CS258107B2 - Turbo-set with hydraulic propeller turbine - Google Patents

Description

Vynález se týká turbosoustrojí s vodní vrtulovou turbinou s pevnými lopatkami, spojenou s generátorem napájejícím přes kmitočtově regulovatelný měnič síť o konstantním kmitočtu 50 nebo 60 Hz, přičemž otáčky turbosoustrojí jsou spojitě regulovatelné pro optimální účinnost při odevzdávaném elektrickém výkonu a podle hydraulických poměrů.

¹ Z francouzského spisu A-2 406 093 je znáimé turbosoustrojí tohoto typu, napájející sít s konstantním kmitočtem. Turbosoustrojí je určeno pro průtok s imalým spádem, kde dosažitelný odevzdávaný výkon turbiny je Omezený, takže při použití vrtulové turbiny ♦s nenatáčivými lopatkami se dosáhne zjednodušení konstrukce a snížení nákladů a 'do sítě se odevzdává proud konstantního kmitočtu i při proměnlivých otáčkách.

Účinnost turbosoustrojí lze optimalizovat, protože otáčky se regulují podle hydraulických poměrů a elektrického výkonu.

Z německého spisu DE-A 2 845 930 je známé zařízení к přeměně kinetické energie 'na elektrickou, kde asynchronní stroj s kroužkovou kotvou, poháněný vodní turbinou, napájí síť s konstantní frekvencí. Rotor asynchronního' stroje je spojen přes statický měnič proudu se stejnou kmitočtově 'konstantní sítí jako stator a asynchronní 'stroj může tedy pracovat s různými otáčkami podle výkonu turbiny. Pomocí počítače lze dosáhnout toho, aby turbina pracovala vždycky v optimálním bodě rychlostního rozsahu hnacího média, tedy v celém provozním rozsahu s maximální možnou účinností a nejvyšším využití hnací energie.

U turbosoustrojí se rozlišuje turbosoustrojí s přímotočnou turbinou, kde turbina má vodorovný nebo šikmý hřídel, a turbosoustrojí s turbinou se svislým hřídelem. Turbosoustrojí s přímotočnou turbinou byla nejprve konstruována s vrtulovou turbinou 's nenastavitelnými pevnými oběžnými lopatkami, kde rotor generátoru byl umístěn přímo na vnějším věnci oběžného kola vrtulové turbiny.

Taková mechanicky jednoduchá a robustní vrtulová turbina však má tu nevýhodu, že v důsledku nepřestavitelnosti oběžných lopatek -a v důsledku konstantních otáček podmíněných generátorem je účinnost při dílčím zatížení velice špatná.

Potom byly vyvinuty axiální turbiny s natáčivými oběžnými lopatkami. Kaplanovy 'turbiny, které se používají v říčních elektrárnách převážně se svislým hřídelem. S hřídelem je spojen generátor, který má rovněž svislý hřídel a je umístěn vně prostoru proudění. I v turbosoustrojích s příJmotočnými turbinami se používá Kaplanových turbin s natáčivými oběžnými lopatkami, u kterých je pak generátor umístěn 'uvnitř proudového tělesa a je přímo poháiněn hřídelem Kaplanovy turbiny.

Poněvadž proudové těleso leží uvnitř přívodu vody к turbině, je prostor, který je к dispozici pro generátor, značně omezený, což vyvolává obtíže, pokud jde o dosažitelný výkon generátoru. Z tohoto důvodu bylo i pro turbosoustrojí s přímotočnou turbinou 'Kaplanova typu navrženo použití vnějšího věncového generátoru, přičemž věnec magnetového kola generátoru je odděleně hydrostaticky uložen na vnějším věnci Kaplanovy turbiny. Tato konstrukce je však velice složitá.

Z amerického pat. spisu č. 3 422 275 je známé turbosoustrojí se svislým hřídelem, kde turbina má pevná oběžná kola a pohání generátor, jehož rotor je na vnitřní straně opatřen vodotěsným pláštěm, zejména z vyztuženého plastu. Generátor má masivní rotor a může být proveden i jako asynchronní stroj.

Z rakouského, spisu AT-B- 180 829 je známý asynchronní generátor, kde hlava statorového vinutí je vyhnuta о 90⁹.

Účelem vynálezu je zvýšit účinnost a využití turbosoustrofjí s vrtulovou turbinou, generátorem a měničem.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že mezi generátorem s kmitočtem nižším než 20 Hz a sítí je zapojen přímý měnič kmitočtu.

V turbosoustrojí podle vynálezu se použitím přímého měniče jako kmitočtového měniče mezi generátorem a sítí a použitím nízkého kmitočtu pod 20 Hz generátoru zdvojnásobí využití soustrojí. Protože střídavé ztráty jsou podstatně nižší, může pracovat s vyšším činitelem využití, který pak je

C ™ Di². L . n kde

Di je průměr vrtání generátoru,

L je jeho délka, n jsou otáčky a kVA jeho odevzdaný zdánlivý výkon.

Přesto, že turbosoustrojí musí imít měnič, odpovídají náklady na nízkofrekvenční generátor a přímý měnič nákladům na normální generátor s kmitočtem 50 nebo 60 Hz. Mimoto se dosáhne úspor použitím vrtulové 'turbiny a přesto má soustrojí při dílčím zatížení optimální účinnost v důsledku řízení kmitočtu generátoru přímým měničem. Účinnost je tedy vždycky dobrá a odpadají obtíže vznikající nepřizpůsobením, např. kavitace. Složitá mechanická regulace oběžného kola turbiny natáčením lopatek к přizpůsobení otáček odevzdávanému výkonu je nahrazena elektrickou regulací otáček.

U turbosoustrojí podle vynálezu může být generátor účelně asynchronního typu. Ke zjednodušení konstrukce je dále výhodné, když má rotor generátoru klečové vinutí a stator je opatřen na vnitřní straně vodotěsným pláštěm z nemagnetického a elektricky nevodivého materiálu a je upevněn vodo258107 těsně v· rouře turbiny na přírubách. Celý vnější věnec vrtulové turbíny a rotor generátoru, který je na něm upevněn, leží tedy uvnitř přívodního prostoru vody do turbiny. Tím se tepelné ztráty, které vznikají při provozu generátoru v klečovém vinutí rotoru, odvádějí velice jednoduchým způsobem proudící vodou.

Poněvadž je mimoto stator generátoru na vnitřním průměru vytvořen vodotěsně a je upevněn, přímo přírubami v troubě turbiny, odpadají dosud nezbytná rotující těsnění mezi rotujícím vnějším věncem turbiny a pevnou rourou turbiny, kde se nedá zabránit ztrátám prosakováním. Mimoto imá turbosoustrojí podle vynálezu normální známé přednosti, které skýtá použití asynchronního stroje jako· generátoru, což znamená, že odpadá budicí zařízení a přívod proudu do rotoru přes sběrací kroužky.

V důsledku nízkého- kmitočtu asynchronního stroje může být rotor generátoru masivní.

Dále se doporučuje umístit mezi vnější věnec vrtulové turbiny a příruby turbinové roury bezdoteková těsnění, například labyrintová, aby se zabránilo vniknutí velkých cizích těles do vzduchové mezery generátoru. V důsledku tlakového rozdílu mezi vstupem a výstupem vody z turbiny obtéká voda turbiny celý vnější věnec včetně klečového vinutí.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příklady provedení znázorněnými -na výkrese, kde znázorňuje obr. 1 schematicky řez turbosoustrojím, obr. 2 principiální schéma zapojení generátoru tohoto turbosoustrojí, obr. 3 řez jiným turbosoustrojím, obr. 4 řez turbosoustrojím se svislým hřídelem a obrázek 5 konstrukčně obměněné turbosoustrojí ve schematickém podélném řezu.

Na obr. 1 až 4 je pro stejné součásti použito stejných vztahových značek.

V turbosoustrojí podle obr. 1 je v protáhlém přívodním kanálu 1 vodní elektárny mezi opěrnými lopatkami 2 umístěna vrtulová turbina 3, před jejímž oběžným kolem 4 jsou umístěny nastavitelné rozváděči lopatky 5. Jednodílné oběžné kolo 4 má na náboji 6 a na vnějším věnci 7 přilité oběžné lopatky 8. Vnější věnec 7 je utěsněn vůči turbinové skříni 9 a nese mimoto rotor 10 generátoru 11.

Statorové vinutí 12 generátoru 11 napájí přes kmitočtově regulovatelný přímý .měnič 13 a pres transformátory 14 síť 15 o konstantním kmitočtu 50 Hz. Poněvadž přímý měnič 13 má na generátorové straně nižší frekvenci, je generátor 11 dimenzován pro (nižší frekvence než 20 Hz a je podstatně lépe využit než stroj s kmitočtem 50 Hz.

V důsledku kmitočtové regulovatelnosti přímého měniče 13 se mohou otáčky generátoru 11 a s ním spojené vrtulové turbiny 3 spojitě libovolně měnit, -takže na vrtulové 'turbině 3 lze pro každé zatížení nastavit 'optimální otáčky. I přes použití mechanic- ky velmi robustní vrtulové turbiny 3 s nezastavitelnými oběžnými lopatkami 8 je tedy účinnost velmi dobrá při dílčím zatížení.

Přímý měnič 13 je uložen ve strojovně 16 turbosoustrojí; spojovací vedení mezi generátorem 11, přímým měničem 13 a transformátory 14, a přívody к síti 15 nejsou znázorněny, jsou však provedeny běžným způsobem.

Obr. 3 ukazuje vodní elektrárnu s jiným turbosoustrojím, kde v přívodním kanálu 1 je uloženo pomocí opěrných lopatek 2 proudové těleso 17, na jehož konci leží vrtulová turbina 3. Vodorovný hřídel 18 vrtulové turbiny 3 pohání schematicky naznačený generátor 11, uložený uvnitř proudového tělesa 17. I v tomto případě je přímý měnič 13 umístěn ve strojovně 16.

Na obr. 4 je znázorněno turbosoustrojí se svislým hřídelem. Axiální turbina se svislým hřídelem 19 je i v tomto případě provedena jako vrtulová turbina 3 a její svislý hřídel 19 pohání generátor 11. Přímý měnič 13 je umístěn ve strojovně 16. Použitím vrtulové turbiny 3 místo dosavadní obvyklé Kaplanovy turbiny, která je běžná u takových turbosoustrojí se svislým hřídelem, je hydraulická část turbosoustrojí podstatně zjednodušena. Přesto však není třeba žádných přídavných nákladů a zařízení, pokud jde o elektrickou regulaci otáček turbosouštrojí, prováděnou pomocí přímého měniče 13, poněvadž přímý měnič 13 je umístěn ve strojovně 16, kde je dostatek .místa.

Obměněné provedení turbosoustrojí podle obr. 5 sestává z vrtulové turbiny 21 s pevnými oběžnými lopatkami 22 a z generátoru 23 asynchronního typu, jehož rotor 24 s klečovým vinutím 25 je nesen přímo vnějším věncem 26 vrtulové turbiny 1. Jak rotor 24, tak vnější věnec 26 jsou masivní.

Stator 27 generátoru 23 sestává z tělesa 28, jehož kruhové stěny 29 nesou svazek 30 statorových plechů a statorové vinutí 31. 'Aby byla axiální délka statoru 27 poměrně malá, je čelo 32 statorového vinutí 31 vyhnuté o 90° od osy stroje a probíhá tedy rovnoběžně s čelními plochami svazku 30 statorových plechů a s kruhovými stěnami '29. Vně před čelem 32 leží z každé strany prstencový kotouč 33, který sahá až к prstenci 34 z nemagnetické oceli, jenž navazuje z obou stran na svazek 30 statorových plechů.

Průměr vnitřního vrtání 35 svazku 30 odipovídá vnitřním průměru prstence 34, takže oba tvoří vnitřní stranu statoru 27. Kruhové stěny 29 tělesa 28 statoru 27, prstenec 34 a prstencový kotouč 33 jsou spolu spojeny .a tvoří společně tuhý rám. Čelo 32 vinutí je proti tomuto ráimu vyztuženo opěrnými Ikusy 36 z plastické hmoty.

' Mimoto je vnitřní strana statoru 27 potažena vodotěsným pláštěm 37 z nemagnetic'kého a elektricky nevodivého materiálu, jehož okraje 44 jsou přetaženy přes vnější prstencové kotouče 33. Vodotěsný plášť 37 sestává z umělé pryskyřice vyztužené skleněnými vlákny.

Celý stator 27 generátoru 23 je upevněn pomocí neznázorněných upevňovacích prostředků na přírubách 38 roury 39 vrtulové turbiny 21. Stator 27 je tedy vodotěsně uložen uvnitř roury 39 pomocí přírub 38 a omezuje přívodní kanál. Tlak vody je v tomto místě zachycován svazkem 30 statorových plechů a prstenci 34 a nikoliv pláštěm -37, který tvoří pouze v podstatě vodotěsné 'utěsnění.

¹ Rotor 24 generátoru 23 se svým klečovým vinutím 25 leží tedy ve vodním prostoru a 'je omýván vodou. Pouze mezi přírubami 38 'a čely 49 vnějšího věnce 26 jsou umístěna labyrintová těsnění 41, která zabraňují vnikání hrubších cizích těles do vzduchové mezery 42 generátoru 23, ale nebrání průtoku vody oběžnými lopatkami 22. Tepelné ztráty vznikající při provozu generátoru 23 v klečovém vinutí 25 jsou velice jednoduchým způsobem odváděny proudící vodou.

Statorové vinutí 31 generátoru 23 napájí přes kmitočtově regulovatelný přímý měnič 43 a přes transformátory síť s konstantním kmitočtem. V důsledku kmitočtové regulovatelnosti přímého- měniče 43 lze otáčky 'generátoru 23 a s ním spojené vrtulové turbiny 21 spojitě libovolně měnit, takže na vrtulové turbině 21 lze nastavit pro každé 'zatížení a pro každý spád vody optimální otáčky. V důsledku toho je při dílčím zatížení velmi dobrá účinnost i přes použití mechanicky velice robustní vrtulové turbiny 21 s nenastavitelnými oběžnými lopatkami

Claims (10)

1. Turbosoustrojí s vodní vrtulovou turbinou s pevnými lopatkami, spojenou s generátorem napájejícím přes kmitočtově regulovatelný měnič síť o konstantním kmitočtu '50 nebo 60 Hz, přičemž otáčky turbosou'strojí jsou spojitě regulovatelné pro optihnální účinnost při odevzdávaném elektrickém výkonu a hydraulických poměrech, vyznačené tím, že mezi generátorem (11, 23) ‘s kmitočtem nižším než 20 Hz a sítí (15) 'je zapojen přímý měnič (13, 43) kmitočtu.

2. Turbosoustrojí podle bodu 1, vyznačené tím, že generátor (11) je svým rotorem '(10) nasazen na vnějším věnci (7) oběžného kola (4) vrtulové turbiny (3) turbosouZtrojí s přímotočnou turbinou, 'ětizlatálýžadní

3. Turbosoustrojí podle bodu 1, vyznačené tím, že generátor (11) je umístěn v proudovém tělese (17) a je spojen s hřídelem ‘(18) vrtulové turbiny (3) turbosoustrojí s 'přímotočnou turbinou.

'

4. Turbosoustrojí podle bodu 1, vyznačené tím, že generátor (11) má svislý hřídel 'spojený se svislým hřídelem (19) vrtulové turbiny (3).

5. Turbosoustrojí podle bodů 2 až 4, vy značené tím, že generátor (11, 23) je asynchronního typu.

6. Turbosoustrojí podle bodů 1 a 5, vyznačené tím, že generátor (23) má rotor (24) s klečovým vinutím (25) a stator (27) je na vnitřní straně opatřen vodotěsným 'pláštěm (37) z nemagnetického a elektricky nevodivého materiálu a je upevněn vodotěsně na přírubách (38) v rouře (39) vrtulové turbiny (21).

7. Turbosoustrojí podle bodu 6, vyznačené tím, že vodotěsný plášť (37) statoru (27) je z plastu vyztuženého skleněnými vlákny.

8. Turbosoustrojí podle bodů 6 a 7, vyznačené tím, že stator (27) má čelo (32) vinutí (31) vyhnuté o 90° proti ose generátoru (23).

9. Turbosoustrojí podle bodu 6, vyznačené tím, že rotor (24) generátoru (23) je kompaktní.

10. Turbosoustrojí podle bodů 6 a 8, vyznačené tím, že mezi přírubami (38) roury (39) a vnějším věncem (26) vrtulové turbiny (21) jsou umístěna labyrintová těsnění (41).