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Maschinensatz für Pumpspeicheranlagen, bestehend aus Motorgenerator,
hydraulischer Hauptmaschine und Francis-Hilfsturbine Die Erfindung bezieht sich
auf einen stehend angeordneten Maschinensatz für Pumpspeicheranlagen. Diese Anlagen
bestehen in der klassischen Form aus einem Motorgenerator, einer Turbine und einer
Pumpe oder in der modernen Form aus einem Motorgenerator und einer in der einen
Drehrichtung als Turbine und in der anderen Drehrichtung als Pumpe arbeitenden Pumpenturbine.
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Bei dem allgemeinen Streben nach höheren Leistungen und Wirkungsgraden
werden die Abmessungen derartiger Anlagen immer größer, und damit wachsen auch immer
mehr die Schwierigkeiten beim Anfahren insbesondere zum Pumpenbetrieb.
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Bei der Verwendung von Pumpenturbinen muß beim jedesmaligen Wechsel
vom Turbinenbetrieb zum Pumpenbetrieb bzw. umgekehrt der Maschinensatz bis zum Stillstand
abgebremst und aus dem Stillstand heraus wieder angefahren werden. Dabei ist jeweils
das Massenträgheitsmoment des gesamten Maschinensatzes zu überwinden. Dazu kommt
noch beim Anfahren zum Pumpenbetrieb zusätzlich das sogenannte Losreißmoment hinzu.
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Es ist nun bekannt, für den Pumpenbetrieb diese großen Aggregate entweder
elektrisch anzufahren, z. B. mit Hilfe eines Hilfsmotors oder auch mittels der gleichzeitig
als Anfahrmotor ausgebildeten Erregermaschine des Motorgenerators, oder hydraulisch
mittels einer kleinen, als Anwurfturbine dienenden Hilfsturbine. Bei der letzteren
Art ist es bekannt, als Hilfsturbine eine Freistrahlturbine zu verwenden, die relativ
klein ausgeführt sein kann, da bekanntlich das Pumpengehäuse bzw. die Pumpenturbine
vor dem Anfahren belüftet wird und deshalb die zum Anfahren erforderliche Leistung
relativ gering ist.
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Auch bei klassischen Anlagen mit getrennter Pumpe und Turbine empfiehlt
sich die Verwendung einer Hilfsturbine zum Anfahren, obgleich die Pumpe von vornherein
so ausgelegt werden kann, daß sie den gleichen Drehsinn wie die Turbine hat, so
daß theoretisch die Hauptturbine zum Anfahren verwendet werden könnte. Wegen der
sehr engen Spalte der Pumpe ist es jedoch empfehlenswert, die mechanische Verbindung
zwischen Pumpe und Turbine trennbar auszuführen, damit die Pumpe beim Turbinenbetrieb
nicht leer mitläuft. Um nun unerwünschte lange Schaltzeiten beim Übergang vom Turbinen-
auf Pumpenbetrieb zu vermeiden - die Anlage müßte dabei auch jedesmal bis zum Stillstand
abgebremst werden -, werden auch hier Anfahrturbinen verwendet. Die Pumpe wird mit
Hilfe der Anfahrturbine in Luft hochgefahren und beim Erreichen der synchronen Drehzahl
mit dem Generator, der ständig am Netz bleiben kann, mittels einer im Betrieb schaltbaren
Kupplung zugeschaltet.
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Das bereits erwähnte Streben nach höheren Leistungen und Wirkungsgraden
führt nicht nur zu großen Abmessungen der Anlagen, sondern auch zu Ausführungen,
bei denen bei hohen Gefällen relativ hohe spezifische Drehzahlen angewendet werden.
Diese hohen spezifischen Drehzahlen erfordern eine relativ große Zulaufhöhe, d.
h., zumindest die Pumpe bzw. Pumpenturbine einschließlich der Anwurf-Freistrahlturbine
muß sehr tief unter dem Unterwasserspiegel angeordnet werden. Dies wiederum bedingt,
das in der Anwurfturbine verwendete Betriebswasser in einen Sumpf zu leiten, von
wo es mit besonderen Pumpenaggregaten wieder ins Unterwasser zurückbefördert wird.
Um dieses Zurückbefördern zu vermeiden, hat man schon vorgeschlagen, an Stelle der
Freistrahlturbine eine Francisturbine als Anwurfturbine zu verwenden, da es bei
dieser unter Druck stehenden Turbine genügt, das Saugrohr nach oben zu führen, durch
welches das Wasser ohne besondere zusätzliche Einrichtungen- infolge des herrschenden
'Überdruckes in das Unterwasser hochgedrückt wird. In diesem Zusammenhang wurde
ferner vorgeschlagen, die Anwurf-Francisturbine am Wellenende der aus Turbine, Pumpe
und Generator bzw. Pumpenturbine und Generator bestehenden Maschinengruppe anzuordnen.
Dies ergibt jedoch recht ungünstige räumliche Anordnungen sowie zusätzliche Rohrleitungsführungen
und Absperrorgane und damit wesentlich höhere Baukosten. Außerdem erhält man komplizierte
und aufwendige Durchdringungen der Welle durch den Saugrohrkrümmer, nur um die Anfahrturbine
anschließen zu können.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist ferner bereits vorgeschlagen worden,
bei einer reversiblen Pumpenturbine
einen zum Anfahren dienenden
Hilfsturbinenschaufelkranz oberhalb des Laufrades fest mit diesem zu verbinden und
für das den Hilfsturbinenschaufelkranz verlassende Wasser im Nabenkörper des Hauptlaufrades
eine zentrische Durchtrittsöffnung vorzusehen.
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Bei einer solchen Konstruktion ergeben sich jedoch mechanisch sehr
komplizierte und damit aufwendige und teuere bzw. störanfällige Bauteile. Dies trifft
insbesondere für den Traversenring und das Spiralgehäuse sowie für den Leitapparat
zu, von denen der eine geschlossen sein muß, wenn der andere geöffnet ist. Zudem
ist es äußerst schwierig, die Hilfsturbine beim Betrieb der hydraulischen Hauptmaschine
wasserfrei zu halten. Will man aber die Hilfsmaschine nicht ausblasen, dann sind
bei einer solchen Ausführung komplizierte Absperrorgane sowohl vor als auch hinter
der Hilfsmaschine erforderlich, um Ventilationsverluste des leer umlaufenden Hilfsmaschinenlaufrades
zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen stehend angeordneten
Maschinensatz für Pumpspeicheranlagen, bestehend aus einem Motorgenerator, einer
hydraulischen Hauptmaschine (Pumpe und Turbine oder Pumpenturbine) und einer Francis-Hilfsturbine
zum Anfahren des Maschinensatzes zu schaffen, welche die aufgezeigten Nachteile
der bekannten Anlagen nicht hat.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Hilfsturbine oberhalb der hydraulischen
Hauptmaschine als eine mit dieser durch eine gemeinsame Welle verbundene selbständige
Einheit mit gesonderter Wasserzuführung angeordnet ist und daß der die Hilfsturbine
mit der hydraulischen Hauptmaschine verbindende Teil dieser Welle als Hohlwelle
ausgebildet ist und als Saugrohr für die Hilfsturbine dient.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Welle zwischen der
Hauptmaschine und dem Generator in bekannter Weise aus zwei aneinandergeflanschten
Teilen, zwischen denen die Hilfsturbine angeordnet ist und bei welcher der Austrittsraum
des Hilfsturbinenlaufrades unmittelbar in die obere öffnung der Hohlwelle übergeht.
Vorzugsweise endet diese Hohlwelle unmittelbar im Saugraum der hydraulischen Hauptmaschine.
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Diese Ausbildung nach der Erfindung ergibt eine sehr günstige räumliche
Gliederung des gesamten Maschinensatzes. Die Anordnung weiterer Anlagenteile unterhalb
der Pumpe bzw. Pumpenturbine, deren Tiefenlage durch spezifische Drehzahl und Gefälle
festliegt, ist nicht erforderlich. Dadurch ergibt sich in den meisten Fällen eine
nicht unwesentliche Einsparung an baulichen Anlagen. Ein weiterer bedeutender Vorteil
der Erfindung ist es, daß sich keinerlei komplizierte und aufwendige Durchdringungen
der Turbinen- bzw. Pumpenwelle mit deren Saugrohrkrümmer ergeben. Ein besonderes
weiteres Saugrohr für die Hilfsturbine ist nicht erforderlich.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Maschinensatzes ist es möglich,
sowohl für die Hauptmaschine als auch für die Hilfsturbine relativ unkomplizierte
übliche Konstruktionen zu wählen. Außerdem kann in den meisten Fällen die Hilfsturbine
während des Betriebs der Hauptmaschine lediglich durch Schließen eines nur in der
Druckleitung der Hilfsturbine vorgesehenen Absperrorgans leicht wasserfrei gehalten
werden, während ein solches Absperrorgan in der Saugleitung entfällt. Wenn sich
jedoch der Unterwasserspiegel ständig oder beispielsweise bei stark schwankendem
Unterwasserspiegel zeitweilig über der Hilfsturbine befindet, wird zur Vermeidung
einer während des Normalbetriebs andauernden Belüftung der Hilfsturbine der Hauptmaschine
zweckmäßigerweise die als Saugrohr ausgebildete Hohlwelle mit einem Verschlußorgan,
wie etwa einem Schieber oder einem Rückschlagventil ausgerüstet. Zum Beispiel kann
das kegelförmige Wasserführungsschild der Laufradnabe der Hilfsturbine so, vorzugsweise
hydraulisch, verschiebbar angeordnet werden, daß es als Verschlußorgan der als Saugrohr
ausgebildeten Hohlwelle an ihrem oberen Eingang dient. Es besteht aber auch die
Möglichkeit, ein Verschlußorgan an jeder anderen Stelle der Hohlwelle, z. B. an
ihrem unteren Ende, vorzusehen.
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Bei Verwendung eines derartigen Verschlußorgans für die Hohlwelle
wird beim Normalbetrieb der Hauptmaschine sowohl das Druckrohr als auch das Saugrohr
der Hilfsturbine abgesperrt und das noch in der Maschine befindliche Wasser in einen
Sumpf abgelassen.
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Beim Anfahren zum Pumpenbetrieb wird die Hauptmaschine belüftet und
die Hilfsturbine durch öffnen des Absperrorgans in deren Druckleitung betrieben.
Das Wasser aus der Hilfsturbine strömt aus der unmittelbar in den Saugraum zwischen
Deckscheibe und Saugrohreintritt der Hauptmaschine mündenden hohlen Turbinenwelle
in das Saugrohr der als Pumpe arbeitenden Hauptmaschine. Durch die Belüftung wird
das Wasser im Saugrohr dabei so weit heruntergedrückt, daß die als Pumpe arbeitende
Hauptmaschine kein Wasser fassen kann.
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Da die Hilfsturbine praktisch stets mit gleicher Leistung arbeitet
und auch der Wirkungsgrad bei dem relativ kurzzeitigen Betrieb keine entscheidende
Rolle spielt, ist es ausreichend, wenn feste Leitschaufeln vorgesehen werden.
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Normalerweise ist die Hilfsturbine einstufig ausgelegt. Bei sehr hohem
Druck, d. h. bei großer Fallhöhe besteht aber auch die Möglichkeit, die Hilfsturbine
zwei- oder mehrstufig auszubilden.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist die Hilfsturbine hydraulisch
nur unvollkommen entlastet, so daß während des Anfahrens zur Entlastung des Spurlagers
ein kräftiger Achsschub nach oben auftritt. Durch diese Maßnahme wird die Reibung
des Spurlagers und das Losreißmoment herabgesetzt und damit das Anfahren sehr erleichtert.
Die unvollkommene hydraulische Entlastung kann z. B. dadurch geschehen, daß der
obere Spalt zwischen dem Laufradboden und dem oberen Leitschaufelring der Hilfsturbine
auf einen entsprechenden größeren Durchmesser als der untere Spalt zwischen Laufradkranz
und unterem Leitschaufelring gelegt wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Hilfsturbine als
hydraulische Bremse bis zum Stillstand beim übergang vom Turbinen- zum Pumpenbetrieb
bei reversiblen Pumpenturbinen verwendet, wodurch der Auslaufvorgang merklich verkürzt
werden kann. Ab Stillstand geht die Anwurfturbine dann wieder unmittelbar in die
Drehrichtung zum Anfahren über.
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Die Erfindung ist an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
einer Pumpspeicheranlage mit einer Pumpenturbine näher erläutert. Darin zeigt
F
i g. 1 einen aus einem Generator, einer Hilfsturbine und einer Pumpenturbine bestehenden
Maschinensatz und F i g. 2 im vergrößert dargestellten Längsschnitt im Bereich der
Hilfsturbine den oberen Teil der als Saugrohr ausgebildeten Hohlwelle mit einem
Verschlußorgan.
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Zwischen dem Motorgenerator 1 und der Pumpenturbine 2 ist eine Francis-Hilfsturbine
3 angeordnet und starr mittels der Maschinenwelle 4 mit dem Motorgenerator
1 und mittels der Maschinenwelle 5 mit der Pumpenturbine 2 verbunden, d. h., es
sind sämtliche drei Einheiten der gesamten Anlage miteinander unlösbar verbunden.
Die Maschinenwelle 5 zwischen der Hilfsturbine 3 und der Pumpenturbine 2 ist als
Hohlwelle mit einer Bohrung 6 ausgeführt, die oben in den Saugraum 7 der
Hilfsturbine 3 und unten in den Saugraum 8 der Pumpenturbine 2 mündet, woran sich
deren Saugkrümmer 9 anschließt. Diese Hohlwelle 5 dient als Saugrohr für die Hilfsturbine
3. In der Druckleitung 10 zur Hilfsturbine 3 ist ein Absperrorgan 11 und in der
Druckleitung 12 zur Pumpenturbine 2 ein Absperrorgan 13 vorgesehen.
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In dem Beispiel der F i g. 1 weist das durch die Hohlwelle 5 gebildete
Saugrohr kein Abschlußorgan auf. Ein solches Abschlußorgan kann jedoch beispielsweise
in der in F i g. 2 dargestellten Art am oberen Ende der Hohlwelle 5 vorgesehen werden.
Dabei ist das Wasserführungsschild 14 in der Maschinenwelle 4 derartig axial verschieblich
ausgebildet, daß es in der einen, mit vollen Strichen dargestellten Stellung als
Wasserführungsschild dient und in der anderen, strichpunktiert dargestellten Stellung
das Saugrohr am oberen Ende abschließt. Die Betätigung dieses Abschlußorgans erfolgt
öl- oder lufthydraulisch über die Leitung 15 auf den als Kolben 16 ausgebildeten
hinteren Teil des Wasserführungsschildes 14. Es kann aber auch jeder andere Betätigungsmechanismus
angewendet werden.