CH403486A - Hydraulic storage system - Google Patents

Hydraulic storage system

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CH403486A
CH403486A CH754662A CH754662A CH403486A CH 403486 A CH403486 A CH 403486A CH 754662 A CH754662 A CH 754662A CH 754662 A CH754662 A CH 754662A CH 403486 A CH403486 A CH 403486A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
pump turbine
turbine
motor generator
pump
main
Prior art date
Application number
CH754662A
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German (de)
Inventor
Dziallas Richard Ing Dr
Original Assignee
Voith Gmbh J M
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Gmbh J M filed Critical Voith Gmbh J M
Publication of CH403486A publication Critical patent/CH403486A/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Description

  

      Hydraulische        Speicheranlage       Mit der Verwendung von Pumpenturbinen, also  von Strömungsmaschinen, die in der einen Durch  flussrichtung als Turbine und in der anderen Durch  flussrichtung als Pumpe betrieben werden, lassen sich  bei hydraulischen Speicheranlagen gegenüber der Ver  wendung gesonderter Turbinen und Pumpen erheb  liche maschinentechnische und bauliche Verein  fachungen erzielen.

   Allerdings haben diese Pumpen  turbinen den Nachteil, dass     ihr        Wirkungsgradoptimum     im Turbinenbetrieb bei einer Fallhöhe     liegt,    die etwa  5 bis 3-0 ö grösser ist als die Förderhöhe, bei der sie  bei derselben Betriebsdrehzahl im Pumpenbetrieb das  Wirkungsgradoptimum haben.     Wird    eine solche Pum  penturbine also in beiden     Durchflussrichtungen        mit     derselben Drehzahl betrieben, so arbeitet sie demzu  folge nur in der einen der beiden     Durchflussrichtungen,     also entweder im Turbinenbetrieb oder im Pumpen  betrieb, in einem günstigen Wirkungsgradbereich.

   Zur  Beseitigung dieses Nachteils bei der Verwendung von  Pumpenturbinen hat man daher schon vorgeschlagen,  die Pumpenturbinen mittels polumschaltbarer Motor  generatoren in den beiden Drehrichtungen mit ver  schieden grossen Drehzahlen zu betreiben, und zwar  im Pumpenbetrieb mit einer höheren Drehzahl als im  Turbinenbetrieb. Da die Erstellung grosser polum  schaltbarer Motorgeneratoren, d. h. grosser Motor  generatoren für zwei     verschiedene        Drehzahlen,    sehr  aufwendig und kostspielig ist, wurde diese Lösung  jedoch verhältnismässig selten angewendet, um so  mehr, als fast für jedes     Pumpenturbinenprojekt        ei-he     andere Drehzahlpaarung ausgeführt werden musste.  



  Die Erfindung gibt nun     einen    Weg an, der die  vorteilhafte Verwendung von     Pumpenturbinen    bei hy  draulischen Speicheranlagen gestattet. Sie besteht in  dem Vorschlag, bei einer hydraulischen Speicheran  lage     mit    einer im Turbinen- und im Pumpenbetrieb  mit gleicher und konstanter Drehzahl laufenden Pum-         penturbine,    diese     Pumpenturbine    für den überwiegen  den Teil der gesamten zu verarbeitenden Fall- bzw.

         Förderhöhe    auszulegen und ausserdem     eine    den Rest  der Fall-     bzw.        Förderhöhe    verarbeitende, der Haupt  pumpenturbine vor- oder nachgeschaltete, im Tur  binenbetrieb mit anderer Drehzahl als im Pumpen  betrieb und gegebenenfalls     mit        veränderbarer    Dreh  zahl betriebene     Zusatzpumpenturbine        vorzusehen.    Bei  einem solchen Vorgehen ist es in jedem Fall und in  einfacher Weise möglich,

   die     Gesamtfallhöhe    und     die          Gesamtförderhöhe        anteilmässig    so auf     die    Haupt  pumpenturbine und die     Zusatzpumpenturbine    aufzu  teilen, dass jede     dieser    beiden Maschinen, insbeson  dere aber die wirkungsgradmässig     wesentlich    bedeut  samere grosse     Hauptpumpenturbine,    sowohl im Tur  binenbetrieb als auch     im    Pumpenbetrieb in einem  günstigen Wirkungsgradbereich arbeitet, also auch  dann,

   wenn die     Zusatzpumpenturbine    zwecks An  passung an die     im    Betrieb etwa     schwankende        Ge-          samtfa\Ilhöhe    bzw.     Gesamtförderhöhe    mit     veränderh-          chen    Drehzahlen betrieben wird.

   Durch die Aufteilung  der     Gesamtfallhöhe    und der     Gesamtförderhöhe    auf  eine grosse     Hauptpumpenturbine    und eine     kleine    Zu  satzpumpenturbine ergibt sich u. a.

   aber auch der  Vorteil, dass zur Anpassung an     unterschiedliche    oder  etwa     ün    Betrieb     schwankende        Gesamtfallhöhen    und       Gesamtförderhöhen    die     Verhältnisse    an der grossen       Hauptpumpenturbine    unverändert beibehalten wer  den     können    und nur die Verhältnisse an der kleinen       Zusatzpumpenturbine    entsprechend verändert zu wer  den brauchen.  



       Während    die     leistungsmässig    grosse Hauptpumpen  turbine     vorteilhaft    unmittelbar     mit    einer nur für eine       einzige        Betriebsdrehzahl        ausgelegten    und daher ein  fachen und     billigen    elektrischen     Maschine    (Motor  generator) in     Antriebsverbindung    steht, kann die Ver  bindung der leistungsmässig kleinen Zusatzpumpen-           turbine        mit    dem elektrischen Teil der Anlage auf  verschiedene Weise erfolgen.

   So wird nach einem  Vorschlag der Erfindung für letztere ein gesonderter  polumschaltbarer Motor vorgesehen. Dabei ist es  möglich, die Drehzahlen so zu wählen, dass sich für  die Ausbildung der Polumschaltung besonders gün  stige Verhältnisse ergeben, so dass der material- und  kostenmässig an sich nicht sehr ins Gewicht     fallende     polumschaltbare Motorgenerator     einfach    und     billig     hergestellt werden kann.  



  Auf die     Ausbildung    des     Motorgenerators    für die       Zusatzpumpenturbine    als     polumschaltbarer    Motor  generator kann aber auch verzichtet werden, wenn  auf der Welle des Motorgenerators     für    die Haupt  pumpenturbine ein Hilfsgenerator     angeordnet        wird,     der im Pumpenbetrieb von dem aus dem Hauptnetz  gespeisten und als Motor laufenden Motorgenerator  für die     Hauptpumpenturbine    angetrieben wird und  entsprechend seiner Auslegung     eine    höhere als die  Netzfrequenz erzeugt.

   Durch Herstellen einer elektri  schen Verbindung zwischen dem     Hilfsgenerator    und  dem Motorgenerator für die     Zusatzpumpenturbine     kann bei gleichzeitigem Abschalten des letzteren  vom Hauptnetz, mit welchem er im Turbinenbetrieb  verbunden ist, diese höhere Frequenz des     Hilfsgene-          rators    dazu benutzt werden, den an sich nur für eine       einzige    Betriebsdrehzahl ausgelegten Motorgene  rator für die     Zusatzpumpenturbine    und damit auch  die     Zusatzpumpenturbine    selbst im Pumpenbetrieb       mit    einer Drehzahl     anzutreiben,

      die höher ist als die       Turbinenbetriebsdrehzahl.     



  Wird an Stelle des Hilfsgenerators auf der Welle  des Motorgenerators für die     Hauptpumpenturbine     eine als Motorgenerator ausgebildete Hilfsmaschine  angeordnet, so     kann    diese ausser zum Antrieb der Zu  satzpumpenturbine mit erhöhter     Pumpenbetriebsdreh-          zahl    auch noch als Motor zum Anfahren der belüfte  ten     Hauptpumpenturbine    bei Aufnahme des Pumpen  betriebes verwendet werden.

   In diesem Fall erhält der       Hilfsmotorgenerator        seinen    Strom mit Netzfrequenz  aus dem Hauptnetz, wobei selbstverständlich seine  elektrische Verbindung zum Motorgenerator für die       Zusatzpumpenturbine    unterbrochen     ist.     



  Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung  wird für die     Hauptpumpenturbine    und für die Zusatz  pumpenturbine ein einziger gemeinsamer Motorgene  rator vorgesehen, der nur für eine     einzige    Drehzahl,       nämlich    die     in    beiden Drehrichtungen gleich grosse  Betriebsdrehzahl der     Hauptpumpenturbine        .ausgelegt     ist.

   Während der Motorgenerator mit der     Hauptpum-          penturbine    direkt verbunden     wird,    erfolgt     dann    seine  Verbindung mit der     Zusatzpumpenturbine    über ein  Schaltgetriebe, so dass diese in jeder der beiden Dreh  richtungen mit einer anderen und gegebenenfalls ver  änderlichen Drehzahl     betrieben    werden kann. Das  Schalten des Getriebes kann hierbei in an sich be  kannter Weise     mittels    verschiebbarer Zahnräder z. B.  mittels mechanischer oder hydraulischer Kupplungen  bewirkt werden.

   Die verschiedenen gewünschten       Dbersetzungsverhältnisse    für die Zusatzpumpentur-         bine    könnten beispielsweise dadurch erzielt werden,  dass diese mit dem Motorgenerator über einen hydrau  lischen Wandler und eine Kupplung - wobei dann nur  eine einzige     Zahnradübersetzung    erforderlich wäre   oder aber auch über zwei hydraulische     Wandler    ver  bunden wird.  



  Bei entsprechender Aufteilung der Fallhöhen-     bzw.          Förderhöhenanteile    auf die     Hauptpumpenturbine    und  die     Zusatzpumpenturbine    kann     schliesslich    aber auch  eine solche     Anordnung        getroffen    werden, bei der die       Zusatzpumpenturbine    im Pumpenbetrieb zusammen  mit der     Hauptpumpenturbine    vom gemeinsamen Mo  torgenerator angetrieben wird, in der entgegengesetz  ten     Drehrichtung    jedoch, also im Turbinenbetrieb,

    entsprechend der durchfliessenden Strömung nur im  Leerlauf ohne Kraftübertragung mit der     Hauptpum-          penturbine    mitläuft. Besonders günstige Verhältnisse  würden sich hierbei insbesondere dann ergeben, wenn,  wie von der Erfindung weiterhin vorgeschlagen wird,  als     Zusatzpumpenturbine    eine solche mit verstellbaren       Laufradschaufeln,    also beispielsweise eine     Kaplan-          Pumpenturbine,    verwendet würde.

   In diesem Fall  wäre es nämlich möglich, die     Laufradschaufeln    der  Zusatzmaschinen bei Turbinenbetrieb auf einen gro  ssen Öffnungswinkel     einzustellen,    so dass die bei Tur  binenbetrieb im Leerlauf mitlaufende Zusatzmaschine  nur geringe     Fallhöhenverluste    verursachen würde.  



  Die     Fig.    1 der Zeichnung zeigt in schematischer  Darstellung die bisher bekannte Art der Verwendung  von Pumpenturbinen bei hydraulischen Speicheran  lagen, während in den       Fig.    2 bis 7 ebenfalls in schematischer     Darstellung          einige    erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele gezeigt  sind.  



  Bei der bisher üblichen Ausführungsart gemäss       Fig.    1 wird das gesamte Gefälle (im Turbinenbetrieb)  und die gesamte Förderhöhe (im Pumpenbetrieb) von  einer einzigen Pumpenturbine 1 verarbeitet bzw. er  zeugt, die mit dem Motorgenerator 2 in Antriebsver  bindung steht. Um einen einigermassen tragbaren  Wirkungsgrad zu erzielen, ist der Motorgenerator 2  als polumschaltbarer Motorgenerator für zwei ver  schiedene Drehzahlen ausgelegt, und zwar für eine       niedrigere    Drehzahl     n1    für Turbinenbetrieb und eine  höhere     Drehzahl        n2    für Pumpenbetrieb.  



  Die     Fig.    2 und 3 zeigen erfindungsgemässe Aus  führungsbeispiele, bei denen die     Gesamtfallhöhe    und  die     Gesamtförderhöhe    jeweils auf eine grosse       Hauptpumpenturbine    3 und eine kleine     Zusatzpum-          penturbine    4 aufgeteilt sind, wobei im einen Fall die       Zusatzpumpenturbine    4 der     Hauptpumpenturbine    3  vorgeschaltet und im anderen Fall nachgeschaltet  ist,

   und wobei     in    jedem der beiden Fälle die Haupt  pumpenturbine 3 mit einem nur für eine     einzige    Be  triebsdrehzahl n3     ausgelegten    Motorgenerator 5 und  die     Zusatzpumpenturbine    4 mit einem für zwei ver  schiedene Betriebsdrehzahlen, nämlich für eine nied  rige     Turbinenbetriebsdrehzahl        n.4    und eine höhere       Pumpenbetriebsdrehzahl        n5,    ausgelegten polumschalt  baren gesonderten Motorgenerator 6 in Antriebsver-           bindung    steht.

   Die     Zusatzpumpenturbine    4 wird dabei  im Pumpenbetrieb jeweils mit einer um soviel höheren  Drehzahl     n5    betrieben als im Turbinenbetrieb (Dreh  zahl     n4),    dass die von ihr erzeugte Förderhöhe gerade  um einen solchen Betrag grösser ist als die von ihr  verarbeitete Fallhöhe, wie die von der in beiden  Drehrichtungen mit gleicher Drehzahl     n3    betriebenen       Hauptpumpenturbine    3     erzeugte    Förderhöhe kleiner  ist als die von dieser verarbeitete Fallhöhe,

   so dass  also die von beiden Maschinen zusammen im Pum  penbetrieb erzeugte     Gesamtförderhöhe    gleich gross ist  wie die von ihnen im Turbinenbetrieb verarbeitete       Gesamtfallhöhe.     



  In     Fig.    4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt,  bei dem für die     Hauptpumpenturbine    3 und für die  dieser hier nachgeschaltete     Zusatzpumpenturbine    4  ein gemeinsamer, nur für eine einzige Betriebsdreh  zahl n7 ausgelegter Motorgenerator 7 vorgesehen ist.

    Während die     Hauptpumpenturbine    3 mit dem Motor  generator 7 in unmittelbarer Antriebsverbindung steht  und in beiden Drehrichtungen mit derselben Betriebs  drehzahl     n7    betrieben wird, steht die Zusatzpumpen  turbine 4 mit dem Motorgenerator 7 über das Zahn  radschaltgetriebe 8 in mittelbarer Antriebsverbindung  und wird entsprechend der gewählten     Übersetzung     zwischen dem auf der     Hauptmaschinenwelle    13 gegen  Verdrehen gesichert axial     verschieblich    angeordneten  Zahnrad 9 und dem festen Zahnrad 10 bzw.

   zwischen  dem in gleicher Weise auf der     Hauptmaschinenwelle     13 angeordneten Zahnrad 11 und dem festen Zahn  rad 12 im Pumpenbetrieb     mit    einer anderen und ent  sprechend höheren Drehzahl     ng    betrieben als im  Turbinenbetrieb     (Drehzahl        n$).     



       Fig.    5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den  Fall einer solchen Auslegung der grossen     Hauptpum-          penturbine    3, bei der diese im Turbinenbetrieb die  gesamte Fallhöhe praktisch allein verarbeitet, im  Pumpenbetrieb dagegen nur eine kleinere     Förderhöhe     als die verlangte     Gesamtförderhöhe    erzeugt.

   Die An  ordnung ist hier dementsprechend so     gewählt,    dass  die     Zusatzpumpenturbine    4 bei Turbinenbetrieb im  Leerlauf mitläuft, zur Erzeugung der fehlenden     För-          derhöhe    dagegen bei Pumpenbetrieb von dem wieder  um für beide Pumpen 3 und 4 gemeinsamen und nur  für eine einzige Betriebsdrehzahl ausgelegten Motor  generator 7 angetrieben wird.

   Dazu ist auf der Haupt  maschinenwelle 14, über welche die Hauptpumpen  turbine 3 mit dem     Motorgenerator    7 in direkter An  triebsverbindung steht, ein axial     verschiebliches    lose       mitumlaufendes    Zahnrad 15 angeordnet, das mit  einem auf der     Zusatzmaschinenwelle    16,     axial        ver-          schieblich    und drehfest angeordneten Zahnrad 17 in  ständigem Eingriff ist.

   Das Zahnrad 15 ist     mit    Kupp  lungsklauen oder dergleichen 18 versehen, über wel  che es mittels des auf der     Hauptmaschinenwelle    14  axial     verschieblich    aber gegen Verdrehen gesichert  angeordneten     Kupplungsteiles    19 mit der Welle 14  drehfest verbunden und dadurch die Welle 14 mit der  Welle 16 in Antriebsverbindung gebracht werden  kann.         Im    Turbinenbetrieb wird - wie in der Zeichnung       dargestellt    - mit ausgerückter Kupplung 18, 19 ge  fahren.

   Dadurch ist die drehfeste Verbindung zwi  schen der Welle 14 und dem     Zahnrad    15     aufgehoben     und damit auch die     Antriebsverbindung        zwischen    den  Wellen 14 und 16, d. h. zwischen dem Motorgenera  tor 7 bzw. der     Hauptpumpenturbine    3 und der Zu  satzpumpenturbine 4 unterbrochen. Entsprechend  der     durchfliessenden    Strömung können sich also das  Laufrad der     Zusatzpumpenturbine    4 sowie die Welle  16 und die Zahnräder 17 und 15 im Leerlauf, d. h.

    mit einer von der Betriebsdrehzahl des     Motorgenera-          tors    7 bzw. der     Hauptpumpenturbine    3 unabhängigen  Leerlaufdrehzahl     mitdrehen,    so dass die     Zusatzpum-          penturbine    4 zur     Verarbeitung    der     vorhandenen    Fall  höhe praktisch nichts beiträgt.  



       Im    Pumpenbetrieb, also wenn die Zusatzpumpen  turbine 4 einen     bestimmten    Anteil der     verlangten          Gesamtförderhöhe    erzeugen soll,     wird    dagegen mit  eingerückter Kupplung 18, 19 gefahren.  



  Dabei ist     das    Zahnrad 15 mit der Hauptmaschinen  welle 14 drehfest verbunden, also die Antriebsverbin  dung zwischen den Wellen 14 und 16 und     somit    auch  zwischen dem Motorgenerator 7 bzw. der Haupt       pumpenturbine    3 und der     Zusatzpumpenturbine    4  hergestellt, so dass letzterer nunmehr vom Mo  torgenerator 7 mit einer     Pumpenbetriebsdrehzahl          ng    angetrieben wird,

   bei der sie entsprechend der  gewählten Übersetzung     zwischen    den     Zahnrädern    15  und 17 die     fehlende    Förderhöhe     erzeugt.    In dem       dargestellten    Beispiel ist die     Übersetzung    so gewählt,  dass die     Pumpenbetriebsdrehzahl        n9    der     Zusatzpum-          penturbine    n4 um einiges höher ist als die Betriebs  drehzahl der     Hauptpumpenturbine    3.  



  Bei dem Ausführungsbeispiel nach     Fig.    6 stehen  die     Hauptpumpenturbine    3 und die Zusatzpumpen  turbine 4 in     unmittelbarer    Antriebsverbindung mit  den Motorgeneratoren 20 bzw. 21, die beide als nor  male, d. h. als nicht     polumschaltbare        Motorgenera-          toren    für nur eine einzige Betriebsdrehzahl ausgebil  det sind.

   Um im Pumpenbetrieb die Zusatzpumpen  turbine 4 trotzdem in der gewünschten Weise     mit     einer höheren Drehzahl als im     Turbinenbetrieb    und  auch mit einer höheren Drehzahl als die     Hauptpum-          penturbine    3 betreiben zu     können,    ist auf der Haupt  maschinenwefle 23 ein     Hilfsgenerator    22. angeordnet,  der die dazu     erforderliche    höhere Frequenz für den  Antrieb des Motorgenerators 21 erzeugt.  



  Bei Turbinenbetrieb sind beide     Motorengenerato-          ren    20 und 21 an das gemeinsame elektrische Haupt  netz 24 angeschlossen. Dementsprechend arbeiten im  Turbinenbetrieb     sowohl    die     Hauptpumpenturbine    3  als auch die     Zusatzpumpenturbine    4 mit derselben  Frequenz auf das Netz 24. Die     elektrische    Verbindung  25, 2,6 zwischen dem Motorgenerator 21 und dem       Hilfsgenerator    22 ist hierbei unterbrochen, so dass  letzterer nur leer mitläuft.  



  Bei Pumpenbetrieb liegt der Motorgenerator 20  wiederum     am    Netz 24, dagegen ist der Motorgenera  tor 21 vom Netz 24 abgeschaltet und     dafür    die      elektrische Verbindung 25, 26 zwischen dem Motor  generator 21 und dem Hilfsgenerator 22 hergestellt.  Der Motorgenerator 20 erhält den zum Betreiben der       Hauptpumpenturbine    3 als Pumpe erforderlichen  Strom aus dem Netz 24.

   Dabei treibt der Motorgene  rator 20     gleichzeitig    auch den auf der Welle 23 an  geordneten Hilfsmotor 22 an, der jetzt über     die    her  gestellte Verbindung 25, 26 den     Motorgenerator    21       mit    Strom höherer als der Netzfrequenz beliefert, so  dass dieser nun die     Zusatzpumpenturbine    4 mit einer  höheren Drehzahl als im Turbinenbetrieb antreibt.  



  Wird     entsprechend        Fig.7    an     Stelle    des Hilfs  motors 22 auf der     Hauptmaschinenwelle    23 ein     Hilfs-          motorgenerator    27 angeordnet, der über eine elek  trische Verbindung 28, 29 an das Netz 24 angeschlos  sen werden kann,

   dann kann der     Hilfsmotorgenerator     27 ausser zum     Beliefern    des Motorgenerators 21 mit  Strom höherer     als    der     Netzfrequenz    zwecks Betreibens  der     Zusatzpumpenturbiine    4     mit    einer erhöhten     Pum-          penbetriebsdrehzahl    auch als     Anfahrmotor    für die  belüftete     Hauptpumpenturbine    3 bei Aufnahme des  Pumpenbetriebs verwendet werden. Hierzu     erhält    der  als Motor laufende     Hilfsmotorgenerator    27 seinen  Strom über die elektrische Verbindung 28, 29 aus  dem Netz 24.

   Wie in der     Fig.    7 dargestellt, ist hierbei  die Verbindung zwischen dem     flfsmotorgenerator    27  und dem Motorgenerator 21 sowie die Verbindung  zwischen letzterem und dem Netz 24 unterbrochen.



      Hydraulic storage system With the use of pump turbines, i.e. flow machines that are operated as a turbine in one flow direction and as a pump in the other flow direction, a considerable mechanical and structural combination can be achieved with hydraulic storage systems compared to the use of separate turbines and pumps achieve fills.

   However, these pump turbines have the disadvantage that their optimum efficiency in turbine operation is at a head that is about 5 to 3-0 ö greater than the delivery head at which they have optimum efficiency at the same operating speed in pump operation. If such a pump turbine is operated at the same speed in both flow directions, it consequently only works in one of the two flow directions, i.e. either in turbine operation or in pump operation, in a favorable efficiency range.

   To eliminate this disadvantage in the use of pump turbines, it has therefore already been proposed to operate the pump turbines by means of pole-changing motor generators in the two directions of rotation at different speeds, namely in pump mode at a higher speed than in turbine mode. Since the creation of large pole-changing motor-generators, i. H. large motor generators for two different speeds, is very complex and expensive, this solution was used relatively seldom, especially as a different speed pairing had to be carried out for almost every pump turbine project.



  The invention now provides a way that allows the advantageous use of pump turbines in hy draulic storage systems. It consists in the proposal that, in a hydraulic storage system with a pump turbine running in turbine and pump operation at the same and constant speed, this pump turbine for the predominant part of the total fall or fall to be processed.

         To design the delivery head and also to provide an additional pump turbine that processes the rest of the head or delivery head, upstream or downstream of the main pump turbine, in turbine operation at a different speed than in pump operation and, if necessary, with variable speed. With such a procedure it is possible in any case and in a simple manner

   Divide the total head and the total delivery head proportionally between the main pump turbine and the auxiliary pump turbine in such a way that each of these two machines, but in particular the large main pump turbine, which is much more important in terms of efficiency, works in a favorable efficiency range, both in turbine mode and in pump mode then,

   when the additional pump turbine is operated at variable speeds for the purpose of adaptation to the total head or total delivery head, which fluctuates during operation.

   By dividing the total head and the total head on a large main pump turbine and a small additional pump turbine results in u. a.

   but also the advantage that the conditions on the large main pump turbine can be kept unchanged to adapt to different or fluctuating total head heights and total delivery heights and only the conditions on the small additional pump turbine need to be changed accordingly.



       While the main pump turbine, which is large in terms of output, is advantageously directly connected to a drive connection, which is designed for only one operating speed and is therefore a simple and cheap electric machine (motor generator), the connection of the small, small in terms of performance, auxiliary pump turbine to the electrical part of the system can be different Way.

   Thus, according to a proposal of the invention, a separate pole-changing motor is provided for the latter. It is possible to choose the speeds so that particularly favorable conditions arise for the formation of the pole-changing, so that the pole-changing motor generator, which is not very important in terms of material and cost, can be produced simply and cheaply.



  The design of the motor generator for the auxiliary pump turbine as a pole-changing motor generator can also be dispensed with if an auxiliary generator is arranged on the shaft of the motor generator for the main pump turbine, which in pump operation is fed by the motor generator for the main pump turbine that is fed from the main network and runs as a motor is driven and, according to its design, generates a higher frequency than the mains frequency.

   By establishing an electrical connection between the auxiliary generator and the motor generator for the auxiliary pump turbine, this higher frequency of the auxiliary generator can be used for this purpose only for a single one, while the latter is disconnected from the main network to which it is connected in turbine operation Operating speed designed motor generator for the additional pump turbine and thus also to drive the additional pump turbine itself in pump operation at a speed,

      which is higher than the turbine operating speed.



  If, instead of the auxiliary generator, an auxiliary machine designed as a motor generator is arranged on the shaft of the motor generator for the main pump turbine, it can be used not only to drive the auxiliary pump turbine with increased pump operating speed but also as a motor to start up the ventilated main pump turbine when the pump starts operating will.

   In this case, the auxiliary motor-generator receives its current at mains frequency from the main network, with its electrical connection to the motor-generator for the auxiliary pump turbine being interrupted, of course.



  According to a further proposal of the invention, a single common motor generator is provided for the main pump turbine and the additional pump turbine, which is designed for only a single speed, namely the operating speed of the main pump turbine which is the same in both directions of rotation.

   While the motor generator is connected directly to the main pump turbine, it is connected to the auxiliary pump turbine via a gearbox so that it can be operated in each of the two directions of rotation at a different and possibly variable speed. The switching of the transmission can be done in a known manner by means of sliding gears z. B. be effected by means of mechanical or hydraulic clutches.

   The various desired gear ratios for the auxiliary pump turbine could be achieved, for example, by connecting it to the motor generator via a hydraulic converter and a clutch - in which case only a single gear ratio would be required or via two hydraulic converters.



  With a corresponding distribution of the head or delivery head proportions between the main pump turbine and the auxiliary pump turbine, an arrangement can ultimately also be made in which the auxiliary pump turbine is driven in pump operation together with the main pump turbine by the common motor generator, but in the opposite direction of rotation, that is in turbine operation,

    runs with the main pump turbine in accordance with the current flowing through it only when idling without power transmission. Particularly favorable conditions would result if, as is further proposed by the invention, an additional pump turbine with adjustable impeller blades, for example a Kaplan pump turbine, were used.

   In this case it would namely be possible to set the impeller blades of the auxiliary machines to a large opening angle during turbine operation, so that the auxiliary machine idling during turbine operation would cause only slight head losses.



  Fig. 1 of the drawing shows a schematic representation of the previously known type of use of pump turbines in hydraulic Speicheran were, while in Figs. 2 to 7 some embodiments according to the invention are also shown in schematic representation.



  In the previously customary embodiment according to FIG. 1, the entire gradient (in turbine operation) and the entire head (in pump operation) is processed by a single pump turbine 1 or it generates, which is with the motor generator 2 in Antriebsver connection. In order to achieve a reasonably sustainable efficiency, the motor generator 2 is designed as a pole-changing motor generator for two different speeds, namely for a lower speed n1 for turbine operation and a higher speed n2 for pump operation.



  2 and 3 show exemplary embodiments according to the invention, in which the total head and the total delivery head are each divided between a large main pump turbine 3 and a small additional pump turbine 4, with the additional pump turbine 4 upstream of the main pump turbine 3 in one case and downstream in the other is

   and in each of the two cases the main pump turbine 3 with a motor generator 5 designed for only one operating speed n3 and the auxiliary pump turbine 4 with one for two different operating speeds, namely for a low turbine operating speed n.4 and a higher pump operating speed n5, designed pole-changing separate motor generator 6 is in drive connection.

   The additional pump turbine 4 is operated in pump mode at a speed n5 that is so much higher than in turbine mode (speed n4) that the delivery head it generates is just such an amount greater than the head it processes, such as that of the in the head of the main pump turbine 3, which is operated at the same speed n3 in both directions of rotation, is less than the head of head processed by this,

   so that the total head generated by both machines together in pumping operation is the same as the total head processed by them in turbine operation.



  In Fig. 4, an embodiment is shown in which for the main pump turbine 3 and for this downstream additional pump turbine 4 here a common, designed only for a single operating speed n7 motor generator 7 is provided.

    While the main pump turbine 3 is in direct drive connection with the motor generator 7 and is operated in both directions of rotation with the same operating speed n7, the additional pump turbine 4 is in an indirect drive connection with the motor generator 7 via the gear transmission 8 and is according to the selected translation between the on the main engine shaft 13 secured against rotation axially displaceable gear 9 and the fixed gear 10 or

   between the arranged in the same way on the main engine shaft 13 gear 11 and the fixed gear wheel 12 operated in pump operation with a different and accordingly higher speed ng than in turbine operation (speed n $).



       5 shows an exemplary embodiment for the case of such a design of the large main pump turbine 3, in which it practically processes the entire head alone in turbine operation, whereas in pump operation it only generates a lower head than the required total head.

   The arrangement here is accordingly chosen so that the additional pump turbine 4 runs idle when the turbine is in operation, while in pump operation the motor generator 7, which is again common for both pumps 3 and 4 and only designed for a single operating speed, is used to generate the missing delivery head is driven.

   For this purpose, an axially displaceable, loosely rotating gear 15 is arranged on the main machine shaft 14, via which the main pump turbine 3 is in direct drive connection with the motor generator 7, which is connected to a gear 17 which is axially displaceable and rotationally fixed on the auxiliary machine shaft 16 is in constant engagement.

   The gear 15 is provided with coupling claws or the like 18, via wel che it by means of the axially displaceable but secured against rotation arranged coupling part 19 with the shaft 14 and thereby the shaft 14 is brought into drive connection with the shaft 16 can. In turbine operation - as shown in the drawing - go with disengaged clutch 18, 19 ge.

   As a result, the rotationally fixed connection between tween the shaft 14 and the gear 15 is canceled and thus the drive connection between the shafts 14 and 16, d. H. between the Motorgenera tor 7 or the main pump turbine 3 and the additional pump turbine 4 interrupted. Corresponding to the flowing flow, the impeller of the auxiliary pump turbine 4 as well as the shaft 16 and the gears 17 and 15 can be idle, ie. H.

    rotate at an idle speed that is independent of the operating speed of the motor generator 7 or the main pump turbine 3, so that the additional pump turbine 4 contributes practically nothing to processing the existing head.



       In pump operation, that is, when the additional pump turbine 4 is to generate a certain proportion of the required total delivery head, on the other hand, it is driven with the clutch 18, 19 engaged.



  The gear 15 is rotatably connected to the main engine shaft 14, i.e. the drive connection between the shafts 14 and 16 and thus also between the motor generator 7 or the main pump turbine 3 and the auxiliary pump turbine 4, so that the latter is now powered by the motor generator 7 is driven with a pump operating speed ng,

   in which it generates the missing head according to the selected translation between the gears 15 and 17. In the example shown, the gear ratio is selected such that the pump operating speed n9 of the auxiliary pump turbine n4 is somewhat higher than the operating speed of the main pump turbine 3.



  In the embodiment according to FIG. 6, the main pump turbine 3 and the auxiliary pump turbine 4 are in direct drive connection with the motor-generators 20 and 21, both of which are normal male, d. H. are designed as non-pole-changing motor generators for only a single operating speed.

   In order to be able to operate the additional pump turbine 4 in the desired manner with a higher speed than in the turbine mode and also at a higher speed than the main pump turbine 3 in the pump mode, an auxiliary generator 22 is arranged on the main maschinenwefle 23 required higher frequency for driving the motor generator 21 is generated.



  When the turbine is in operation, both motor-generators 20 and 21 are connected to the common main electrical network 24. Accordingly, both the main pump turbine 3 and the auxiliary pump turbine 4 operate at the same frequency on the network 24 in turbine operation. The electrical connection 25, 2, 6 between the motor generator 21 and the auxiliary generator 22 is interrupted, so that the latter only runs idle.



  During pump operation, the motor generator 20 is in turn connected to the network 24, but the motor generator 21 is disconnected from the network 24 and the electrical connection 25, 26 between the motor generator 21 and the auxiliary generator 22 is established. The motor generator 20 receives the power required to operate the main pump turbine 3 as a pump from the network 24.

   The motor generator 20 simultaneously drives the auxiliary motor 22 on the shaft 23, which now supplies the motor generator 21 with electricity higher than the mains frequency via the connection 25, 26 provided, so that this now the auxiliary pump turbine 4 with a higher Speed than in turbine operation.



  If, as shown in FIG. 7, instead of the auxiliary motor 22 on the main machine shaft 23, an auxiliary motor generator 27 is arranged, which can be connected to the network 24 via an electrical connection 28, 29,

   then the auxiliary motor generator 27 can also be used as a starting motor for the ventilated main pump turbine 3 when the pump starts operating, in addition to supplying the motor generator 21 with electricity higher than the mains frequency for the purpose of operating the auxiliary pump turbine 4 at an increased pump operating speed. For this purpose, the auxiliary motor generator 27 running as a motor receives its current via the electrical connection 28, 29 from the network 24.

   As shown in FIG. 7, the connection between the flfsmotorgenerator 27 and the motor generator 21 and the connection between the latter and the network 24 are interrupted.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Hydraulische Speicheranlage mit einer im Tur binen- und im Pumpenbetrieb mit gleicher und kon stanter Drehzahl laufenden Pumpenturbine, dadurch gekennzeichnet, dass diese Pumpenturbine (3) für den überwiegenden Teil der gesamten zu verarbeitenden Fall- bzw. Förderhöhe ausgelegt ist und dass ausserdem eine den Rest der Fall- bzw. Förderhöhe verarbei tende, der Hauptpumpenturbine (3) vor- oder nach geschaltete, im Turbinenbetrieb mit anderer Drehzahl als im Pumpenbetrieb betriebene Zusatzpumpentur- bine (4) vorgesehen ist. PATENT CLAIM Hydraulic storage system with a pump turbine running in turbine and pump operation at the same and constant speed, characterized in that this pump turbine (3) is designed for the predominant part of the total head or delivery height to be processed and that also one the The remainder of the head or delivery head processing, the main pump turbine (3) upstream or downstream, is provided in turbine operation with a different speed than in pump operation operated auxiliary pump turbine (4). UNTERANSPRÜCHE 1. Hydraulische Speicheranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Haupt- pumpenturbine (3) und für die Zusatzpumpenturbine (4) gesonderte Motorgeneratoren (5, 6) vorgesehen sind, von denen der für die Zusatzpumpenturbine (4) als polumschaltbarer Motorgenerator (6) oder als Mo torgenerator mit zwei Läufern ausgebildet ist. 2. SUBClaims 1. Hydraulic storage system according to patent claim, characterized in that separate motor generators (5, 6) are provided for the main pump turbine (3) and for the additional pump turbine (4), of which the one for the additional pump turbine (4) as a pole-changing motor generator (6) or designed as a motor generator with two rotors. 2. Hydraulische Speicheranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Haupt pumpenlurbine (3) und für die Zusatzpumpenturbine (4) gesonderte Motorgeneratoren (20, 21) vorgesehen sind und dass auf der Welle (23) des Motorgenerators (20) für die Hauptpumpenturbine (3) ein Hilfsgene rator (22) angeordnet ist, der im Pumpenbetrieb den vom Netz (24) abgeschalteten Motorgenerator (21) für die Zusatzpumpenturbine (4) mit Strom höherer als der Netzfrequenz speist. Hydraulic storage system according to patent claim, characterized in that separate motor generators (20, 21) are provided for the main pump turbine (3) and for the additional pump turbine (4) and that on the shaft (23) of the motor generator (20) for the main pump turbine ( 3) an auxiliary generator (22) is arranged, which feeds the motor generator (21), which is switched off from the network (24), for the additional pump turbine (4) with current higher than the mains frequency. 3. Hydraulische Speicheranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Haupt pumpenturbine (3) und für die Zusatzpumpenturbine (4) gesonderte Motorgeneratoren (20, 21) vorgesehen sind und dass auf der Welle (23) des Motorgenerators (20) für die Hauptpumpenturbine (3) ein Hilfsmotor- generator (27) angeordnet ist, der bei Aufnahme des Pumpenbetriebs als Anfahrmotor für die belüftete Hauptpumpenturbine (3) den Strom mit Netzfrequenz aus dem Hauptnetz (24) : 3. Hydraulic storage system according to patent claim, characterized in that separate motor generators (20, 21) are provided for the main pump turbine (3) and for the additional pump turbine (4) and that on the shaft (23) of the motor generator (20) for the Main pump turbine (3) an auxiliary motor generator (27) is arranged, which when starting the pump operation as a starting motor for the ventilated main pump turbine (3) the current with mains frequency from the main network (24): erhält und der im vollen Pumpenbetrieb als Generator den vom Netz abge schalteten Motorgenerator (21) für die Zusatzpum- penturbine (4) mit Strom höherer als der Netzfrequenz speist. 4. Hydraulische Speicheranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Haupt pumpenturbine (3) und für die Zusatzpumpenturbine (4) ein gemeinsamer Motorgenerator (7) vorgesehen ist, der mit der Hauptpumpenturbine (3) direkt und mit der Zusatzpumpenturbine (4) über ein Schaltge triebe verbunden ist. 5. and which, in full pump operation as a generator, feeds the motor generator (21) for the additional pump turbine (4), which is switched off from the mains, with current higher than the mains frequency. 4. Hydraulic storage system according to patent claim, characterized in that a common motor generator (7) is provided for the main pump turbine (3) and for the additional pump turbine (4), which is connected to the main pump turbine (3) directly and to the additional pump turbine (4) is connected via a gearbox. 5. Hydraulische Speicheranlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Zusatzpumpenturbine (4) mit verstellbaren Laufradschaufeln ausgebildet ist. Hydraulic storage system according to claim and dependent claims 1 to 4, characterized in that the additional pump turbine (4) is designed with adjustable impeller blades.
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