CH91045A - Hydroelektrische Maschinengruppe für stark veränderliche Gefälle. - Google Patents

Hydroelektrische Maschinengruppe für stark veränderliche Gefälle.

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CH91045A
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Arnold Pfau
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807Rotary generators
    • H02K7/1823Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Description


  Hydroelektrische Maschinengruppe für stark veränderliche Gefälle.    Turbinen von Wasserkraftanlagen, welche  einer stark veränderlichen Druckhöhe unter  worfen sind, zum Beispiel durch Ebbe und  Flut des Meeres hervorgerufen, erleiden eine  bedeutende Einbusse der entwickelten Energie.  Dies ist ganz besonders bei niedrigen Nutz  gefällen der Fall, wo eine noch mässige, ab  solute Gefällsveränderung sofort einen be  trächtlichen Prozentsatz des Normalgefälles  ausmacht. Ist zum Beispiel das normale Nutz  gefälle 4,5 Meter, das höchste Gefälle 6 m und  das niedrigste Gefälle 2 m, so beträgt die  totale Variation 4 in oder 88,8 % des nor  malen Gefälles.  



  Bekanntlich ist die Drehzahl einer Tur  bine proportional den Quadratwurzeln der  Nutzgefälle. Ist sie zum Beispiel 100 Um  läufe pro Minute, bei 16 in Gefälle, so ist sie  noch:
EMI0001.0000  
   71 Umläufe bei 8 m und  100: Umläufe oder die Hälfte des  ersten
EMI0001.0001  
   Betrages, wenn das Gefälle auf ein  Viertel (4 m) desselben gesunken ist.  



  Eine Turbine, welche mit einem Drehstrom  generator direkt gekuppelt ist, muss immer  dieselbe Drehzahl haben, denn sonst ändert    sich die Periodenzahl des Stromes, in wel  chem Falle dann ein Parallelgang mit andern  Generatoren unmöglich wird. Wäre also die  Turbine für 100 Umläufe bei 16 m Nutz  gefälle normal konstruiert, so müsste sie bei  4 m anstatt 50 Umläufe doppelt so viele,  nämlich 100 machen, um Strom von der rich  tigen Periodenzahl zu erzeugen. Eine von der  normalen um 100 % erhöhte Drehzahl ergibt  aber so ungünstige hydraulische Wirkungs  grade, dass es unwirtschaftlich ist, die Tur  bine noch für solche Betriebsverhältnisse zu ver  wenden.  



  Durch Anwendung von Riemengetrieben  oder dergleichen, niit geeigneten Übersetzungs  verhältnissen, könnte die Drehzahl des     Ge-          nerators    stufenweise auf der normalen er  halten bleiben. Dies ist aber namentlich bei  grösseren Einheiten und ganz besonders für  eine mechanisch so günstige direkte Kupp  lung zwischen Turbine und Generator un  möglich.  



  Die von der Turbine entwickelte Energie  ist noch in empfindlicherer Weise von einer  Veränderung des Nutzgefälles abhängig, ein  mal schon wegen des Gefälles selber, dann      aber auch wegen der Schluckfähigkeit. Es  ist bekanntlich:  menge bei Gefälle H1 ³ Q2, Wassermenge bei  
EMI0002.0000  
   wo Q1,     Wasser-          Gefälle    H2, und  Leistung bei Gefälle H1 ³ PS2, Leistung bei  
EMI0002.0003  
   wo PS1  Gefälle H2.  



  Die Leistung der Turbine ist aber auch  der Veränderung des Wirkungsgrades unter  worfen, welcher um so mehr voll dem besten  Betrage abweicht, jemehr die Drehzahl grösser  oder kleiner ist als die normale Drehzahl.  



  Ist also die Leistung zum Beispiel bei  16 m Nutzgefälle 4000 PS, so ist sie bei 4 ni  nach obiger Formel nur noch 500 PS,     abge-          selten    von irgendeiner Einbusse zufolge ge  ringeren Wirkungsgrades. Muss die Turbine  nun ihre 100 Umläufe beibehalten, so muss  sie doppelt so rasch laufen, als nötig ist, um  ihren normalen Wirkungsgrad beibehalten zu  können. Es wird also der Wirkungsgrad der  massen sinken, dass von den 500 PS über  haupt nichts mehr übrig bleibt, wo also die  Turbine gar keine Leistung mehr aufweist,  mithin eine tote Kapitalanlage wird.  



  Für mittelgrosse oder hohe, veränderliche  Gefälle oder überhaupt für solche Verhält  nisse, bei welchen horizontalaxige Einheiten  verwendbar sind, ist das Problem guter     Ge-          fällsausnutzung    dadurch gelöst worden, dass  der hydraulische Teil zum Beispiel in zwei  getrennten Maschinen angeordnet wird, welche  sicb je auf der einen Seite des Generators  befinden. Die vom Erfinder schon im Jahre  1911 gebaute (und in den Ver. Staaten Nord  amerikas patentierte U. S. Patent 1,023,585,  datiert 12.

   April 1912) hydroelektrische Ma  schinengruppe, welche aus einem Generator  besteht, dessen rotierende Welle in zwei La  gern abgestützt ist, und auf deren beiden  Enden je ein Reaktions-Turbinenlaufrad flie  gend aufgesetzt ist, kann so durchkonstruiert  werden, dass das eine Turbinenlaufrad zur  Ausnützung des hohen Gefälles und das dem  Generator gegenüberliegende Laufrad zur Aus  nutzung des niedrigen Gefälles dient. Hier    sind dann die absoluten Drehzahlen der bei  den Turbinen natürlich dieselben, während  die Einzelleistungen der Turbinen den betref  fenden Gefällen und Wassermengen, gemäss  der Kapazität des Generators, angepasst wer  den können.  



  Bei stark veränderlichen, niedrigen Ge  fällen ist eine horizontalaxige Einheit aus  mehrfachen Gründen unzulässig, und lässt sich  die Anordnung zweier Turbinen praktisch  nicht vorteilhaft durchführen, besonders wenn  dieselben mit einem Generator direkt gekup  pelt sein müssen.  



  Bei der den Gegenstand der Frfindung  bildenden Maschinengruppe wird das Problem  dadurch gelöst, dass nicht zwei verschiedene  Turbinen verwendet werden, sondern zwei  verschiedene, jedoch in einen Komplex zu  sammengebaute, und mit der Turbine direkt  gekuppelte Generatoren.  



  Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbei  spiel der den Erfindungsgegenstand bildenden  Maschinengruppe dar.  



  Die Turbine A ist direkt gekuppelt mit  den Rotoren der elektrischen Stromerzeuger  B-B' und der Erregermaschine C. Alle rotie  renden Teile dieser Maschinengruppe sind im  Spurlager D abgestützt. Die Turbine wird  mittelst eines auf die Regulierwelle E wir  kenden Reglers automatisch eingestellt.  



  Die Stromerzeuger B-B' haben ein auf  der Hauptwelle befestigtes Polrad gemein  sam, welches zwei verschiedene Polsätze B1  und B'1 trägt, und zwar so, dass der eine  Satz B1 bei einer Drehzahl n und einer Pol  zahl z, die für die Stromerzeugung nötige  Periodenzahl p ergibt und der andere Satz B'1  bei einer Drehzahl n' und einer Polzahl z'  dieselbe Periodenzahl p ergibt. Gleichermassen  sind zwei getrennte Statoren B2 und B'2  vorgesehen, entsprechend den zwei Polsätzen  B1 und B'1. Die Erregermaschine ist so be  messen, dass sie für je einen der zwei Gene  ratoren dienen kann.  



  Das     voll    der Turbine     auszunutzende    Ge  samtgefälle möge zwischen den Grenzen H  und H' veränderlich sein. Es wird nun in  zwei Teilgefälle     li,    und     h'    eingeteilt, und zwar      so, dass h zwischen H und Hm eingegrenzt  ist und h' zwischen Hm und H'. Für jedes  der zwei Teilgefälle h und h' wird nun die  günstigste Drehzahl n und n' der Turbine je  so gewählt, dass mit entsprechender gerader  Polzahl die gewünschte gemeinschaftliche  Periodenzahl p erreicht wird. Es seien zum  Beispiel die besten Drehzahlen der Turbine  150 für Gefälle h und 120 für das Gefälle h.'.  dann erhält der Polsatz B1 40 Pole und der  andere Polsatz B'1 50 Pole, wenn Strom von  50 Perioden verlangt wird.  



  Beim niedrigen Gefälle h' leistet die Tur  bine natürlich weniger bei voller Öffnung als  beim höheren Gefälle h, es kann somit der  Generator B' dementsprechend für eine ge  ringere Kapazität vorgesehen werden, damit  er mit günstigstem Wirkungsgrade arbeitet.  



  Die Drehzahl der gesamten Einheit  A-B-B'-C-D kann durch einen auto  matischen Regler bekannter Bauart innerhalb  der wünschbaren Grenzen gehalten werden.  



  Ist der Antrieb des Pendels des Reglers  mechanisch, das heisst direkt von der Haupt  welle bewerkstelligt, so müssen zwei, den  verschiedenen Drehzahlen n und n' der Tur  bine entsprechende Übersetzungen vorgesehen  werden, zum Beispiel zwei Riemen mit ent  sprechenden Scheiben und Kupplungen.  



  Eine weitere Art der Ausregulierung der  zwei Drehzahlen n und n' ist aus den Fig. 2  und 3 ersichtlich und kann folgendermassen  erreicht werden  Fig. 2 stellt schematisch einen den     Leit-          apparat    der Turbine betätigenden Servomotor C,  allgemein bekannter Bauart dar. Das Regulier  ventil V' erhält Flüssigkeitsdruck p und ver  teilt denselben gemäss der Stellung seines  Steuerkolbens V1 auf die Vorderseite px oder  die Rückseite py des Arbeitskolbens C1. Die  Bewegung des Arbeitskolbens wird auf eine  Rückführung R übertragen. Das Pendel P  wird von einem Antriebe T auf der der Tur  bine entsprechenden Drehzahl erhalten, und  überträgt seine Muffenbewegung auf den flie  genden Hebel V-P-R.

   Sobald der Steuer  kolben V1 aus seiner Mittellage gehoben wird,  gelangt Druckflüssigkeit p auf die Vorder-    seite px des Arbeitskolbens, so dass sich der  selbe so lange bewegt, bis der Steuerkolben V1  wieder seine frühere Mittellage erreicht hat.  Dies wird bewerkstelligt durch die Rückfüh  rung R1 und den fliegenden Hebel R-P-V,  in der Weise, dass eine Vorwärtsbewegung  des Arbeitskolbens C1 eine entsprechende Auf  wärtsbewegung des Hebelendes R bewirkt,  so dass das zuerst vom Pendel gehobene Hebel  ende V nun mit dem Steuerkolben V1 wieder  gesenkt wird.  



  Bezeichnet zum Beispiel f' und f gewisse  Totalhübe der Rückführung, so wären die  entsprechenden Muffenhübe bei P:  
EMI0003.0002     
    Jeder Muffenlage entspricht nun auch eine  bestimmte Drehzahl des Pendels, wenn das  selbe statisch gebaut ist. Es sei nun die  Drehzahl der obersten Muffenlage, wie im  Diagramm, Fig. 3, angedeutet, mit nt, die der  Mittellage mit nm, die der untersten Lage  mit no bezeichnet, dann wird bekanntlich der  Wert:  
EMI0003.0003     
    der totale Ungleichförmigkeitsgrad des Pen  dels genannt, und die Werte:  
EMI0003.0004     
    bedeuten dann entsprechend die Ungleich  förmigkeitsgrade von Teilhüben der Muffe,  oder entsprechender Rückführungshübe f'  und f.

   Mit Bezug auf die Tätigkeit des Servo  motors bezeichnet man diese Hübe (f' und f)  als aktive (d. h. zur Erzeugung des Gesamt  hubes des Arbeitskolbens C1 nötige) Muffen  hübe des Pendels.  



  Durch Verschiebung des Handrades (Fig. 2)  R2 auf der Rückführungsstange R1 nach oben  oder nach unten, können diese aktiven Rück  führungshübe f' und f beliebig über die ganze  Strecke (Fig. 3) F verteilt werden. Mithin  liegen dann auch die Mittellagen n' und n  der entsprechenden aktiven     Muffenhübe    inner  halb des durch die Drehzahlen     n,    und     n"    be  grenzten, totalen     Muffenhubes,    und mit den  selben auch die Drehzahlen der     Turbine.         Wird nun der totale Muffenhub des Pen  dels gross gewählt, wie auch der ihm ent  sprechende Unterschied der Umlaufzahlern  nt-ho, d. h.

   also der ihm zugehörige Un  gleichförmigkeitsgrad des Pendels (sehr sta  tisch arbeitendes Pendel)  
EMI0004.0000     
    so kann erreicht werden, dass die für die  Turbine (Fig. 1) A, gemäss der zwei Gene  ratoren B und B', nötigen Drehzahlen n und n'  ohne weiteres von demselben Regler aus regu  liert werden können. Durch entsprechende  Wahl der Lage des Handrades R2 (Fig. 2)  kann also einmal um die Mittellage r der  Rückführung, welche der Muffenlage für die  Drehzahl n, das andere Mal um die Mittel  lage r', welche der Muffenlage für die Dreh  zahl n' entspricht, ausreguliert werden  Es sei zum Beispiel:  So = 40 %; S' = S = 6  %; n = 150;  n' = 120, dann wäre mm = 135; ferner n2 =  154,5; n1 = 145,5; n' 2 = 123,6; n'1 = 116,4  und endlich nt = 162 und no = 108.

   Die in  Fig. 3 angedeuteten Spielräume 1, 2, 3 und 4  entsprächen also einem Drehzahlunterschied  vörl 7,5 - 10,5, - 11,4 und 8,4, lassen mit  hin noch eine namhafte Variation beider  Drehzahlanbereiche n und n' nach oben und  unten zu.  



  Mit dieser Anordnung wird also erreicht,  dass beide Drehzahlen n und n' mit demselben  Antriebe des Pendels und mit demselben  Regler eingestellt werden können.  



  Noch eine weitere Art der Ausregulierung  der zwei Drehzahlen n und n' wird möglich  durch Anwendung eines direkten Antriebes  des Pendels mittelst elektrischem (Synchron)  Motor, welcher den Strom entweder direkt  vom Generator B mit der Periodenzahl p er  hält oder direkt vom Generator B' mit der  selben Periodenzahl p.  



  Es sei ferner betont, dass A und B-B'  einer solchen Einheit so gebaut sein können,  dass A einmal als Turbine, in einem Dreh  sinne rotierend, Kraft abgibt und sie unter  deren Drehzahlen n und n' in elektrische    Energie gleicher Periodenzahl p umwandelt,  das andere Mal, in einem dem ersten ent  gegengesetzten Drehsinrre rotierend, als Pumpe  arbeitet, wobei A die Energie absorbiert, welche  je unter gleicher Periodenzahl p, aber unter  verschiedenen Drehzahlen n und n', von den  nun als Motoren arbeitenden Generatoren B  und B' geliefert wird.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Hydroelektrische Maschinengruppe, um bei stark veränderlichem Gefälle elektrischen Strom konstanter Periodenzahl zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Turbine, die für zwei verschiedene, dem veränderlichen Ge fälle entsprechende Drehzahlen regulierbar ist, und mit zwei in einen Maschinenkomplex vereinigte Wechselstromgeneratoren direkt ge kuppelt ist, welche so gebaut sind, dass der eine bei der einen, der andere bei der andern Drehzahl Strom von der gegebenen Perioden zahl erzeugt. UNTERANSPRÜCHE: 1.
    Hydroelektrische Maschinengruppe, nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der die Umlaufzahl der Turbine ein stellende Regler mit einem Pendel von grossem Muffenhube und grosser Ungleich förmigkeit versehen ist, dermassen, dass der zur hydraulischen Steuerung des Servo motors nötige, aktive Hub des Pendels nur einen Bruchteil des totalen Muffen hubes ausmacht, so dass aus dem totalen Muffenhube die zwei zur Einstellung der Drehzahlen der zwei Generatoren nötigen, aktiven Muffenhübe direkt verwendet wer den können, nämlich der obere Teil des totalen Muffenhubes für den Bereich der dein höheren Nutzgefälle der Turbine ent sprechenden höheren Drehzahl und der untere Teil des totalen Muffenhubes für den Bereich der dem niedrigeren Gefälle der Turbine entsprechenden niedrigeren Drehzahl. 2.
    Hydroelektrische Maschinengruppe, nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der die Drehzahl der Turbine ein- stellende Regler mittelst Elektromotor an getrieben wird, welcher den elektrischen Strom je von einem der zwei von der Turbine getriebenen Generatoren erhält. 3. Hydroelektrische Maschinengruppe, nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe nach Belieben einmal als Turbinegeneratoren, das andere Mal als Pumpemotorengruppe arbeiten kann.
CH91045D 1920-09-08 1920-09-08 Hydroelektrische Maschinengruppe für stark veränderliche Gefälle. CH91045A (de)

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