei einem Überschreiten des maximalen Druckes die geforderte Effizienz der Turbine nicht mehr gewährleistet werden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Druckbereich, in dem die Turbine noch effizient betrieben werden kann, dadurch vergrößert werden kann, dass Düsen mit unterschiedlichem Durchmesser verwendet werden, wie im Folgenden näher dargelegt wird.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Pelton Turbine in schematischer Darstellung. Im Unterschied zu Figur 1 umfasst die Pelton Turbine zwei Gruppen von Düsen mit unterschiedlichem Durchmesser. Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform umfasst eine erste Gruppe von fünf Düsen mit größerem Durchmesser, von denen eine mit 2.1
bezeichnet ist, und eine zweite Gruppe von Düsen mit kleinerem Durchmesser. Dabei umfasst die zweite Gruppe nur eine Düse, welche mit 2.2 bezeichnet ist. Genauso gut könnte die zweite Gruppe auch mehr als eine Düse umfassen. Düsen, welche zu ein und derselben Gruppe gehören, haben dabei gleich große Durchmesser, und Düsen, welche zu unterschiedlichen Gruppen gehören, haben unterschiedlich große Durchmesser.
Die erfindungsgemäße Pelton Turbine umfasst eine Steuereinrichtung, welche mit 3 bezeichnet und welche so ausgeführt ist, dass sie den Wasserfluss durch die Düsen der beiden Gruppen so steuern kann, dass in einem ersten vordefinierten Druckbereich Wasser durch die Düsen der ersten Gruppe und kein Wasser durch die Düsen der zweiten Gruppe strömt, und dass in einem zweiten vordefinierten Druckbereich Wasser durch die Düsen der zweiten Gruppe und kein Wasser durch die Düsen der ersten Gruppe strömt. Dabei schließen sich die beiden vordefinierten Druckbereiche aneinander an, und der Übergang von ersten zum zweiten Druckbereich ist durch einen vordefinierten Druck po gegeben, po ist so zu sagen der Umschalt-Druck, bei dem der Wasserfluss von der ersten auf die zweite Düsen-Gruppe (und umgekehrt) umgeschaltet wird. Dabei werden die Düsen der ersten Gruppe bei kleineren Drücken von Wasser durchflossen und die Düsen der zweiten Gruppe bei größeren Drücken.
Es ist zu erwähnen, dass sich der beschriebene Umschalt-Vorgang auf den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Pelton Turbine bezieht. In der eingangs beschriebenen FR 2 137359 erfolgt der Umschalt-Vorgang zwischen der Hilfsdüse und den anderen Düsen nicht während dem Normalbetrieb, sondern noch beim Hochfahren und Synchronisieren der Turbine. Erst nach Abschluss dieser Vorgänge beginnt der Normalbetrieb der Turbine. Gemäß der FR 2 137 359 kann die Hilfsdüse während dem Normalbetrieb entweder dauerhaft abgeschaltet oder permanent zusammen mit den anderen Düsen verwendet werden, um so die Leistung zu erhöhen.
Optional kann es auch einen Druckbereich geben, bei den Wasser durch alle Düsen, d.h. sowohl durch die Düsen der ersten als auch durch die Düsen der zweiten Gruppe fließt. Das kann bei kleinen Drücken von Vorteil sein. In diesem Fall gibt es einen
weiteren vordefinierten Schalt-Druck pi, und die Steuereinrichtung 3 ist so ausgebildet, dass sie folgende Zustände einstellen kann:
Ohne diesen optionalen Druckbereich mit Wasserfluss durch alle Düsen ergeben sich folgende Zustände:
Die erfindungsgemäße Pelton Turbine kann bei höheren Drücken effizient betrieben werden als eine vergleichbare Pelton Turbine herkömmlicher Bauart, da die Düsen mit kleinerem Durchmesser noch bei kleineren Wasserflüssen und damit höheren Drücken einen Strahl mit guter Qualität bereitstellen können.
Die Erfindung ist nicht auf zwei Düsengruppen beschränkt, d.h. es können im Prinzip so viele Düsengruppen mit Düsen von unterschiedlichen Durchmessern vorliegen, wie es Düsen gibt. In diesen Fällen gibt es mehr als einen Umschalt-Druck, weil dann sukzessive zwischen den Gruppen umgeschaltet wird, d.h. zuerst zwischen der ersten und der zweiten Gruppe, dann zwischen der zweiten und der dritten Gruppe, usw. Es ist dabei klar, dass der Düsen-Durchmesser mit der Gruppennummer abnimmt, d.h. die Düsen der ersten Gruppe haben den größten Durchmesser und die folgenden Gruppen immer kleinere Durchmesser.
Figur 3 zeigt die Düsen der ersten und zweiten Gruppe aus Figur 2 und verdeutlicht dabei den Düsendurchmesser. Die Düsen der ersten Gruppe 2.1 haben einen
Düsendurchmesser Di und die Düsen der zweiten Gruppe 2.2 haben einen
Düsendurchmesser D2, wobei Di > D2 ist.
Die Auslegung der Düsendurchmesser erfolgt dabei gemäß folgenden Kriterien. Wenn beim Minimaldruck pmin nur die Düsen der ersten Gruppe verwendet werden sollen, dann wird der Durchmesser so gewählt, dass durch die Düsen der ersten Gruppe der zugehörige Wasserfluss bereitgestellt werden kann. Dabei ist der maximal verwendbare Durchmesser durch die Bechergröße des Laufrades nach oben begrenzt. Um den nötigen Wasserfluss unter dieser Randbedingung zu erreichen, kann natürlich die Anzahl der Düsen in der ersten Gruppe mehr als eine Düse betragen. Dann wird der Wasserfluss und damit der zugehörige Druck bestimmt, bis zu welchem die Düsen der ersten Gruppe einen Strahl mit hinreichender Qualität liefern können. Dieser Druck oder ein geringfügig kleinerer Druck wird dann als Umschalt-Druck zwischen der ersten und zweiten Düsengruppe gewählt. Die Düse bzw. Düsen der zweiten Gruppe werden dann so ausgelegt, dass ein Wasserfluss, welcher durch die Düsen der ersten Gruppe in der zum Umschalt-Druck zugehörigen Nadelstellung fließt, durch die Düsen der zweiten Gruppe fließen kann, wenn dieselben vollständig geöffnet sind. Dabei bezieht sich die Bedingung des gleichen Wasserflusses jeweils auf den Umschalt-Druck. Die Düsen der zweiten Gruppe können auch etwas größer ausgelegt werden, um einen gewissen Überlapp zu erzielen. Dann wird der Wasserfluss und damit der zugehörige Druck bestimmt, bis zu welchem die Düse bzw. Düsen der zweiten Gruppe einen Strahl mit hinreichender Qualität liefern können. Wenn dieser Druck bereits den gewünschten maximalen Druck pmax erreicht, dann ist der Auslegungsprozess beendet. Ansonsten werden eine oder mehrere weitere Gruppen nach den beschriebenen Kriterien hinzugefügt.
Wenn beim Minimaldruck pmin alle Düsen verwendet werden sollen, dann können die Durchmesser der Düsen der ersten Gruppe entsprechend kleiner gewählt werden. D.h. im ersten Schritt erfolgt die Auslegung gemäß dem vorhergehenden Abschnitt, und dann werden die Durchmesser der ersten Gruppe reduziert. Die Durchmesser der Düsen der höheren Gruppen können dann meist beibehalten werden, da das nur zu einem etwas größeren Überlapp zwischen der ersten und der zweiten Gruppe führt.
Bei der Anwendung der dargelegten Kriterien ergeben sich in manchen Fällen mehrere Möglichkeiten, was die Anzahl der Düsen in den einzelnen Gruppen anbelangt. Der Fachmann kann zwischen diesen Möglichkeiten wählen, indem er die ihm geläufigen allgemein bekannten Kriterien zur Anwendung bringt. Dazu gehören Betrachtungen zur Materialersparnis, Reduktion des Maschinenverschleißes oder bzgl. der Laufruhe der Turbinen in den einzelnen Betriebsbereichen.
Das Umschalten zwischen den Düsen zweier Gruppen bzw. das Zuschalten der Düsen einer Gruppe kann mit Hilfe der Nadeln der betreffenden Düsen erfolgen. Dabei erfolgt die Ansteuerung der Nadeloperationen durch die Steuereinrichtung, ohne dass das im Folgenden eigens erwähnt wird. Für die folgende Beschreibung der Um- und Zuschaltvorgänge wird der Einfachheit halber außerdem von einer Turbine mit nur zwei Gruppen von Düsen ausgegangen. Dabei wird immer von den Düsen der ersten bzw. zweiten Gruppe im Plural gesprochen. Es kann jedoch genau so gut eine oder beide der Gruppen nur eine Düse umfassen.
Das Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Gruppe läuft dann beispielsweise folgendermaßen ab. Der Druck nähert sich von unten dem Wert po. Dabei werden die Düsen der ersten Gruppe mit ihren Nadeln nach und nach geschlossen. Die Düsen der zweiten Gruppe sind währenddessen geschlossen. Beim Druck po erreichen die Düsen der ersten Gruppe denjenigen Schließgrad bei dem gerade noch ein Strahl mit ausreichender Qualität erzeugt werden kann. Dann werden die Düsen der ersten Gruppe vollends geschlossen und gleichzeitig die Düsen der zweiten Gruppe so weit wie notwendig geöffnet. Wenn es keinen Überlapp zwischen den beiden Gruppen gibt, bedeutet das, dass die Düsen der zweiten Gruppe ganz geöffnet werden müssen. Bei einem vorhandenen Überlapp werden die Düsen der zweiten Gruppe dann nur beinahe ganz geöffnet. Bei weiter steigendem Druck werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geschlossen. Wenn die Düsen der zweiten Gruppe den Schließgrad erreichen, bei dem gerade noch eine ausreichend hohe Strahlqualität gewährleistet werden kann, dann hat der Druck den maximalen Wert p max erreicht.
Es ist klar, dass der Umschaltvorgang eine gewisse Zeit beansprucht. Dabei tritt gleichzeitig Wasser aus den Düsen beider Gruppen aus. Außerdem ist klar, dass die Düsen beider Gruppen bei dem Umschaltvorgang Bereiche durchfahren, in welchem der emittierte Strahl eine schlechte Qualität aufweist. Daher ist es wünschenswert, dass der Umschaltvorgang möglichst schnell abläuft. Die Gefahr eines Druckstoßes muss allerdings vermieden werden. Da jedoch mit dem Schließen der Düsen der ersten Gruppe ein Öffnen der Düsen der zweiten Gruppe einher geht, ist die Gefahr für einen Druckstoß nicht sehr groß. Im Prinzip wäre es auch denkbar, dass das Schließen der Düsen der ersten Gruppe und das Öffnen der Düsen der zweiten Gruppe nacheinander (in beliebiger Reihenfolge) durchgeführt wird. Das würde dann aber auf jeden Fall mehr Zeit beanspruchen.
Der Umschaltvorgang bei abnehmendem Druck läuft umgekehrt ab. Dabei sind zunächst nur die Düsen der zweiten Gruppe geöffnet. Wenn sich der Druck gegen po bewegt, werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geöffnet. Beim Erreichen von po sind die Düsen der zweiten Gruppe ganz (kein Überlapp) oder fast ganz (mit Überlapp) geöffnet. Dann werden die Düsen der zweiten Gruppe geschlossen und die Düsen der ersten Gruppe so weit wie notwendig aufgefahren. Die Düsen der ersten Gruppe sind dann so weit geöffnet, dass die Strahlqualität hoch genug ist, um die geforderte Effizienz zu gewährleisten.
Eine alternative Beschreibung der genannten Vorgänge kann folgendermaßen erfolgen: Das Verfahren zum Normalbetrieb einer erfindungsgemäßen Pelton Turbine umfasst die folgenden Schritte:
- Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der Düsen der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im ersten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die Düsen der zweiten Gruppe kein Wasser strömt;
- Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der Düsen der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im zweiten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die Düsen der ersten Gruppe kein Wasser strömt;
- Unterbinden des Wasserflusses durch die Düsen der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom ersten vordefinierten Regelparameterbereich in den zweiten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern;
- Unterbinden des Wasserflusses durch die Düsen der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom zweiten vordefinierten Regelparameterbereich in den ersten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern.
Das optionale Zuschalten der Düsen der zweiten Gruppe bei niedrigem Druck läuft folgendermaßen ab. Der Druck nähert sich von oben dem Schalt-Druck pi. Die Düsen der ersten Gruppe werden dabei nach und nach geöffnet und erreichen bei pi die Offenstellung. Nun werden die Düsen der zweiten Gruppe so weit geöffnet, dass die Strahlqualität ausreichend hoch ist, und gleichzeitig werden die Düsen der ersten Gruppe so weit wie notwendig geschlossen (d.h. so weit, dass die Leistung konstant bleibt). Bei weiter sinkendem Druck können entweder die Düsen der ersten Gruppe nach und nach geöffnet werden oder die Düsen der zweiten Gruppe oder die Düsen beider Gruppen simultan. Dabei ist klar, dass die Düsen der jeweiligen Gruppe nur so lange geöffnet werden können, bis sie die Offenstellung erreichen. Wenn alle Düsen die Offenstellung erreicht haben, ist der minimale Druck pmin erreicht.
Die genannten negativen Umstände beim Um- bzw. Zuschaltvorgang, d.h. dass sich die betreffenden Düsen zeitweilig in Zuständen befinden, in denen die Strahlqualität nicht ausreichend gut ist, lassen sich dadurch umgehen, dass nicht die Nadeln der Düsen für das Um- bzw. Zuschalten verwendet werden, sondern separate Ventile. Figur 4 zeigt eine dafür geeignete Anordnung in schematischer Darstellung. Zusätzlich zu den in Figur 2 gezeigten Elementen umfasst die Turbine ein erstes Ventil, welches mit 4.1 bezeichnet ist und welches so ausgebildet ist, dass es den Wasserstrom durch die Düsen der ersten Gruppe regeln kann, und ein zweites Ventil, welches mit 4.2 bezeichnet ist und welches so ausgebildet ist, dass es den Wasserstrom durch die Düsen der zweiten Gruppe regeln kann. Alternativ kann für jede Düse ein separates Ventil 4.1 bzw. 4.2 vorgesehen sein. In diesem Fall werden dann alle zu einer Düsengruppe gehörigen Ventile simultan geöffnet bzw. geschlossen.
Das Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Gruppe läuft in der Ausführungsform gemäß Figur 4 folgendermaßen ab. Der Druck nähert sich von unten dem Wert po. Das Ventil der ersten Gruppe 4.1 ist geöffnet und das Ventil der zweiten Gruppe 4.2 ist geschlossen. Die Düsen der ersten Gruppe werden mit ihren Nadeln nach und nach geschlossen. Die Düsen der zweiten Gruppe werden nicht von Wasser durchströmt, da das Ventil 4.2 geschlossen ist. Die Nadeln der Düsen der zweiten Gruppe befinden sich in der Offenposition (kein Überlapp) oder nahe der Offenposition (vorhandener Überlapp). Beim Druck po erreichen die Düsen der ersten Gruppe denjenigen Schließgrad bei dem gerade noch ein Strahl mit ausreichender Qualität erzeugt werden kann. Dann wird das Ventil 4.1 geschlossen und gleichzeitig das Ventil 4.2 geöffnet. Bei weiter steigendem Druck werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geschlossen. Wenn die Düsen der zweiten Gruppe den Schließgrad erreichen, bei dem gerade noch eine ausreichend hohe Strahlqualität gewährleistet werden kann, dann hat der Druck den maximalen Wert pmax erreicht.
Der Umschaltvorgang bei abnehmendem Druck läuft umgekehrt ab. Dabei ist zunächst das Ventil 4.2 geöffnet und das Ventil 4.1 geschlossen, d.h. nur durch die Düsen der zweiten Gruppe fließt Wasser. Wenn der Druck sich gegen po bewegt, werden die Düsen der zweiten Gruppe nach und nach weiter geöffnet. Beim Erreichen von po sind die Düsen der zweiten Gruppe ganz (kein Überlapp) oder fast ganz (mit Überlapp) geöffnet. Die Düsen der ersten Gruppe befinden sich in demjenigen Schließgrad bei dem gerade noch ein Strahl mit ausreichender Qualität erzeugt werden kann. Dann wird das Ventil 4.2 geschlossen und das Ventil 4.1 geöffnet.
Aus dem Gesagten ist klar, dass noch vor dem Umschalten der Ventile 4.1 und 4.2 die Düsen, die beim Umschaltvorgang mit Wasser beaufschlagt werden sollen, in die Position gebracht werden, die beim jeweiligen Umschaltvorgang benötigt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass direkt beim Öffnen eines Ventils 4.1 oder 4.2 ein Strahl mit ausreichender Qualität von den betreffenden Düsen erzeugt werden kann. Die Düsen, die beim betreffenden Umschaltvorgang nicht mehr mit Wasser beaufschlagt werden sollen, liefern direkt nach dem Umschalten gar keinen
Wasserstrahl mehr, so dass auch diesbezüglich kein Wasserstrahl mit zu geringer Qualität auf das Laufrad trifft.
Es sei erwähnt, dass in der Ausführungsform gemäß Figur 4 die Steuereinrichtung 3 auch die Positionen der Nadeln der Düsen steuern kann, obwohl das nicht eigens in Figur 4 dargestellt ist.
Eine Pelton Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in Wasserkraftwerken verwendet werden, bei denen die Pegelstände im Oberwasserbecken eine große Variabilität aufweisen. Eine andere vorteilhafte Anwendung stellen Druckluftspeichersysteme dar, bei denen die Energieumwandlung über Wasser erfolgt, das in einer Pelton Turbine beim Entladen des Druckluftspeichers zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird, da in diesem Anwendungsfall der Eingangsdruck der Turbine eine große Bandbreite aufweist.
Es ist zu erwähnen, dass es nicht unbedingt notwendig ist, den Eingangsdruck zu messen, um die beschriebenen Betriebsvorgänge auszuführen. Es ist auch möglich, dass der Druck aus anderen Größen abgeleitet wird, z.B. aus Pegelwerten des Oberwasserbeckens oder aus dem Ladezustand des Druckluftspeichers.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pelton Turbine ergibt sich durch die Verwendung eines drehzahlvariablen Generators zur Stromerzeugung. Figur 5 zeigt die erfindungsgemäße Pelton Turbine in sehr stark schematisierter Darstellung. Dabei ist das Laufrad mit 1 bezeichnet. Das Laufrad ist mit einer Welle mit einem Generator verbunden. Der Generator ist mit 5 und die Welle ist mit 6 bezeichnet. Wenn der Generator 5 mit variabler Drehzahl um laufen kann, dann entfällt die Bedingung zur Regelung der Pelton Turbine auf konstante Drehzahl. Dadurch erleichtert sich insbesondere bei einer Anforderung zur Abgabe von konstanter Leistung die Regelung der Turbine erheblich, bzw. kann der Bereich, in der die Turbine effizient betrieben werden kann, weiter vergrößert werden. Als drehzahlvariabler Generator kommt beispielsweise ein Synchrongenerator in Frage, welcher über einen Umrichter mit dem Stromnetz verbunden ist, oder ein Asynchrongenerator.
Bezugszeichenliste
1 Laufrad
2 Düse 2.1 Düse der ersten Gruppe
2.2 Düse der zweiten Gruppe
3 Steuereinrichtung
4.1 Ventil der ersten Gruppe von Düsen
4.2 Ventil der zweiten Gruppe von Düsen 5 Generator
6 Welle
Claims
1 . Pelton Turbine umfassend ein Laufrad (1 ) und mehrere regelbare Düsen (2.1 , 2.2), wobei wenigstens eine der Düsen (2.1 ) eine erste Gruppe, und wenigstens eine der Düsen (2.2) eine zweite Gruppe bilden, und wobei die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe einen größeren Durchmesser hat als die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe, und wobei die Pelton Turbine eine Steuereinrichtung (3) umfasst, welche so ausgebildet ist, dass sie einen Wasserfluss durch die Düsen (2.1 , 2.2) in Abhängigkeit von Regelparametern im Normalbetrieb steuern kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) so ausgebildet ist, dass sie in einem ersten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen (2.1 , 2.2) so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe durchströmt, und dass sie in einem zweiten vordefinierten Regelparameterbereich des Normalbetriebs den Wasserfluss durch die Düsen (2.1 , 2.2) so steuern kann, dass Wasser die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe durchströmt, und kein Wasser die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe durchströmt.
2. Pelton T urbine nach Anspruch 1 , wobei die Düsen (2.1 ) der ersten Gruppe bei einer vordefinierten Position und einem vordefinierten Druck von einem Wasserfluss durchströmt werden können, und wobei die dabei erzeugten Wasserstrahlen eine vordefinierte Strahlqualität haben, und wobei die Düsen (2.2) der zweiten Gruppe so ausgelegt sind, dass sie bei dem vordefinierten Druck wenigstens von dem genannten Wasserfluss durchströmt werden können, wenn sie vollständig geöffnet sind.
3. Pelton Turbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pelton Turbine ein erstes Ventil (4.1 ) umfasst, welches so ausgebildet ist, dass es den Wasserfluss durch die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe regeln kann, und ein zweites Ventil (4.2) umfasst, welches so ausgebildet
ist, dass es den Wasserfluss durch die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe regeln kann. Pelton Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pelton Turbine einen Synchrongenerator (5) umfasst. Pelton Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pelton Turbine einen Asynchrongenerator (5) umfasst. Pelton Turbine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Generator (5) mit variabler Drehzahl betrieben werden kann. Verfahren zum Normalbetrieb einer Pelton Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der wenigstens einen Düse (2.1 ) der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im ersten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe kein Wasser strömt;
- Regeln der Pelton Turbine allein durch Steuerung der wenigstens einen Düse (2.2) der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter im zweiten vordefinierten Regelparameterbereich befinden, wobei durch die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe kein Wasser strömt;
- Unterbinden des Wasserflusses durch die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom ersten vordefinierten Regelparameterbereich in den zweiten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern;
- Unterbinden des Wasserflusses durch die wenigstens eine Düse (2.2) der zweiten Gruppe, wenn sich die Regelparameter vom zweiten vordefinierten Regelparameterbereich in den ersten vordefinierten Regelparameterbereich verlagern. Verfahren zum Normalbetrieb einer Pelton Turbine nach Anspruch 3, wobei das Unterbinden des Wasserflusses durch die wenigstens eine Düse (2.1 ) der ersten Gruppe durch das erste Ventil (4.1 ) erfolgt, und
wobei das Unterbinden des Wasserflusses durch die wenigstens eine
Düse (2.2) der zweiten Gruppe durch das zweite Ventil (4.2) erfolgt.
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