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Wechselweise als Pumpe oder Turbine verwendbare Turbomaschine Die
Erfindung betrifft eine umschaltbare Turbomaschine, welche bei Drehung in einer
Richtung als Pumpe, im entgegengesetzten Drehsinn jedoch als Turbine arbeitet und
bei der ein zum Anfahren im Pumpendrehsinn dienender Hilfsturbinen-Schaufelkranz
mit dem Laufrade fest verbunden ist.
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Beim direkten Anfahren einer umschaltbaren Pumpenturbine als Pumpe
ergibt sich die Schwierigkeit, daß normalerweise das Pumpengehäuse mit dem zu fördernden
Medium - bei Wasserkraftwerken handelt es sich beispielsweise um Wasser - gefüllt
ist, das ebenfalls in Umdrehung versetzt und beschleunigt werden muß, so daß der
elektrische Antriebsmotor zunächst einen sehr großen Anfahrstrom (Spitzenstrom)
benötigt, was hauptsächlich bei großen- Einheiten zu Störungen im elektrischen System
Anlaß geben kann. Um dieses Anfahrmoment zu verringern, kann in bekannter Weise
vorgesehen werden, den Läufer zunächst in Luft drehen zu lassen, indem das zu fördernde
Medium - beispielsweise Wasser - vorerst durch Einblasen von Druckluft zurückgedrängt
wird, die nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl, d. h. dem Synchronisieren des
Motorgenerators und dessen Anschaltung an das Netz, allmählich wieder abgeblasen
werden kann, um der Pumpe erst nach und nach die zu fördernde große Flüssigkeitsmenge
wieder zuzuführen. Aber auch dann ist das direkte Anfahren allein mit Hilfe des
elektrischen Antriebsmotors mit gewissen Schwierigkeiten verbunden, da die zu beschleunigenden
Massen (Motorläufer und Laufrad) immer noch erheblich sind und beim Einlaufen der
zu fördernden Flüssigkeit Unstetigkeiten der Belastung und Wirbelungen entstehen,
die ebenfalls störend auf das elektrische Netz zurückwirken.
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Es ist bekannt, diese Schwierigkeiten dadurch zu überwinden, daß bei
einer Speicher-Wasserkraftanlage getrennte hydraulische Maschinen als Pumpe und
Turbine bzw. als kombinierte Pumpenturbine einerseits und eine Hilfsturbine zum
Anfahren der Pumpe andererseits aufgestellt werden. Bei solchen Anlagen sind nach
dem bisherigen Stand der Technik für jede Maschine voneinander getrennte Zu- und
Abflußrohre und entsprechende Regelorgane vorgesehen. Dabei zweigt die getrennte
Zuleitung zur Hilfsturbine von der Druckleitung der Pumpe ab, und die Hilfsturbine
weist ein getrenntes Abfallrohr auf, das außerhalb des Pumpengehäuses in die Saugleitung
einmündet. Der getrennte Aufbau der verschiedenen Maschinen und Rohrleitungen bedingt
einen erheblichen konstruktiven Aufwand, der sich auf die Wirtschaftlichkeit der
Gesamtanlage nachteilig auswirkt. Bei einer Reihe von weiteren Pumpenturbinen-Anlagen
wird versucht, die Anlaufgeschwindigkeiten beim Pumpenbetrieb dadurch zu meistern,
daß der Motorgenerator durch besondere Maßnahmen auf der elektrischen Seite - verschiedene
Betriebsdrehzahlen und -leistungen für. den Betrieb als Pumpen-bzw. als Turbinengruppe
- den Erfordernissen der beiden Betriebsarten besser angepaßt wird. Auch auf diesem
Weg lassen sich jedoch spürbare Rückwirkungen auf das elektrische Netz nicht vermeiden,
da das Auftreten eines Anlaufspitzenstroms durch die erwähnten Maßnahmen nur gemildert,
nicht aber unterbunden werden kann und zudem während der ganzen Betriebsdauer bei
der höheren Drehzahl der den Motorgenerator durchfließende Strom nicht sinusförmig
ist. Die zusätzlichen Umschaltvorrichtungen und der reduzierte Wirkungsgrad der
Maschine zeitigen überdies nachteilige Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der
Anlage.
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Es ist ferner bekannt, eine Pumpe mittels eines auf der gleichen Welle
sitzenden, konzentrisch dazu angeordneten Wassermotors (Turbine) anzutreiben. Bei
einer solchen Anordnung muß der Durchmesser des Motorlaufrades erheblich größer
gehalten werden als derjenige des Pumpenrades, um unter Einhaltung günstiger technischer
und wirtschaftlicher Bedingungen
den für den Betrieb der Gruppe
nötigen Leistungsüberschuß der Turbine gegenüber der Pumpe sicherzustellen. Eine
Hilfsturbine hätte hier keinen Sinn, da diese Pumpengruppe keinen elektrischen Antriebsmotor
aufweist und der Anlauf mit dem normalen Turbinenantrieb keine Schwierigkeiten bietet.
Der Pumpenteil kann bei dieser Anordnung überhaupt nicht oder nur mit einem schlechten
Wirkungsgrad als Turbine und der Turbinenteil nicht als Pumpe betrieben werden.
Ein Anlaufen in Luft ist nicht möglich. Eine derartige, durch eine Turbine angetriebene
Pumpe weist somit keines der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Anlauf
des Hauptlaufrades für den Pumpenbetrieb den Bedarf an Spitzenstrom für den elektrischen
Motor praktisch völlig zu vermeiden, ohne durch die getroffenen Maßnahmen bei normalem
Pumpen- und Turbinenbetrieb eine unzulässige Verschlechterung des Wirkungsgrades
der Anlage gegenüber demjenigen einer reinen Pumpen- oder Turbinengruppe in Kauf
nehmen zu müssen. Außerdem soll der konstruktive Aufbau gegenüber bekannten derartigen
Anlagen vereinfacht werden. Ausgehend von einer Turbomaschine der eingangs erwähnten
Art schlägt die Erfindung vor, daß im Nabenkörper des Hauptlaufrades eine zentrale,
durch einen Verschlußteil absperrbare Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, die beim
Anfahren zum Pumpbetrieb für das den Hilfsturbinen-Schaufelkranz verlassende Antriebsmedium
geöffnet ist, bei den übrigen Betriebszuständen jedoch geschlossen bleibt. Der am
Hauptlaufrad fest angebrachteHilfsturbinen-Schaufelkranz weist hierbei einen wesentlich
kleineren Durchmesser auf als das Hauptlaufrad. Das den Hilfsturbinen-Schaufelkranz
verlassende Antriebsmedium fließt somit direkt, d. h. ohne eine getrennte Austrittsleitung,
in den Saugkanal des Hauptlaufrades ab. Der in axialer Richtung verschiebbare Verschlußteil
ist konisch geformt und trägt in seinen beiden End--stellungen dazu bei, einen möglichst
wirbel- und verlustarmen Durchfluß des bei Betrieb als Pumpe oder als Turbine durch
das Hauptlaufrad bzw. beim Anlauf durch den Schaufelkranz der Hilfsturbine strömenden
Arbeitsmediums zu erzielen. Der Verschlußteil kann durch einen in der Hauptwelle
angebrachten Servomotor gesteuert und für die Regulierung der durch den Hilfsturbinen-Schaufelkranz
strömenden Arbeitsmittelmenge herangezogen werden.
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Der Einlauf des Antriebsmediums zum Hilfsturbinen-Schaufelkranz von
der Druckseite her kann, ohne daß eine getrennte Zuleitung nötig wäre, am oberen
Gehäuseteil angeordnet und während des normalen Pumpen- bzw. Turbinenbetriebes vor
dem Eintritt in das Hilfsturbinenrad durch eine bewegliche Wand, beispielsweise
ein ringförmiges Abschlußorgan, von dem zum Hauptlaufrad gehörenden Durchlaufkanal
abgetrennt sein.
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Durch diese völlige Abtrennung des Hilfsturbinendurchlaufs durch die
ringförmige Wand am Einlauf und den Verschlußkonus im Auslauf werden die sonst im
Hilfsturbinenkreislauf auftretenden Wirbelungs-und Reibungsverluste der Gruppe bei
normalem Pumpen- und Turbinenbetrieb herabgesetzt. Sie können praktisch vollständig
zum Verschwinden gebracht werden, indem bei diesen Betriebszuständen in bekannter
Weise das im Hilfsturbinen-Schaufelkranz befindliche Antriebsmedium beispielsweise
durch Einblasen von Druckluft verdrängt wird. Durch diese Maßnahme wird der Gesamtwirkungsgrad
der Pumpenturbinengruppe gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich verbessert.
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Der Hilfsturbinen-Schaufelkranz ist so dimensioniert, daß mit seiner
Hilfe das Hauptlaufrad angefahren und auf die Betriebsdrehzahl gebracht werden kann,
um den Motorgenerator mit dem elektrischen Netz zu synchronisieren und ohne daß
hierzu störende Stromspitzen nötig sind. Die Strömung des Antriebsmittels durch
die Hilfsturbine kann dabei durch die dicht am äußeren Umfang des Hilfslaufrades
vorgesehene ringförmige Verschlußvorrichtung im Zulauf und durch den Verschlußkonus
im Auslauf reguliert werden. Es können zu diesem Zweck aber auch eine Reihe von
einzelnen Ventilen, die vom Gleit-, Schmetterlings-, Nadel- oder Rotationstyp sein
können, in der Zuführung angeordnet sein. Durch die Verkleinerung des Durchmessers
des Hilfsturbinen-Schaufelrades gegenüber demjenigen des Hauptlaufrades wird erreicht,
daß bei geschlossener Zuführung zum Hilfslaufrad die auftretenden unvermeidlichen
Ventilationsverluste beträchtlich vermindert werden. Da die von der Pumpe (vor allem
beim Anlaufen des Hauptrades in Luft) aufgenommene Leistung vor dem Wiedereinlassen
des von ihr zu fördernden Mediums bedeutend geringer ist als die betriebsmäßig benötigte
Pumpenleistung, ist das Anlaufen und die Synchronisierung der Gruppe, d. h. das
Einschalten des Motors an das elektrische Netz, ohne nennenswerte Rückwirkungen
auf das letztere auch bei verringertem Hilfsturbinendurchmesser möglich.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend an Hand eines schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles, welches einen teilweisen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Pumpenturbine darstellt, näher erläutert.
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Das Spiralgehäuse 1 ist über einen zur Erhöhung der Geschwindigkeit
dienenden großen ringförmigen Raum 2, der mit feststehenden Schaufeln versehen ist,
mit der Verschlußeinrichtung 4 des Hauptlaufrades 6, welches wechselweise als Turbinenlaufrad
oder als Pumplaufrad wirken kann, verbunden. Das Spiralgehäuse 1 ist des weiteren
über einen kleinen zur Erhöhung der Geschwindigkeit dienenden ringförmigen Raum
2 und über zur Führung dienende Schaufeln 5 mit dem Hilfsturbinenlaufrad 7 verbunden.
Das Hilfslaufrad 7 ist mit dem Hauptlaufrad 6 verbunden und arbeitet als Turbinenlaufrad
zum Anfahren des Hauptlaufrades 6 in Pumpendrehrichtung, oder es ist, wie in der
Abbildung dargestellt, in seiner Wirkung stillgelegt, indem es von seinem zugehörigen
ringförmigen Raum 3 mit Hilfe eines rin5 förmigen Verschlußteils 15, welches am
oberen Gehäuseteil 14 des Statorgehäuses angeordnet ist und vom unterwasserseitigen
Rohr 8 des Hauptlaufrades 6 durch ein konisches Verschlußteil 9 getrennt ist.
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Bei stillgelegtem Hilfslaufrad kann das in ihm befindliche Wasser
mittels Druckluft - die durch bekannte, nicht dargestellte Mittel eingeleitet werden
kann - herausgedrängt werden.
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In der Welle 10 des aus Hauptlaufradteil 6 und Hilfslaufradteil 7
bestehenden Laufrades ist eine hydraulisch wirkende Verstellvorrichtung angeordnet,
die aus einem Zylinder 12 besteht, in welchem sich ein Kolben 13 bewegen kann, der
mit dem konischen Verschlußteil9 verbunden ist. Beim Aufbringen von
Flüssigkeitsdruck
unter den Kolben 13 wird erreicht, daß durch den Kolben das konische Verschlußteil9
nach oben bewegt wird, wodurch die Auslaßöffnung vom Hilfslaufrad 7 zum unterwasserseitigen
Rohr 8 freigegeben wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel geschieht die Verstellung des ringförmigen
Verschlußteils 15 ebenfalls mit Hilfe einer hydraulisch wirkenden Verstellvorrichtung
16. Es versteht sich, daß der Verschlußteil 15 auch durch andere bekannte Mittel
verstellt werden kann, beispielsweise mittels eines Getriebes. Die Verstellvorrichtung
erlaubt den Verschlußteil 15 nach oben zu bewegen, wenn Wasser aus dem zur Erhöhung
der Geschwindigkeit dienenden Raum 3 zum Hilfslaufrad 7 gelangen soll.
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Ebenfalls können auch für die Verstellung des Verschlußteils 9 andere
bekannte Mittel dienen. Die weiteren zum besseren Verständnis und der Vollständigkeit
halber gezeigten Teile der Pumpenturbine sind herkömmlicher und damit bekannter
Natur und erfordern deshalb im einzelnen keine weitere Beschreibung.