DE1503290B1

DE1503290B1 - Verfahren zum Inbetriebsetzen einer Pumpe oder Pumpenturbine radialer Bauart in einem Speicherkraftwerk

Info

Publication number: DE1503290B1
Application number: DE19661503290
Authority: DE
Inventors: Heinz Waller
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1966-03-24
Filing date: 1966-12-21
Publication date: 1970-12-17
Also published as: FR1509552A; CH454628A; GB1184824A; AT271210B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inbe- Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt einen ande-

triebsetzen von Pumpen oder Pumpenturbinen radia- ren, besonders einfachen Weg, durch den der sprungler Bauart mit festen Laufradschaufeln in Speicher- hafte Anstieg in der Leistungsaufnahme vermieden kraftwerken, insbesondere von Maschinen, die eine und über einen längeren Zeitraum ausgedehnt wergroße Leistungsaufnahme besitzen und für den Bereich 5 den kann. Der während des Inbetriebsetzens stattmittlerer bis großer Förderhöhen ausgelegt sind, wo- findende Füllvorgang der Pumpe bleibt dabei in bei die Pumpe oder Pumpenturbine zunächst mit jedem Zeitpunkt unter Kontrolle. Druckluft entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die

beschleunigt und anschließend entlüftet und von der Druckluft nicht nur in bekannter Weise auf der Pum-Pumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt wird. io peneintrittsseite zugeführt, sondern während des Füll-Bei einem bekannten Verfahren zur Inbetriebset- Vorganges ebenso auch mindestens teilweise auf der zung von Pumpen oder Pumpenturbinen in Speicher- Pumpeneintrittsseite durch mindestens eine Öffnung, kraftwerken wird die Pumpe zunächst durch Druck- die vor der Eintrittskante der Schaufeln des bzw. des luft entwässert und dann mit Hilfe eines Hilfsan- ersten Laufrades angeordnet sind, gedrosselt wieder triebes in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt. 15 aus der Maschine entweicht.

Als nächster Schritt wird die elektrische Hauptma- Das neue Verfahren kann bei einflutigen und

schine mit dem Netz verbunden. Durch langsames doppelflutigen sowie bei einstufigen und bei mehr-Entlüften der Maschine wird diese dann von der Pum- stufigen Maschinen angewendet werden, wobei die peneintrittsseite her mit Wasser gefüllt. Bei Anlagen Anordnung der Antriebswelle sowohl horizontal als großer Leistung, die für eine Förderhöhe von über 20 auch vertikal sein kann. Dabei ergeben sich für mehr-100 m ausgelegt sind und bei denen die Leistungs- stufige Maschinen mit durchgehender Welle zusätzaufnahme der Pumpe oder Pumpenturbine im Pump- liehe Vorteile, wenn die Luft durch Öffnungen zwi- λ betrieb z. B. 40 MW und mehr beträgt, ergeben sich sehen der Einlaufspirale und dem ersten Laufrad weg- ™ häufig während einer bestimmten Phase der Inbe- geführt wird.

triebsetzung Schwierigkeiten, da während des Füllens 25 Weiterhin läßt sich der Füllvorgang von mehrder Maschine mit Wasser die von der Maschine auf- stufigen Maschinen beschleunigen, wenn zusätzlich genommene Leistung an einer bestimmten Stelle der Wasser in den Strömungskanal hinter dem ersten Anfahrcharakteristik innerhalb von Sekundenbruch- Laufrad in die Maschine eingespeist wird. Ferner kann teilen in unkontrollierbarer Weise sprunghaft, z. B. bei mehrstufigen Maschinen, die eine horizontal lieauf den doppelten Wert der vor diesem Sprung vor- 30 gende Welle besitzen und bei denen ein Teil der handenen Leistungsaufnahme, ansteigt. Zulaufleitung mindestens angenähert horizontal, etwa

Da dieser sprungartige Anstieg über die Antriebs- in der Höhe der Welle verläuft, vorteilhaft von der maschine zu unangenehmen Rückwirkungen auf das Maßnahme Gebrauch gemacht werden, daß die Luft elektrische Netz führt, ist es notwendig, diesen sprang- durch auf dem Umfang des horizontalen Teiles der artigen Anstieg in der Leistungsaufnahme zu vermei- 35 Zulaufleitung angeordnete Öffnungen entweicht, den und auf einen längeren Zeitraum auszudehnen. Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeich-

Für die Lösung dieses Problems sind für einstufige, nung näher erläutert:

einflutige Maschinen mit fliegend gelagertem Lauf- F i g. 1 zeigt einen Horzontalschnitt durch eine

rad bereits mehrere Möglichkeiten vorgeschlagen wor- mehrstufige Pumpe bzw. Pumpenturbine, deren den, durch die der sprunghafte Anstieg ver- 40 Welle horizontal angeordnet ist und die einen horizonmieden wird. Bei Maschinen dieser Bauart werden tal verlaufenden Teil der Zulauf leitung besitzt, der etwa z. B. an dem äußeren Umfang des Saugrohres in der horizontalen Ebene der Maschinenwelle liegt; während des Anfahrens Leitschaufeln in radialer F i g. 2 stellt ein Diagramm dar, in dem eine be-

Richtung in das Saugrohr gestellt, durch welche die in stimmte Phase der Inbetriebsetzung der Maschine \ dem Saugrohr durch das hochsteigende Wasser er- 45 nach F i g. 1 gezeigt ist. Auf der Ordinate ist dabei in zeugte Drallströmung zerstört wird. Prozenten das Verhältnis des momentanen Drehmo-

Bei anderen Verfahren wird im Saugrohr unmittel- ments zu demjenigen im Normalbetriebspunkt der bar vor dem Laufrad eine künstliche Drallströmung, Maschine aufgetragen, während auf der Abszissenähnlich derjenigen, wie sie vom Laufrad erzeugt wird, achse die Zeit in Sekunden dargestellt ist; bei kondurch Einspritzen von Wasser mit Hilfe von tangen- 50 stanter Drehzahl entspricht das Verhältnis demjenitial am Saugrohr angeordneten, aus der Druckleitung gen der beiden Leistungsaufnahmen in den gegebenen gespeisten Düsen erzeugt. Betriebszuständen;

Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß die F i g. 3 stellt ebenfalls eine mehrstufige Maschine

Energie für die Anregung der in der Zulaufleitung dar, jedoch verläuft der gezeigte Schnitt hier in senkherrschenden Drallströmung nicht mehr ausschließ- 55 rechter Richtung; diese Maschine besitzt also eine lieh von dem Laufrad, d. h. von der Antriebsmaschine vertikal verlaufende Zulaufleitung: bzw. dem elektrischen Netz aufgebracht werden muß. F i g. 4 schließlich zeigt ebenfalls in einem senk-

Eine weitere bekannte Maßnahme besteht darin, rechten Schnitt eine vertikal angeordnete, einstufige, durch Einspritzen einer Luft-Wasser-Emulsion die einflutige Pumpenturbine mit fliegend gelagertem Dichte des Mediums im Raum des Laufrades stetig 60 Laufrad.

von Luft auf Wasser zu verändern. Die Leistungs- Bei der im Horizontalschnitt gezeigten Maschine

aufnahme ändert sich dann proportional mit der Dichte nach F i g. 1 ist die waagerecht angeordnete Welle 1, des geförderten Mediums. Die Dichteänderung erfolgt die in nicht dargestellten Lagern gelagert ist, an den durch stetiges Verringern des Luftanteils relativ zum Stellen 2 und 3 mittels Stopfbüchsen abgedichtet. Auf Wasseranteil der Emulsion. Dieses Verfahren besitzt 65 der Welle 1 sind Laufräder 4, 5, und 6 befestigt, die den Nachteil, daß für die Erzeugung und Verände- mit festen Laufradschaufeln 30 ausgerüstet sind.deren rung der Luft-Wasser-Emulsion relativ große Mischer Eintrittskanten mit 28 bezeichnet sind. Die Laufnotwendig sind. räder 4 bis 6 sind strömungsmäßig durch im Gehäuse

7 der Maschine verlaufende, mit feststehenden Leitschaufeln 8 und 9 versehene Strömungskanäle 10 und 11 miteinander verbunden. An der Austrittsseite des letzten Laufrades 6 schließt sich der ebenfalls mit festen Leitschaufeln 12 versehene Diffusor 13 an. Auf diesen folgt in Strömungsrichtung die Druckspirale 14, die in eine das Absperrorgan 15 enthaltende Druckleitung 16 übergeht. Diese führt zu einem nicht dargestellten Speicherbecken.

Auf der Pumpeneintrittsseite wird das Wasser aus dem Unterwasserbecken durch die Zulaufleitung, die in der Zeichnung nur in ihrem letzten, etwa auf gleicher Höhe mit der Welle 1 in horizontaler Richtung verlaufenden Teil 17 dargestellt ist, der Einlaufspirale 29 und dann dem ersten Laufrad 4 zugeführt.

Unter Umständen kann in dieser Zulauf leitung eine nicht dargestellte Zubringerpumpe eingebaut sein, um den an der Pumpeneintrittsseite der Maschine notwendigen Druck zu erreichen.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem horizontalen Teil 17 der Zulaufleitung Öffnungen 18 vorgesehen. Diese sind von einem Ringkanal 19 umschlossen, in den eine Leitung 20 mündet. Die Leitung 20 verzweigt sich vor dem Ringkanal 19 in zwei Zweigleitungen 21 und 22, von denen die eine 21 über das Absperrorgan 23 an eine Druckluftquelle angeschlossen ist, während die andere 22 über die einstellbare Drosselblende 24 und das Absperrorgan 25 in einen nicht dargestellten Ablauf führt. Die Leitung 21 dient der Zufuhr und die Leitungen 22 der Abfuhr der Druckluft.

In den Strömungskanal zwischen dem ersten und dem zweiten Laufrad 4 bzw. 5 mündet eine Leitung 26, die mit einer nicht dargestellten Wasserquelle geeigneten Druckes über ein Absperrorgan 27 und eine Drosselblende 31 verbunden ist.

Das Diagramm der F i g. 2 stellt die Phase des Inbetriebsetzens dar, bei der die Maschine von der Pumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt ist und das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 noch geschlossen ist.

Dieses Diagramm zeigt in Abhängigkeit von der Zeit das momentane Drehmoment M der Maschine als prozentualen Bruchteil des Drehmoments M₀₀ im Normalbetrieb. Bei konstanter Drehzahl stellt dieses Verhältnis ein Maß für die jeweilige Leistungsaufnahme dar. Das Diagramm ist an einer Modellpumpe von etwa 600 kW Betriebsleistung aufgenommen worden.

Zur Zeit t—0 der Darstellung ist die Pumpe schon durch Zuführen der Druckluft über die Leitung 21 entwässert, durch eine Hilfsmaschine auf Synchrondrehzahl im entwässerten Zustand beschleunigt, und die elektrische Hauptmaschine ist bereits auf das Netz geschaltet worden. Die Leistungsaufnähme der Maschine beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 3% der vollen Leistung im Betriebszustand.

Zur Zeit t= 10 see wird, nachdem vorher durch Schließen des Absperrorgans 23 die Luftzufuhr abgesperrt worden ist, das Absperrorgan 25 geöffnet. Dadurch kann die Druckluft auf der Pumpeneintrittsseite, durch die Blende 24 gedrosselt, entweichen. Die Drosselung des Luftstromes wird durch die einstellbare Öffnung der Blende 24 — bei der Modellpumpe beträgt der Blendendurchmesser z. B. einige Millimeter — so eingestellt, daß der Anstieg der Leistungsaufnahme 5 % der vollen Leistung pro Sekunde nicht überschreitet. Durch Wahl eines anderen Blendendurchmessers für die Blende 24 kann jedoch dieser Anstieg pro Sekunde willkürlich verändert werden.

Gleichzeitig mit dem Entweichen der Druckluft beginnt das Wasser aus der Zulaufleitung in Richtung auf die Pumpeneintrittsseite hin zu strömen. Sobald es mindestens von einem Teil der Eintrittskanten 28 der Schaufeln 30 des ersten Laufrades 4 erfaßt wird, wird es durch die Maschine hindurch auf die Druckseite der Maschine gefördert. Die Leistungsaufnahme der Pumpe zeigt dabei den in F i g. 2 gestrichelt dargestellten Verlaufe. Aus dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß der Anstieg der Leistungsaufnahme in verschiedenen Stufen unterschiedlicher Steilheit vor sich geht, wobei die Füllung nach etwa 115 Sekunden beendet und der maximale Druck erreicht ist. Nun kann das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 geöffnet und die Pumpe in bekannter Weise bis auf ihren Betriebszustand hochgefahren werden.

Öffnet man gleichzeitig mit dem Absperrorgan 25 auch das Absperrorgan 27 in der Leitung 26, so daß Wasser aus der Zulaufleitung in den Strömungskanal 10 hinter dem ersten Laufrad 4 zusätzlich einströmen kann, so folgen die Leistungsaufnahme und die Füllung der Pumpe dem strichpunktierten Verlauf b, der ebenfalls stufenförmig ist. Durch diese zusätzliche Maßnahme kann das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 bereits nach etwa 70 Sekunden, also bedeutend früher geöffnet werden. Der Füllvorgang wird dadurch also erheblich beschleunigt.

Wie dem Verlauf b zu entnehmen ist, steigt die Leistungsaufnahme auch bei zusätzlicher Füllung der Pumpe durch Einspeisen von Wasser in den Strömungskanal 10 hinter dem ersten Laufrad 4 in mehreren Stufen an, wobei Abschnitte unterschiedlicher Steigung, sich mehrmals wiedefholend, aufeinanderfolgen.

Der ausgezogen dargestellte Verlauf α der Leistungsaufnahme schließlich gibt die an der erwähnten Modellpumpe gemessene Leistungsaufnahme wieder, wenn die Druckluft, wie bisher üblich, auf der Druckseite der Pumpe abgelassen wird. Zwar läßt sich bei diesem bekannten Verfahren die maximale Leistung bereits nach etwa 25 Sekunden erreichen; es zeigt sich jedoch der unerwünschte sprungartige Anstieg von etwa 30 °/o auf etwa 60 % der maximalen Leistungsaufnahme, der nach der Erfindung vermieden wird.

Es sei nun versucht, die sich in der Pumpe bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abspielenden Vorgänge zu deuten. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß diese Erklärung nur den Versuch einer Deutung darstellt.

Der stufenförmige Verlauf der Kurven b und c in F i g. 2 deutet an, daß die Druckluft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Maschine nicht kontinuierlich, sondern schubweise entweicht. Es wird daher angenommen, daß die Auslaßöffnungen 18 für die Luft von dem durch den Zulaufleitungsteil 17 in Richtung auf die Pumpeneintrittsseite fließenden Wasser zeitweise mindestens teilweise verschlossen sind. Sobald das von den Laufradschaufeln bereits erfaßte Wasser, wie oben erwähnt, durch die Maschine auf die Druckseite gefördert wird, verdrängt es die sich dort befindende Luft rückwärts in Richtung auf den Pumpeneintritt hin, wobei die Rückströmung der Luft durch eine Art »Auftrieb«, ähnlich wie Gasblasen in einem Gefäß, hervorgerufen wird. Sind nun

die Austrittsöffnungen durch Wasser verschlossen, so könnte entweder die Luft in der Maschine komprimiert werden, bis es ihr gelingt, das Wasser vor den Öffnungen zeitweise wieder zu verdrängen. Es wäre jedoch auch möglich, daß einzelne Luftblasen, die sich auf ihrem Weg rückwärts durch die Maschine bilden, wieder zerrissen werden und sich erneut bilden, schließlich durch den »Auftrieb« vor die Austrittsöffnungen gelangen und durch den Ringkanal und die Ablaufleitung entweichen können.

Da, wie oben erwähnt, jedoch detaillierte Untersuchungen und Betrachtungen noch nicht angestellt worden sind, kann eine Aussage darüber, welche der verschiedenen Mechanismen den tatsächlichen Verhältnissen entspricht, nicht gemacht werden. Es wäre auch denkbar, daß beide beschriebenen Möglichkeiten gleichzeitig oder nacheinander auftreten. Weiterhin ist auch nicht geklärt worden, ob in den steilen Teilen der gezeigten Kurven b und c der F i g. 2 nur oder überwiegend Luft und in den flacheren Teilen nur oder überwiegend Wasser durch die Austrittsöffnungen und die Ablaufleitung strömt, oder umgekehrt. Da die Verhältnisse in den sich gegenseitig durchdringenden Strömungen der Luft und des Wassers, auf die auch noch die mechanische Bewegung der sich drehenden Laufräder einwirkt, sehr verwickelt und kompliziert sind und ihre Beobachtung wahrscheinlich durch die Ausbildung von Gischt und durch starke Verwirbelungen und Durchmischungen von Luft und Wasser sehr erschwert wird, ist es daher, zumindest vorläufig, nur möglich, den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Erfolg im Experiment mit Hilfe einer Registrierung des Verlaufes der von der Pumpe während des Füllens aufgenommenen Leistung, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist, nachzuweisen.

Die in F i g. 3 in einem Vertikalschnitt gezeigte Maschine unterscheidet sich von der nach F i g. 1 nur in wenigen Details. In F i g. 3 besitzt die Zulaufleitung keinen horizontalen Teil 17, sondern verläuft vor ihrer Einmündung in die Einlauf spirale 29 vertikal. Weiterhin sind die Öffnungen 18, durch die die Druckluft zu- und abgeführt wird, in diesem Beispiel in Strömungsrichtung hinter der Einlaufspirale 29, unmittelbar vor dem ersten Laufrad 4 angeordnet. Der Ablauf des Füllvorganges und die Kurven für die Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit zeigen ein ähnliches Verhalten, wie es im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 bereits beschrieben und erläutert worden ist.

Bei der Maschine nach F i g. 4 ist die elektrische Haupimaschine 40 über die vertikal angeordnete Welle 41 mit dem einzigen, fliegend gelagerten Laufrad 42 einer einstufigen, umkehrbaren Pumpenturbine verbunden. Das Laufrad 42 ist wiederum mit festen Schaufeln 43 ausgerüstet, deren Eintriüskanten mit 44 bezeichnet sind. An der Austritt^seite ist das Laufrad 42 zunächst von einem verstellbaren Leitschaufelkranz 45 umgeben, dessen Verstellmechanismus 46 nur angedeutet ist und der während des Inbetriebsetzens der Pumpe geschlossen ist. Auf den Leitschaufelkranz 45 folgen, in Strömungsrichtung während des Pumpbetriebes gesehen, die festen Diffusorschaufeln 47 und die Druckspirale 48, an die die mit dem Absperrorgan 49 versehene Druckleitung anschließt.

Die nur teilweise angedeutete Zulaufleitung 51 geht über den Krümmer 52 in das vertikale Einlaufrohr der Pumpenturbine über, das konzentrisch mit der Welle 41 verläuft und an die Eintrittsöffnung 54 des Pumpengehäuses 55 angeschlossen ist.

Ähnlich wie in den bisher beschriebenen Beispielen besitzt das Einlaufrohr 53 kurz vor der Eintrittsöffnung 54 einen Kranz von Öffnungen 56, die von einem Ringkanal 57 umgeben sind. In diesen führt wiederum eine Leitung 58, die sich in die beiden Leitungen 59 und 60 verzweigt. An die Leitung 59, in der das Absperrorgan 61 angeordnet ist, ist eine nicht dargestellte Druckluftquelle angeschlossen, während die mit dem Absperrorgan 62 und der Drossel blende versehene Leitung 60 wiederum in einen Ablauf führt. Der konstruktive Aufbau zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht also in seinen Einzelheiten der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung, so daß sich bei der Maschine nach F i g. 4 ein ähnlicher Ablauf des Füllvorganges ergibt wie bei den anderen gezeigten Beispielen.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf die in den Ausfiihrungsbeispielen gezeigten Maschi- _Λ nen begrenzt ist. Es ist z. B. auch auf vertikal ange- ^ ordnete mehrstufige Maschinen oder horizontal angeordnete einstufige Pumpen anwendbar. Selbstverständlich können auch doppelflutige Maschinen in gleicher Weise gefüllt werden, wobei dann jede Pumpeneintrittsseite so auszubilden wäre, wie es in den Beispielen der F i g. 1 und 3 für einflutige Maschinen gezeigt worden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Inbetriebsetzen von Pumpen oder Pumpen turbinen radialer Bauart mit festen Laufradschaufel η in Speicherkraftwerken, insbesondere von Maschinen, die eine große Leistungsaufnahme besitzen und für den Bereich mittlerer bis großer Förderhöhen ausgelegt sind, wobei die Pumpe oder Pumpenturbine zunächst mit Druckluft entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt und anschließend entlüftet und von der Pumpencintrittsseite her mit Wasser gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft nicht nur in bekannter Weise auf der ä Pumpeneintrittsseite zugeführt, sondern während des Füllvorganges ebenso auch mindestens teilweise auf der Pumpeneintrittsseite durch mindestens eine Öffnung (18. 56) die vor den Eintrittskanten (28, 44)" der Schaufeln (30, 43) des (42) bzw. des ersten Laufrades (4) angeordnet ist. gedrosselt wieder aus der Maschine entweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, für mehrstufige Maschinen mit durchgehender Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch Öffnungen (18) zwischen der Einlaufspirale (29) und dem ersten Laufrad (4) abgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, für mehrstufige Maschinen, dadurch cekennzeichnet. daß zusätzlich Wasser in den Strömungskanal (10) hinter dem ersten Laufrad (4) eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, für mehrstufiee Maschinen mit horizontaler Welle und mit mindestens einem mindestens angenähert horizontalen, etwa in der Höhe der Welle verlaufenden Teil der Zulaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch auf dem Umfang des horizontalen Teiles (17) der Zulaufleitung angeordnete Öffnungen (18) entweicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneeti