DE1239640B - Wechselweise als Pumpe oder Turbine verwendbare Turbomaschine - Google Patents

Wechselweise als Pumpe oder Turbine verwendbare Turbomaschine

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DE1239640B
DE1239640B DES78335A DES0078335A DE1239640B DE 1239640 B DE1239640 B DE 1239640B DE S78335 A DES78335 A DE S78335A DE S0078335 A DES0078335 A DE S0078335A DE 1239640 B DE1239640 B DE 1239640B
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DE
Germany
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pump
blade ring
turbine blade
auxiliary turbine
main impeller
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Pending
Application number
DES78335A
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English (en)
Inventor
Michael Braikevitch
James Gavin Warnock
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer AG
Original Assignee
Sulzer AG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/10Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines
    • F03B3/103Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines the same wheel acting as turbine wheel and as pump wheel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles, welches einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpenturbine darstellt, näher erläutert.
  • 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.
  • Bei stillgelegtem Hilfslaufrad kann das in ihm befindliche Wasser mittels Druckluft - die durch bekannte, nicht dargestellte Mittel eingeleitet werden kann - herausgedrängt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Umschaltbare Turbomaschine, deren Hauptlaufrad bei Drehung in der einen Richtung als Pumpe und bei Drehung in der entgegengesetzten Richtung als Turbine arbeitet, bei welcher ein mit dem Hauptlaufrad fest verbundener Hilfsturbinen-Schaufelkranz zum Anfahren in Pumpendrehrichtung dient, dadurch gekennzeichnet, daß im Nabenkörper des Hauptlaufrades (6) eine zentrale, durch einen Verschlußteil (9) absperrbare Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, die beim Anfahren zum Pumpbetrieb für das den Hilfsturbinen-Schaufelkranz (7) verlassende Antriebsmedium geöffnet ist, bei den übrigen Betriebszuständen jedoch geschlossen bleibt.
  2. 2. Umschaltbare Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Hilfsturbinen-Schaufelkranzes (7) wesentlich kleiner ist als derjenige des Hauptlaufrades (6) und daß die Zuführung des Antriebsmediums von der Druckseite her zum Hilfsturbinen-Schaufelkranz am oberen Gehäuseteil (14) angeordnet ist und während des Betriebes des Hauptlaufrades als Pumpe oder Turbine beim Einlauf zum Hilfsturbinen-Schaufelkranz durch eine Wand (15) von dem dem Hauptlaufrad zugeführten Antriebsmediums gesperrt wird.
  3. 3. Umschaltbare Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußteil (9) konusförmig ausgebildet und in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist.
  4. 4. Umschaltbare Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand im Einlauf des Hilfsturbinen-Schaufelkranzes durch eine ringförmige Verschlußvorrichtung (15) gebildet wird, die am äußeren Umfang des Hilfsturbinen-Schaufelkranzes (7) in dessen Zuführungsleitung (3) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 630940, 487511, 334 091; Technische Rundschau, Sulzer, 2/1159, S. 7 und 8; Siemens Druckschrift, SSW 500, 143/3, 20. 9. 56, S.6.
DES78335A 1961-04-05 1962-03-05 Wechselweise als Pumpe oder Turbine verwendbare Turbomaschine Pending DE1239640B (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE334091C (de) * 1915-06-10 1921-03-09 Weise Soehne Selbstanspringende, durch Wassermotor betriebene Kreiselpumpe
DE487511C (de) * 1929-06-25 1929-12-09 Escher Wyss Maschf Ag Einrichtung fuer das Zu- und Abschalten einer Pumpe waehrend des Betriebes bei hydraulischen Speicherkraftanlagen
DE630940C (de) * 1934-06-09 1936-06-09 Sulzer Akt Ges Geb Kreiselpumpenanlage, insbesondere hydraulische Speicheranlage

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