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.
Hydroelectric machine group for highly variable slopes. Turbines of water power plants, which are subject to a strongly variable pressure level, for example caused by the ebb and flow of the sea, suffer a significant loss of the energy developed. This is particularly the case with low inclines, where a moderate, absolute change in incline immediately makes up a considerable percentage of the normal incline. For example, if the normal useful gradient is 4.5 meters, the highest gradient 6 m and the lowest gradient 2 m, the total variation is 4 in or 88.8% of the normal gradient.
As is well known, the speed of a turbine is proportional to the square roots of the useful gradient. For example, if it is 100 revolutions per minute, at 16 on a slope, it is still:
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71 laps at 8 m and 100: laps or half of the first
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Amount when the slope has decreased to a quarter (4 m) of the same.
A turbine that is directly coupled to a three-phase generator must always have the same speed, otherwise the number of periods of the current changes, in which case parallel operation with other generators is impossible. If the turbine were designed normally for 100 revolutions with a 16 m usable gradient, then with 4 m instead of 50 revolutions it would have to make twice as many, namely 100, in order to generate electricity with the correct number of periods. However, a speed increased by 100% from the normal results in such unfavorable hydraulic efficiency that it is uneconomical to use the turbine for such operating conditions.
By using belt drives or the like, with suitable gear ratios, the speed of the generator could gradually remain at the normal level. However, this is especially not possible with larger units and especially for a mechanically favorable direct coupling between turbine and generator.
The energy developed by the turbine is even more sensitive to a change in the usable gradient, sometimes because of the gradient itself, but then also because of the ability to swallow. It is known: amount on slope H1 ³ Q2, amount of water
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where Q1, water gradient H2, and power at gradient H1 ³ PS2, power at
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where PS1 slope H2.
However, the power of the turbine is also subject to the change in efficiency, which deviates all the more fully from the best value as the speed is greater or less than the normal speed.
If, for example, the power is 4000 HP at a useful gradient of 16 m, then at 4 ni according to the above formula it is only 500 HP, seldom any loss due to lower efficiency. If the turbine now has to maintain its 100 revolutions, it has to run twice as fast as is necessary to be able to maintain its normal efficiency. So the efficiency of the masses will decrease, so that nothing at all will be left of the 500 HP, so where the turbine no longer has any power, thus becoming a dead capital investment.
For medium-sized or high, variable gradients or in general for those proportions in which horizontal-axis units can be used, the problem of good gradient utilization has been solved by arranging the hydraulic part, for example, in two separate machines, which are each on the one side of the generator. U.S. Patent 1,023,585, dated 12th April, built by the inventor in 1911 (and patented in the United States of America).
April 1912) hydroelectric machine group, which consists of a generator, the rotating shaft of which is supported in two bearings, and on each of the two ends of which a reaction turbine runner is placed on the fly, can be designed in such a way that one turbine runner is used to utilize the high gradient and the impeller opposite the generator is used to take advantage of the low gradient. Here the absolute speeds of the turbines are of course the same, while the individual outputs of the turbines can be adapted to the relevant gradients and water volumes according to the capacity of the generator.
In the case of highly variable, low slopes, a horizontal axis unit is not permitted for several reasons, and the arrangement of two turbines cannot be carried out in an advantageous manner, especially if the same must be directly coupled with a generator.
In the machine group forming the subject of the invention, the problem is solved in that not two different turbines are used, but two different generators, which are, however, assembled in a complex and are directly coupled to the turbine.
The drawing shows an exemplary embodiment of the machine group forming the subject of the invention.
The turbine A is directly coupled to the rotors of the electrical power generator B-B 'and the exciter C. All rotating parts of this machine group are supported in the thrust bearing D. The turbine is set automatically by means of a regulator acting on the regulating shaft E.
The power generators BB 'have a pole wheel attached to the main shaft in common, which carries two different pole sets B1 and B'1, in such a way that the one set B1 at a speed n and a pole number z, the number of periods necessary for power generation p results and the other set B'1 results in the same number of periods p at a speed n 'and a number of poles z'. Likewise, two separate stators B2 and B'2 are provided, corresponding to the two pole sets B1 and B'1. The exciter is dimensioned so that it can be used for one of the two generators.
The total gradient to be fully utilized by the turbine may be variable between the limits H and H '. It is now divided into two partial slopes li and h 'in such a way that h is delimited between H and Hm and h' between Hm and H '. For each of the two partial gradients h and h ', the most favorable speed n and n' of the turbine is selected so that the desired common number of periods p is achieved with a corresponding even number of poles. For example, let the best speeds of the turbine be 150 for the slope h and 120 for the slope h '. Then the pole set B1 receives 40 poles and the other pole set B'1 50 poles if current of 50 periods is required.
In the case of the low gradient h 'the turbine does of course less when fully open than with the higher gradient h, so the generator B' can accordingly be provided for a ge smaller capacity so that it works with the most favorable efficiency.
The speed of the entire unit A-B-B'-C-D can be kept within the desired limits by an automatic controller of known type.
If the drive of the pendulum of the controller is done mechanically, i.e. directly from the main shaft, two gear ratios corresponding to the different speeds n and n 'of the turbine must be provided, for example two belts with corresponding pulleys and clutches.
Another way of regulating the two speeds n and n 'can be seen in FIGS. 2 and 3 and can be achieved as follows: FIG. 2 schematically shows a servomotor C of a generally known type that actuates the control apparatus of the turbine. The regulating valve V 'receives fluid pressure p and ver shares the same according to the position of its control piston V1 on the front px or the rear py of the working piston C1. The movement of the working piston is transmitted to a return line R. The pendulum P is obtained from a drive T at the speed corresponding to the tur bine, and transmits its sleeve movement to the flying lever V-P-R.
As soon as the control piston V1 is lifted from its central position, hydraulic fluid p reaches the front side px of the working piston, so that the same moves until the control piston V1 has reached its previous central position again. This is accomplished by the return R1 and the flying lever RPV, in such a way that a forward movement of the working piston C1 causes a corresponding upward movement of the lever end R, so that the lever end V, which was first lifted by the pendulum, is now lowered again with the control piston V1 becomes.
If, for example, f 'and f denote certain total strokes of the return, the corresponding sleeve strokes at P would be:
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Each sleeve layer now corresponds to a certain speed of the pendulum, if it is built statically. Let the speed of the uppermost sleeve layer, as in the diagram, Fig. 3, be indicated with nt, that of the middle layer with nm, that of the bottom layer with no, then, as is well known, the value is:
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called the total degree of irregularity of the pendulum, and the values:
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then mean the degrees of non-uniformity of partial strokes of the sleeve, or corresponding return strokes f 'and f.
With reference to the action of the servomotor, these strokes (f 'and f) are referred to as the active (i.e., necessary to generate the total stroke of the working piston C1) sleeve strokes of the pendulum.
By moving the handwheel (Fig. 2) R2 on the feedback rod R1 up or down, these active feedback strokes f 'and f can be distributed over the entire distance (Fig. 3) F as desired. The middle positions n 'and n of the corresponding active sleeve strokes are therefore also within the total sleeve stroke limited by the speeds n and n', and with the same also the speeds of the turbine. The total sleeve stroke of the pendulum now becomes large elected, as well as the corresponding difference in circulation payers nt-ho, ie
i.e. the corresponding degree of irregularity of the pendulum (very statically working pendulum)
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in this way it can be achieved that the speeds n and n 'required for the turbine (FIG. 1) A, according to the two generators B and B', can easily be regulated by the same controller. By appropriate selection of the position of the handwheel R2 (Fig. 2) it is possible once around the center position r of the return, which of the sleeve position for the speed n, and the other time around the center position r ', which of the sleeve position for the rotation speed n' be adjusted out. For example: So = 40%; S '= S = 6%; n = 150; n '= 120, then mm = 135; furthermore n2 = 154.5; n1 = 145.5; n '2 = 123.6; n'1 = 116.4 and finally nt = 162 and no = 108.
The ranges 1, 2, 3 and 4 indicated in Fig. 3 would correspond to a speed difference of 7.5-10.5, -11.4 and 8.4, with a considerable variation in both speed ranges n and n ' up and down too.
With this arrangement it is achieved that both speeds n and n 'can be set with the same drive of the pendulum and with the same controller.
Another way of regulating the two speeds n and n 'is possible by using a direct drive of the pendulum by means of an electric (synchronous) motor, which receives the current either directly from generator B with the number of periods p or directly from generator B' the same number of periods p.
It should also be emphasized that A and BB 'of such a unit can be built in such a way that A once as a turbine, rotating in a rotational sense, emits power and converts it at their speeds n and n' into electrical energy with the same number of periods p, the other times, rotating in a rotational speed opposite the first, works as a pump, with A absorbing the energy which is supplied by the generators B and B ', which now work as motors, under the same number of periods p, but at different speeds n and n' becomes.