DE1068360B

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Publication number: DE1068360B
Application number: DENDAT1068360D
Authority: DE
Publication date: 1959-11-05

Description

Anlage mit einer Kraftmaschine und einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Kraftmaschine und zeitweise als Phasenschieber, zeitweise als Stromerzeuger arbeitenden, in ihrer Drehzahl an eine Netzfrequenz gebundenen elektrischen Maschine, welche eine die Betriebsleistung von der Kraftmaschine auf die als Generator laufende elektrische Maschine übertragende Kupplung und eine die Anfahrleistung von der als Phasenschieber bzw. als Motor laufenden elektrischen Maschine auf die Kraftmaschine übertragende hydraulische Kupplung aufweist.Plant with a prime mover and an electric machine The invention relates to a system with an engine and temporarily as a phase shifter, temporarily working as a power generator, its speed at a network frequency bound electrical machine, which is the operating power of the prime mover on the running as a generator electrical machine transmitting clutch and a the starting power of the electrical running as a phase shifter or as a motor Having machine on the engine transmitting hydraulic clutch.

Derartige Anlagen haben den Zweck, innerhalb eines Energieversorgungsnetzes in Zeiten geringer oder normaler Belastung des Netzes die notwendige Phasenregulierung durch die als Phasenschieber laufende elektrische Maschine vorzunehmen, während bei Belastungsspitzen vom Phasenschieberbetrieb auf Stromerzeugungsbetrieb übergegangen wird, wobei der Antrieb der elektrischen Maschine durch die Kraftmaschine erfolgt.Such systems have the purpose within an energy supply network the necessary phase regulation in times of low or normal load on the network by the electrical machine running as a phase shifter, while switched from phase shifter operation to power generation operation in the event of load peaks is, wherein the drive of the electric machine is carried out by the engine.

Zu diesem Zweck muß die Kraftmaschine, beispielsweise eine Gasturbine, angelassen werden, wofür bei Gasturbinenanlagen im allgemeinen ein gesonderter Anlaßmotor angeordnet ist, dessen Leistung ausreichend sein muß, um die Turbine mindestens auf diejenige Drehzahl zu bringen, die zum selbständigen Laufen derselben notwendig ist.For this purpose, the engine, for example a gas turbine, be started, for which purpose a separate starter motor in gas turbine systems in general is arranged, the power must be sufficient to the turbine at least to bring to the speed that is necessary to run the same independently is.

Beider Erfindung wird an Stelle eines gesonderten Anlaßmotors die als Phasenschieber laufende elektrische Maschine zum Anlassen der Gasturbine verwendet.In the case of the invention, instead of a separate starter motor, the used as a phase shifter running electrical machine to start the gas turbine.

Bei Notstromanlagen ist es üblich, ein aus einer Kraftmaschine und einem Stromerzeuger bestehendes Aggregat anzuordnen, welches bei Ausbleiben oder starkem Absinken der Netzspannung selbsttätig anläuft und nach Abschalten des Netzes die Versorgung der Verbraucher übernimmt. Bei einer bekannten Ausführungsform einer derartigen Anlage sind zwischen der Kraftmaschine und dem Stromerzeuger, der auch als Motor laufen kann, in Reihe eine ausrückbare Kupplung und eine Schlupfkupplung, z. B. eine Flüssigkeitskupplung, angeordnet. Wird nun die bei Stillstand der Kraftmaschine ausgerückte Kupplung nach Ingangsetzen der Maschine bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl eingerückt, so muß die Flüssigkeitskupplung mechanisch verriegelt sein. Eine solche Verriegelung ist aber bekanntlich mit erheblichem technischem Abfwand verbunden.In emergency power systems, it is common to use one from a prime mover and a power generator to arrange existing aggregate, which in the absence or starts up automatically after a sharp drop in the mains voltage and after the mains has been switched off takes over the supply of the consumer. In a known embodiment of a such equipment are between the prime mover and the generator, which also can run as a motor, a disengageable clutch and a slip clutch in series, z. B. a fluid coupling arranged. This is now the case when the engine is at a standstill disengaged clutch after starting the machine when reaching a certain If the engine speed is engaged, the fluid coupling must be mechanically locked. However, such a lock is known to involve considerable technical drawbacks tied together.

In vorteilhafter Weise werden diese Nachteile bei der erfindungsgemäßen Anlage dadurch vermieden, daß die beiden Kupplungen im gleichen Kraftübertragungsssytem zwischen den beiden zu kuppelnden Maschinen parallel wirkend angeordnet sind. Weiterhin weist die Erfindung noch den Vorteil auf, daß die Schlupfkupplung nur für die Übertragung der Anlaßleistung für die Turbine dimensioniert zu sein braucht, die nur einen Bruchteil der von der Turbine auf den Generator übertragenen Betriebsleistung bildet.These disadvantages are advantageously avoided in the case of the invention System avoided by having the two clutches in the same power transmission system are arranged acting in parallel between the two machines to be coupled. Farther the invention still has the advantage that the slip clutch is only used for transmission the starting power for the turbine needs to be dimensioned, which is only a fraction the operating power transferred from the turbine to the generator.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung kann ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die Anfahrleistung der als Motor laufenden elektrischen Maschine mit veränderter Drehzahl auf die anzufahrende Kraftmaschine übertragen wird.In an expedient embodiment of the invention, a reduction gear be provided, with the help of which the starting power of the electrical running as a motor Transfer machine with changed speed to the engine to be started will.

Hierbei ist es zweckmäßig, wenn eine ein- und ausrückbare mechanische Kupplung zwischen Kraftmaschine und Untersetzungsgetriebe vorgesehen ist, welche es gestattet, mindestens einen Teil des Untersetzungsgetriebes nach Beendigung des Anlaßvorganges im Normalbetrieb der Anlage auszurücken und stillzusetzen.It is useful if there is a mechanical one that can be engaged and disengaged Coupling is provided between the engine and the reduction gear, which it allows at least part of the reduction gear after completion of the To disengage and shut down the starting process in normal operation of the system.

Eine besonders zweckmäßige Anordnung ergibt sich hierbei, wenn das Untersetzungsgetriebe zwischen der ein- und ausrückbaren mechanischen Kupplung und der hydraulischen Kupplung angeordnet ist.A particularly expedient arrangement arises here if the Reduction gear between the mechanical clutch that can be engaged and disengaged the hydraulic clutch is arranged.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Anlage nach der Erfindung kann die ein- und ausrückbare mechanische Kupplung auch eine Überholungskupplung sein, welche ,als Freilauf wirkt, sobald der mit der Kraftmaschinenwelle im Eingriff befindliche Teil der Kupplung schneller läuft als der mit der elektrischen Maschine im Eingriff befindliche Teil.In an embodiment of the system according to the invention, the engageable and disengageable mechanical clutch can also be an overrunning clutch, which , acts as a freewheel as soon as it is in engagement with the engine shaft Part of the clutch runs faster than the one in engagement with the electrical machine located part.

In der Zeichnung sind Beispiele ,der Erfindung vereinfacht, d. h. im Prinzip dargestellt.In the drawing, examples of the invention are simplified, i. H. shown in principle.

Fig. 1 zeigt eine Anlage mit einer Turbine 1 als Kraftmaschine und einer elektrischen Maschine 2 sowie mit einer die Wellenenden 3 und 4 der beiden Maschinen verbindenden magnetischen Kupplung 5, welche beim Kraftbetrieb eingeschaltet ist und die volle Leistung der Turbine 1 auf die als Generator laufende elektrische Maschine 2 überträgt. Um die magnetische Kupplung 5 herum ist eine hydraulische Kupplung 6, bestehend aus den beiden Kupplungshälften 7 und 8, angeordnet. Beide Kupplungshälften 7 und 8 sind mit den Wellenenden 3 und 4 fest verbunden und übertragen während des Anlaßvorganges der Turbine die Anlaßleistung von der als Motor laufenden elektrischen Maschine 2 auf die Turbine 1.Fig. 1 shows a system with a turbine 1 as the engine and an electrical machine 2 and with one the shaft ends 3 and 4 of the two Magnetic coupling 5 connecting machines, which is switched on during power operation is and the full power of the turbine 1 on the running as a generator electric machine 2 transfers. Around the magnetic clutch 5 is a hydraulic one Coupling 6, consisting of the two coupling halves 7 and 8, arranged. Both Coupling halves 7 and 8 are firmly connected to the shaft ends 3 and 4 and transferred during the starting process of the turbine, the starting power of the one running as a motor electric machine 2 on the turbine 1.

Weil die Geschwindigkeit der Turbine während des Anlaßvorganges längere Zeit hindurch im Verhältnis zur Synchrongeschwindigkeit sehr gering ist, geht ein erheblicher Teil der Anlaßleistung in der hydraulischen Kupplung 6 durch gleitende Reibung der Kupplungshälften infolge Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme verloren. Entsprechende Vorkehrungen müssen dann getroffen sein, um den Ölinhalt der hydraulischen Kupplung genügend zu kühlen.Because the speed of the turbine is longer during the starting process Time is very low in relation to the synchronous speed, is a factor considerable part of the starting power in the hydraulic clutch 6 by sliding Friction of the coupling halves as a result of the conversion of mechanical energy into heat lost. Appropriate precautions must then be taken to control the oil content the hydraulic clutch to cool sufficiently.

Diese Nachteile werden mindestens teilweise durch eine Anordnung nach Fig. 2 beseitigt, bei welcher zwischen der als Anlaßmotor laufenden elektrischen Maschine 2 und der Turbine 1 ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Vorgeleges, bestehend aus den Zahnrädern 10, 11, 12, 13 und der Welle 9, eingeschaltet ist, welches die Anfahrtsleistung des Elektromotors 2 mit verringerter Drehzahl, beispielsweise mit der halben Drehzahl, auf die Turbine 1 überträgt. Dies hat den Vorteil, daß das von der hydraulischen Kupplung 6 übertragene Drehmoment herabgesetzt wird, wodurch die Geschwindigkeitsdifferenz der Kupplungshälften 7 und B während der Anlaßperiode beispielsweise auf die Hälfte reduziert wird und bereits in dem Moment praktisch ausgeglichen ist, in welchem die Turbine die zum selbständigen Laufen notwendige Mindestdrehzahl, beispielsweise die Hälfte der Nenndrehzahl, erreicht hat.These disadvantages are at least partially due to an arrangement according to Fig. 2 eliminated, in which between the running as a starter electric Machine 2 and the turbine 1 a reduction gear in the form of a back gear, consisting of the gears 10, 11, 12, 13 and the shaft 9, is switched on, which the starting power of the electric motor 2 at a reduced speed, for example at half the speed to which turbine 1 transmits. This has the advantage that the torque transmitted by the hydraulic clutch 6 is reduced, whereby the speed difference between the coupling halves 7 and B during the starting period for example, is reduced by half and already practical at the moment is balanced, in which the turbine has the necessary to run independently Minimum speed, for example half of the rated speed, has reached.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist zwischen dem Teil 9' der Vorlegewelle 9 und dem Teil 9" eine als Freilauf wirkende Überholungskupplung 14 angeordnet. Die Freilaufwirkung tritt ein, wenn der Teil 9" der Welle 9 schneller läuft als der Teil 9'.In the arrangement according to FIG. 2, the countershaft is located between part 9 ' 9 and part 9 ″ an overrunning clutch 14 acting as a freewheel is arranged. The freewheeling effect occurs when the part 9 ″ of the shaft 9 runs faster than the part 9 '.

Die Anordnung nach Fig. 2 besitzt immer noch den Nachteil, daß die Vorgelegezahnräder 10,11,12,13 während der Betriebsdauer beider Maschinen 1 und 2 dauernd im Eingriff befindlich sind und - wenn auch ohne Leistungsübertragung - mitlaufen. Hierdurch entstehen Geräusche und Verschleiß.The arrangement of Fig. 2 still has the disadvantage that the Countersunk gears 10,11,12,13 during the service life of both machines 1 and 2 are permanently engaged and - albeit without power transmission - run along. This creates noise and wear.

Eine diesbezügliche Verbesserung stellt die Ausführung der Anlage nach Fig. 3 dar, wobei das Untersetzungsgetriebe zwischen einer ein- und ausrückbaren mechanischen Kupplung 17 und der hydraulischen Kupplung 6 angeordnet ist. Hierbei ist der Teil 8 der hydraulischen Kupplung 6 mit dem Wellenteil 4 der elektrischen Maschine 2 fest verbunden. Der Teil 7 der hydraulischen Kupplung 6 dagegen ist mit dem Vorgelegerad 10 starr verbunden, und beide laufen auf einer gemeinsamen Lagerbuchse 15 frei auf dem Wellenende 4. Das Vorgelegezahnrad 13 ist ebenfalls auf einem Lager bzw. einer Gleitbuchse 16 frei drehend auf dem Wellenteil 3 der Turbine 1 angeordnet und überträgt im Anlaßvorgang das Anlaßdrehmoment über die Klauenkupplung 17 auf die Turbinenwelle 3.A related improvement is the design of the plant according to Fig. 3, the reduction gear between an engageable and disengageable mechanical clutch 17 and the hydraulic clutch 6 is arranged. Here is the part 8 of the hydraulic clutch 6 with the shaft part 4 of the electrical Machine 2 firmly connected. The part 7 of the hydraulic clutch 6, however, is with the counter gear 10 rigidly connected, and both run on a common bearing bush 15 free on the shaft end 4. The countershaft gear 13 is also on a bearing or a sliding bush 16 arranged to rotate freely on the shaft part 3 of the turbine 1 and transmits the starting torque via the dog clutch 17 in the starting process the turbine shaft 3.

Schließlich zeigt Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem wie in Fig. 1 die hydraulische-Kupplung 6 die magnetische Kupplung 5 übergreift. Bei dieser Anordnung ist zwischen der Kupplungshälfte 7 und dem Wellenteil 3 der Kraftmaschine 1 ein Planetenradgetriebe 18 angeordnet, dessen Sonnenrad 19 mit der Kupplungshälfte 7 starr verbunden ist. Beide sind mit einem gemeinsamen Lager 16' drehbar auf dem Wellenteil 3 angeordnet, während die Planetenräder 20 das auf sie einwirkende Drehmoment über das Joch 21 an den Wellenteil 3 der Turbine übertragen. Der innenverzahnte Ring 23 ist, ähnlich wie das Sonnenrad 19 und die Kupplungshälfte 7, mit dem Lager 22 um die Welle drehbar angeordnet.Finally, Fig. 4 shows a further embodiment of the invention, in which, as in FIG. 1, the hydraulic clutch 6, the magnetic clutch 5 overlaps. In this arrangement there is between the coupling half 7 and the shaft part 3 of the engine 1 a planetary gear 18 is arranged, the sun gear 19 is rigidly connected to the coupling half 7. Both are with one common Bearing 16 'rotatably arranged on the shaft part 3, while the planet gears 20 the torque acting on them via the yoke 21 to the shaft part 3 of the turbine transfer. The internally toothed ring 23 is similar to the sun gear 19 and the Coupling half 7, with the bearing 22 rotatably arranged around the shaft.

Über der Peripherie des Ringes 23 ist eine Bremsvorrichtung 24 angeordnet, mit deren Hilfe der Ring 23 gebremst werden kann, wodurch der Kraftschluß zwischen dem Kupplungsteil 7 und der Welle 3 hergestellt wird.A braking device 24 is arranged over the periphery of the ring 23, with the help of which the ring 23 can be braked, whereby the frictional connection between the coupling part 7 and the shaft 3 is made.

Die Wirkungsweise aller vier schematisch gezeigten Anordnungen nach den Fig. 1 bis 4 ist im Prinzip gleich und etwa die folgende: Im Normalbetriebszustand, wenn also die elektrische Maschine 2 von der wird, ist die magnetische Kupplung eingeschaltet. Die Kraftübertragung geht in diesem Falle von der Kraftmaschine 1 über den Wellenteil 3 durch die fest verriegelte magnetische Kupplung 5 und den Wellenteil 4 zum Generator 2.The mode of operation of all four arrangements shown schematically according to FIGS. 1 to 4 is in principle the same and approximately as follows: In the normal operating state, that is, when the electrical machine 2 is powered by the the magnetic clutch is switched on. In this case, the power transmission goes from the engine 1 via the shaft part 3 through the firmly locked magnetic coupling 5 and the shaft part 4 to the generator 2.

Während des Phasenschieberbetriebes steht die Kraftmaschine 1 still, und die elektrische Maschine 2 läuft im Leerlauf mit Synchrondrehzahl am Netz. Die Wellenteile 3 und 4 sind nach Entriegelung der Magnetkupplung 5 gegeneinander frei, der Wellenteil 4 dreht sich mit Synchrondrehzahl, und der Wellenteil 3 steht still, während die Kupplungshälfte 8 der hydraulischen Kupplung 6 ebenfalls mit Synchrondrehzahl bzw. bei der Anlage nach Fig. 2 mit der Drehzahl der Vorgelegewelle 9 leer mitläuft.During the phase shifter operation, the engine 1 is at a standstill, and the electric machine 2 is idling at synchronous speed on the network. the Shaft parts 3 and 4 are free from each other after unlocking the magnetic coupling 5, the shaft part 4 rotates at synchronous speed, and the shaft part 3 stands still, while the clutch half 8 of the hydraulic clutch 6 is also at synchronous speed or in the system according to FIG. 2 with the speed of the countershaft 9 runs idle.

Soll nun die stillstehende Kraftmaschine angelassen werden, so wird die hydraulische Kupplung 6 allmählich mit Öl gefüllt, wodurch von der mit der elektrischen Maschine verbundenen Kupplungshälfte 8 in mit zunehmender Ölfüllung steigendem Maße ein Drehmoment auf die Kupplungshälfte 7 übertragen wird. Hierbei ist in der Anlage nach der Fig. 3 die Klauenkupplung 17 im Eingriff und in der Anlage nach Fig. 4 der Außenring 23 mittels der Bremse 24 blockiert.If the stationary engine is now to be started, then the hydraulic clutch 6 gradually filled with oil, causing from the with the electric Machine connected coupling half 8 in increasing measure with increasing oil filling a torque is transmitted to the coupling half 7. Here is in the attachment according to FIG. 3, the claw coupling 17 in engagement and in the system according to FIG. 4 the outer ring 23 is blocked by means of the brake 24.

Allmählich läuft die Turbine 1 bis zur Anlaßdrehzahl, welche beispielsweise in der Gegend der halben Nenndrehzahl liegt, an. Bei Erreichen derselben läuft die Turbine 1 nunmehr aus eigener Kraft weiter im Leerlauf bis auf Nenndrehzahl hoch. Während dieser zweiten Phase des Anlaßvorganges ist die hydraulische Kupplung 6 wieder entleert und überträgt daher keine Leistung. Bei der Anlage gemäß Fig. 3 wird überdies die Klauenkupplung 17 ausgerückt, so daß die Zahnräder 10, 11, 12, 13 des Vorgeleges stillstehen, während bei .der Anlage gemäß Fig. 4 die Bremsvorrichtung 24 gelöst wird und den Ring 23 freigibt, welcher mit dem gesamten Planetenradgetriebe sowie der Kupplungshälfte 7 mit der Welle 3 umläuft, so daß das Planetenradgetriebe in sich stillsteht.Gradually the turbine 1 runs up to the starting speed, which for example is in the area of half the nominal speed. When the same is reached, the Turbine 1 now continues to idle up to the nominal speed by its own power. During this second phase of the starting process, the hydraulic clutch 6 is again emptied and therefore does not transmit any power. In the system according to FIG. 3 the dog clutch 17 is also disengaged so that the gears 10, 11, 12, 13 of the transmission stand still, while in the system according to FIG. 4, the braking device 24 is released and releases the ring 23, which with the entire planetary gear and the coupling half 7 rotates with the shaft 3, so that the planetary gear stands still in itself.

Wenn die Kraftmaschine annähernd die Synchrondrehzahl erreicht hat, wird die Magnetkupplung erregt, welche im Augenblick der Drehzahlinterferenz. Null beide Wellenteile 3 und 4 kraftschlüssig kuppelt. Nunmehr ist die Anlaßperiode beendet, und die verriegelte Magnetkupplung überträgt die Nennleistung von der Kraftmaschine auf die als Generator laufende elektrische Maschine 2.When the engine has almost reached synchronous speed, the magnetic coupling is excited, which at the moment of the speed interference. zero both shaft parts 3 and 4 are positively coupled. Now the starting period is over, and the locked magnetic clutch transmits the rated power from the engine on the electrical machine running as a generator 2.

Claims

PATENT CLAIM: System with a prime mover and a temporary one as a phase shifter, sometimes as a power generator working in their speed of a network frequency tied electrical machine, which a the operating power from the prime mover to the electrical one running as a generator Coupling that transmits the machine and one that acts as a phase shifter for the starting power or the electrical machine running as a motor to the prime mover having hydraulic clutch, characterized in that the two clutches in the same power transmission system between the two machines to be coupled are arranged acting in parallel. Publications considered: German U.S. Patent No. 738 153; German patent application K 12891 VIII b / 21 d 3 (announced on June 1, 1954).