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Pumpspeicheraggregat mit einer Pumpenturbine, deren Läufer bei Pump-bzw. Turbinenbetrieb entgegengesetzte Drehrichtung hat
Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicheraggregat mit einer Pumpenturbine, deren Läufer bei Pump- bzw. Turbinenbetrieb entgegengesetzte Drehrichtung hat, und einen Motor-Generator, dessen Rotor mit- tels eines zwischengeschalteten Wendegetriebes Drehzahl und Drehrichtung dauernd beibehält.
Bisher sind Pumpspeichersätze unter Verwendung von Pumpenturbinen, welche beim Übergang vom
Pump- auf Turbinenbetrieb ihre Drehrichtung ändern müssen, bekanntgeworden, bei denen der Läufer einer Pumpenturbine mit dem Rotor eines Motor-Generators starr gekuppelt ist. Hieraus ergeben sich nachstehende Folgerungen :
Bei jeder Drehrichtungsumkehr der Pumpenturbine wird zwangsläufig eine solche auch beim MotorGenerator erforderlich, so dass dieser jedesmal mit dem elektrischen Netz neu synchronisiert werden muss, was die Umschaltzeiten erhöht, die elektrische Umschaltanlage kompliziert und verteuert und nur bei langsam laufenden Spezialmaschinen, aus thermischen Gründen aber nicht bei normalen TurboMotor-Generatoren von 1000 bis 3 000 Umdr, Imin bei 50 Hz möglich ist, welche mindestens 10/0 besseren elektrischen Wirkungsgrad haben.
Für das Anfahren zum Pumpbetrieb wird bei Leistungen über zirka 40 MW eine zusätzliche AnfahrSynchronisier-Einrichtung als Hilfsturbine oder-motor erforderlich. Dabei werden das Ausblasen der Spirale der Pumpenturbine und ein beweglicher Leitapparat in derselben erforderlich, um die Anfahr- leistung und-arbeit sowie die Umschaltzeiten klein halten zu können. Leistungsstösse und Schwingungsgefährdung des beweglichen Leitapparates sind schwer beherrschbare Betriebsfaktoren dieser Anordnung. FernerwerdenhiefürHochdruck-Luftkompressoren erforderlich, welche häufige Reparaturen, Mehrkosten und starke Geräusche verursachen.
Durch diese werden Wirkungsgradverluste gleichwie durch die Umschaltwassermengen verursacht.
Sowohl im Turbinen- wie im Pumpbetrieb kann nur mit ein und derselben Synchrondrehzahl gefahren werden, was hydraulische Wirkungsgradverluste im Turbinenbetrieb von mindestens 3% ergibt. Weiterhin können nicht die für die hydraulische Auslegung der Pumpenturbine optimalen Drehzahlen gewähltwerden. Die mögliche Alternative der Auslegung des Motor-Generators für zwei benachbarte Syn- ehrondrehzahlen behebt diesen hydraulischen Mangel nur teilweise, da diese beiden netzsynchronen Drehzahlen nicht ohne weiteres mit den optimalen hydraulisch erforderlichen Drehzahlen übereinstim- men. Überdies ist ein solcher Spezialmotor-Generator zirka 50% teurer und sehr reparaturanfällig.
. Wird ferner bei dieser Anordnung beim Umschalten von Turbinen-auf Pumpbetrieb elektrisch gebremst, so ist dieses Verfahren nicht brandsicher, ergibt sehr lange Umschaltzeit und erfordert einen zusätzlichen hydraulischen Druckstossregler.
Bei starrer Kupplung des Läufers der Pumpenturbine mit dem langsam laufenden Rotor des MotorGenerators muss bei jeder Drehrichtungsänderung das sehr hohe Schwungmoment des Rotors, das etwa dreissigmal so gross wie dasjenige des übrigen Laufzeuges ist, mit überwunden werden, was die Verlust-
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arbeit und die Umschaltzeiten beim Anfahren und Bremsen entsprechend erhöht.
Die wegen Beherrschung der hydraulischen und elektrischen Stosse erforderlichen Regulierungsfein- heiten beim Wiederfüllen der zum Pumpbetrieb angefahrenen ausgeblasenen Pumpenturbine können nur mit Automatik beherrscht werden. Somit ist der auch bei einer modernen Anlage notwendige Handbe- trieb bei diesem Betriebsvorgang nicht möglich.
Die in verschiedener Weise auftretenden Betriebsstösse machen den gesamten Maschinensatz schwin- gungsgefährdet.
Beim Phasenschieberbetrieb dreht sich der Pumpenturbinenläufer mit, der bei Ventilationsverlusten ständig mit Wasser gekühlt werden muss. Der Rotor des Motor-Generators muss für die volle hydraulische
Durchgangsdrehzahl ausgelegt werden, was eine verteuernde Konstruktions-und Materialwahl zur Fol- ge hat.
Alle vorstehend aufgeführten Tatsachen können entsprechend der Erfindung dadurch vorteilhaft ver- ändert werden, dass der Läufer der Pumpenturbine mit dem Rotor des Motor-Generators über zwei be- triebsschaltbare hydraulische Kupplungen, von denen die eine Drehrichtungsumkehr bewirkt, über je ein mit der jeweils eingeschalteten Kupplung in Serie liegendes Planetengetriebe mit unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis im Sinne kraftschlüssiger hydraulischer Momentenübertragung verbunden ist.
Hieraus ergeben sich folgende Effekte :
Der Motor-Generator kann eine normale standardisierte Turbomaschine mit 1000,1500 und 3000 Umdr,/min bei 50 Hz und höherem elektrischem Wirkungsgrad sein, welche sich dauernd nur in einer Drehrichtung mit gleichbleibender Drehzahl dreht. Sicherung gegen unzulässige Überdrehzahlen des Rotors erfolgt zweifach durch Entleeren der jeweiligen Betriebskupplung und Lösen der Festsetzbremse der Zahnräder in dem zugehörigen Planetengetriebe. Das elektrische Synchronisieren ist nur einmal für sämtliche folgenden Umschaltungen der Pumpenturbine erforderlich.
Die Pumpenturbine bleibt bei allen Betriebsarten stets gefüllt, kann ohne besondere Anfahrvorrichtung und ohne beweglichen Leitapparat mit gleitendem Moment in der zugehörigen hydraulischen Kupplung sowohl hydraulisch als auch elektrisch stosslos und weich zum Pumpbetrieb angefahren werden. Die Anfahrzeit wird überdies wesentlich verkürzt. Eine Hochdruckkompressorenanlage für das Ausblasen der Spirale und einhydraulischer Druckstossregler sind nicht erforderlich, da in letzterem Falle die Pumpenturbine allein bis zu ihrer Überdrehzahl durchgehen kann. Zufolge der frei wählbaren Stufung der beiden Planetengetriebe können die für den Turbinen- und Pumpbetrieb verschiedenen Drehzahlen der Pumpenturbine für den jeweiligen optimalen hydraulischen Wirkungsgrad unabhängig von der Synchrondrehzahl des Motor-Generators frei gewählt werden.
Hiedurch wird der gesamte hydraulische Wirkungsgrad wesentlich verbessert. Das hydraulische Bremsen beim Umschalten erfolgt rasant und brandsicher durch gleichzeitiges Entleeren bzw. Gegenfüllen der beiden Kupplungen, wobei nur das sehr kleine Schwungmoment des Pumpenturbinenläufers abzufangen ist. Die Schaltzeiten werden wesentlich verkürzt.
Bei Phasenschieberbetrieb steht der Läufer der gefüllten Pumpenturbine still, indem beide hydraulische Kupplungen entleert werden, wodurch er geschont und Ventilationsverluste vermieden werdem. Bei elektrischem Kurzschluss reisst bei Turbinenbetrieb die hydraulische Kupplung ab, wodurch Brüche und Brände vermieden werden.
Der gesamte Pumpspeichersatz läuft bei allen Betriebsarten und Umschaltungen stosslos und infolge der Dämpfungswirkung der hydraulischen kraftschlüssigen Kupplungen fast schwingungslos.
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nung Pumpe-Motor-Generator-Turbine.
Die Automatik der Schaltvorgänge wird durch Wegfall des Ausblasens und Wiederfüllens der Pumpenturbine vereinfacht. Handbedienung ist ausnahmslos in allen Betriebsfällen möglich.
Infolge Verringerung der Einzelmassen kann die Hubkraft der Krananlage herabgesetzt werden.
Moderne Hochleistungs-Planetengetriebe erfüllen die Qualitätsanforderungen im Dauerbetrieb bezüglich Betriebssicherheit und zulässigem Geräuschpegel, welche einschliesslich des hydraulischen Betriebsschlupfes der Kupplungen einen Verlust von etwa 2% haben, der überdies thermisch über die Rückkühlanlage des Öles zurückgewonnen bzw. weitergenutzt werden kann.
Den Mehrkosten des Wendegetriebes mit hydraulischen Kupplungen stehen Kostenminderungen beim Turbo-Motor-Generator und der Krananlage sowie durch Wegfall einer gesonderten Anfahrvorrichtung, eines Druckstossreglers sowie einer Hochdruckkompressoren-Anlage gegenüber. Die Anlagekosten des Pumpspeichersatzes mit Wendegetriebe werden nicht grösser als bei einem starr gekuppelten Pumpspeichersatz. Die Gestehungskosten des Spitzenstromes werden infolge des besseren Speicherwirkungs-
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grades, des Wegfalles von Verlusten durch Anfahr- sowie Kompressorarbeit und Umschaltwassermengen sowie durch Verkürzung der Umschaltzeiten niedriger.
Ausführungsbeispiel : Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher er- läutert werden.
Eine Maschine 1 als Motor-Generator ist über ein koaxiales, hydraulisch betriebsschaltbares
Wechselgetriebe 2 mit einer Pumpenturbine 3 gekuppelt. Der Motor-Generator ist eine standardi- sierte elektrische Turbomaschine, die ständig nur in einer Drehrichtung läuft. Die Pumpenturbine stellt eine zweiflutige Ausführung dar, deren Drehzahlen für den Pump- und Turbinenbetrieb bezüglich des jeweiligen optimalen Wirkungsgrades verschieden und bezüglich der Drehrichtung entgegengesetzt sind.
Das Wechselgetriebe besteht aus einem mechanischen zweiteiligen Planetengetriebeteil und einem hydraulischen, dreiteiligen Kupplungsteil. Die beiden Planetengetriebe 4 und 5 sind nur konstruktiv ineinandergebaut, bezüglich der Momentenübertragung aber mechanisch unabhängig voneinander. Beim
Planetengetriebe 4 ist der Steg als Planetenradträger ruhend und links im Getriebegehäuse festge- setzt. Beim Planetengetriebe 5 ist das äussere Sonnenrad ruhend und am Steg des Planetengetriebes 4 betriebslösbar festgesetzt. Die zwei Ritzel der beiden Planetengetriebe 4 und 5 sind untereinander und mit der Welle der Maschine 1 betrieblich unlösbar gekuppelt.
Mit dem Läufer der Pumpenturbine ist eine zweiseitig ausgebildete Kupplungshälfte 6 fest verbunden und auf dessen Wellenstumpf fliegend angeordnet. Auf beiden Seiten dieser Kupplungshälfte 6 sind je eine Kupplungshälfte 7 und 8 angeordnet, die auf dem Wellenstumpf drehbar sind. Die Kupplungshälfte 8 ist mit dem äusseren Sonnenrad des Planetengetriebes 4, die Kupplungshälfte 7 mit dem Steg als Planetenradträger des Planetengetriebes 5 betrieblich unlösbar verbunden.
Die mit Hilfe dieser Getriebe-Kupplungsanordnungen durchführbaren Betriebsschaltungen haben zur Voraussetzung, dass einerseits der Rotor der Maschine 1 stets ununterbrochen in ein und derselben Drehrichtung netzsynchron läuft und anderseits die Pumpenturbine immer mit Wasser gefüllt bleibt.
1. Betriebsart : Anfahren der Maschine 1 zum synchronen Leerlauf und Phasenschieberbetrieb.
Kupplung. 6 ; 8 ist ohne Ölfüllung und belüftet, Kupplung 6 ; 7 ist mit Öl gefüllt, Pumpenturbine 3 wird hydraulisch im Leerlauf-Turbinenbetrieb hochgefahren, bis der Rotor der Maschine 1 die Synchrondrehzahl erreicht hat. Anschliessend wird Maschine 1 im Leerlauf-Generatorbetrieb mit dem Netz elektrisch synchronisiert. Momenteneinleitung bei 7, erniedrigte Momentenableitung an dem Rotor.
Wird anschliessend Kupplung 6 ; 7 entleert und belüftet, so läuft Maschine 1 im Phasenschieberbetrieb, wobei der Pumpenturbinenläufer zum Stehen kommt.
2. Betriebsart : Turbinenbetrieb aus Phasenschieberbetrieb. Kupplung 6 ; 7 wird gefüllt, wobei der Pumpenturbinenläuferim Turbinenbetrieb bis zur vollen Leistung im Generatorbetrieb in gleicher Drehrichtung hochgefahren wird. Momenteneinleitung bei 7, erniedrigte Momentenableitung am Rotor.
3. Betriebsart : Pumpenbetrieb aus Phasenschieberbetrieb. Kupplung 6i8 wird gefüllt, wobei der Pumpenturbinenläufer in umgekehrter Drehrichtung zum Rotor unter steigender Lastaufnahme im Motorbetrieb bis zum vollen manometrischen Druck hochgefahren wird. Momenteneinleitung am Rotor, erhöhte Momentenableitung bei 8.
4. Betriebsart : Turbinenbetrieb aus Pumpbetrieb. Gleichzeitig werden Kupplung 6 ; 8 entleert und Kupplung 6 ; 7 gefüllt. Hiebei tritt hydraulische Bremsung des Pumpenturbinenläufers in der Kupplung 6 ; 7 auf, bis zu dessen Stillstand. Hierauf wird derselbe sofort in entgegengesetzter Drehrichtung im Turbinenbetrieb mit steigender Lastaufnahme im Generatorbetrieb hochgefahren. Momenteneinleitung bei 7, erniedrigte Momentenableitung am Rotor.
5. Betriebsart : Pumpbetrieb aus Turbinenbetrieb. Gleichzeitig werden Kupplung 6 ; 7 entleert und
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gesetzter Drehrichtung zur Maschine 1 im Pumpbetrieb unter steigender Lastaufnahme im Motorbetrieb bis zum vollen manometrischen Druck. Momenteneinleitung am Rotor, erhöhte Momentenableitung bei 8.
6. Betriebsart : Phasenschieberbetrieb aus Turbinenbetrieb. Kupplung 6i7 wird entleert und belüftet. Pumpenturbinenläufer kommt zum Stillstand.
7. Betriebsart : Phasenschieberbetrieb aus Pumpbetrieb. Kupplung 6i8 wird entleert und belüftet.
Pumpenturbinenläufer kommt zum Stillstand.
Beim Phasenschieberbetrieb nach der 1. 6. und 7. Betriebsart laufen das Planetengetriebe 4 mit Kupplungshälfte 8 und das Planetengetriebe 5 mit Kupplungshälfte 7 momentenlos mit ent-
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gegengesetzter Drehrichtung gegenüber der stehenden Kupplungshälfte 6.
Sowohl bei Pump- als auch Turbinenbetrieb der 2. -5. Betriebsart läuft die Kupplungshälfte des Planetengetriebes der jeweils entleerten und belüfteten Kupplung momentenlos in entgegengesetzter Drehrichtung gegenüber der drehenden Kupplungshälfte 6.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die normal notwendigen hydraulischen und elektrischen Schaltvorgänge an der Pumpenturbine 3 und Maschine 1 weggelassen worden. Praktisch werden sie über Automatik parallel zu den vorbeschriebenen Schaltvorgängen durchgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pumpspeicheraggregat mit einer Pumpenturbine, deren Läufer bei Pump-bzw. Turbinenbetrieb entgegengesetzte Drehrichtung hat, und einem Motorgenerator, dessen Rotor mittels eines zwischenge-
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d u r ch g e ke nnz e i ch -net, dass der Läufer der Pumpenturbine (3) mit dem Rotor des Motorgenerators (1) über zwei betriebsschaltbare hydraulische Kupplungen (6 ; 8 bzw. 6 ;
7), von denen die eine Drehrichtungsumkehr bewirkt, über je ein mit der jeweils eingeschalteten Kupplung in Serie liegendes Planetengetriebe (4 bzw. 5) mit unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis im Sinne kraftschlüssiger hydraulischer Momentenübertragung verbunden ist.
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Planetengetriebe (4) der Steg der Planetenräder und bei dem ändern Planetengetriebe (5) das äussere Sonnenrad bei Momentenübertragung festgesetzt bzw. bei erforderlicher Momentenunterbrechung deren Festsetzungsvorrichtungen, beispielsweise Bremsen, betriebslösbar sind.