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:
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71 Umläufe bei 8 m und 100: Umläufe oder die Hälfte des ersten
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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
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wo Q1, Wasser- Gefälle H2, und Leistung bei Gefälle H1 ³ PS2, Leistung bei
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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:
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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:
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der totale Ungleichförmigkeitsgrad des Pen dels genannt, und die Werte:
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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)
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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.