-
Notstromaggregat Die Erfindung betrifft ein Notstromaggregat,
bestehend
aus einer durch Gas oder Dampf angetriebenen Arbeitstur-
bine,
einem Gas- oder Dampferzeuger, einem Elektrogenerator,
einem zwischen
Turbine und Generator geschalteten Planeten-
getriebe sowie einem damit
in treibender Verbindung stehen-
den, unabhängig von der Turbinenwelle
und der Generatorwelle gelagerten Schwungrad.
Notstromaggregate
der vorgenannten Art haben die Aufgabe, bei Ausfall des Stromnetzes, also bei Übergang
vom Normalbetrieb zum Notbetrieb, die Stromversorgung für einen bestimmten Teil
des Netzes zu übernehmen, wobei die Netzspannung nicht unter
einen
bestimmten Wert absinken darf.
-
Es ist bekannt, schon während des Normalbetriebes Generator
und Turbine, die durch das Getriebe miteinander verbunden
sind, ständig mit
voller Drehzahl umlaufen zu lassen, damit dieser Teil des Aggregates bei Ausfall
des Netzes nicht erst
beschleunigt zu werden braucht. Dabei wirkt der Generator
als Motor, der seine elektrische Leistung aus dem Netz bezieht. Hei eintretendem
Notfall wird er sofort als Generator bela-
stet. Zugleich wird das Startsignal
für den Gas- bzw. Dampf-
erzeuger gegeben. Es dauert jedoch immer
eine gewisse Zeit,
bis an der Arbeitsturbine die volle Leistung zur Verfügung
steht,
besonders im Falle einer Gasturbine als Gaserzeuger. Während dieser Anlaufzeit
ist es unvermeidlich, daß die Dreh-
zahl des Generators mehr oder weniger
stark absinkt, da das
Schwungmoment von Genrator und Turbine klein
ist, gemessen
an dem Lastmoment am Generator.
-
Es ist auch bekannt, mittels auf der Generatorwelle
oder
der Turbinenwelle fest montierter Schwungräder Energie zu
speichern.
Solche Schwungräder vermögen aber immer nur einen Teil ihrer Rotationsenergie
abzugeben, da diese Energie
von ihrem Massenträgheitsmoment
und ihrem Drehzahlabfall abhängt. Dadurch würde vor allem bei größeren Anlagen (über
200 PS) und bei der Forderung nach sehr geringem Drehzahlabfall ein Schwungrad dieser
Art zu schwer. Außerdem muß das Schwungrad nach dem Erreichen der unteren zulässigen
Drehzahl wieder auf die der Nenndrehzahl des Generators entsprechende Drehzahl beschleunigt
werden, so daß gerade in der wichtigen Beschleunigungsphase des Aggregates ein Teil
des Leistungsüberschusses der Arbeitsturbine vom Schwungrad aufgezehrt wird.
-
Ein weiterer Nachteil beider beschriebener Systeme ist, daß
im
Normalbetrieb auch die meist sehr schnell laufende Turbine ständig mit voller Drehzahl
umläuft, was natürlich Ventilationsverluste, Reibungsverluste und Lagerverschleiß
mit sich bringt.
-
Es ist bereits bekannt, als Getriebe ein sogenanntes ungleiches Differentialgetriebe
zu verwenden, dessen erste Welle mit dem Generator, die zweite mit der Turbine verbunden
ist, die dritte jedoch innerhalb des Gehäuses endet und als Schwungmasse ausge-bildet
ist. Durch geeignete Bremsen an der Schwungmasse und an
der
Turbinenwelle wird erreicht, daß im Normalbetrieb die Tur-
binenwelle
stillsteht, das Schwungrad aber rotiert und dank seiner Masse eine gewisse
Energie gespeichert hat. Bei ein-
tretendem Notfall summieren
sich die Drehmomente der anlaufen-
den Turbine und des sich bis zum
Stillstand verlangsamenden
Schwungrades. Diese Anordnung hat den
Nachteil, daß wegen der Gehäuseabmessungen nur relativ kleine Schwungräder verwendet
werden können, die zudem durch die Drehzahlerfordernisse des Differenztialgetriebes
in der Wahl ihrer eigenen Drehzahl sehr eingeschränkt sind. Es hat sich ferner als
ungünstig herausgestellt, daß das Schwungrad direkt mit der das Innenzahnrad des
Planetengetriebes bildenden Scheibe verbunden ist. Wird nämlich, wie allgemein üblich,
das Planetengetriebe mit mehreren Planetenrädern in paralleler Schaltung ausgeführt,
so läßt sich nur eine beschränkte Anzahl von Übersetzungsvariationen verwirklichen,
da aus Montagegründen die Summe der Zähnezahlen von Sonnenrad plus Innenzahnrad
durch die Anzahl der Planetenräder teilbar sein muß. Kleine Abweichungen der Zähnezahlen
der Planetenräder ergeben bereits große Drehzahländerungen der Turbinenwelle. Außerdem
sind für verschiedene Leistungserfordernisse verschiedene Geräte erforderlich.
-
Es ist ferner bereits ein Notstromaggregat bekannt, bei dem durch
ein besonderes System von Kupplungen die Möglichkeit ge-schaffen werden soll,
die Drehzahlen der Kraftmaschine, des
Generators sowie des Schwungrades
exakt an die erforderliche Synchron-Drehzahl des ausfallenden Netzes anzupassen.
Zur "Mischung" der von der anlaufenden Kraftmaschine und dem
energiespeichernden
Schwungrad abgegebenen Momente werden
schleifende
Kupplungen verwendet. Diese Methode ist jedoch
sehr verlustreich und
bedarf einer überaus aufwendigen
Regelung für das Einschalten der
Kupplungen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Notstromaggregat mit Pla- netengetriebe
so zu verbessern, daß im Normalbetrieb Turbine
und Turbinenwelle stillstehen
und Schwungräder von weitgehend
beliebiger Form und Abmessung verwendet
werden können, die bei
eintretendem Notfall ihre gesamte
Rotationsenergie an den
Generator abgeben.
-
Eine Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß das Schwungrad
auf einer die Genenatorwelle umgebenden und auf
dieser drehbar gelagerten
hohlen Nabe befestigt ist und über
mindestens eine durch das Getriebegehäuse
führende Vorgelegewelle mit dem drehbar gelagerten Innenzahnkranz des Planeten
getrieben
verbunden ist.
-
Der erfindungsgemäße Antrieb ist, abgesehen von den den
vernachlässigbar kleinen Reibungsverlusten im Getriebe, völlig
verlustlos.
Die Kraftmaschine ergänzt die vom Schwungrad auf-
gebrachte Leistung
bis zur erforderlichen Generatorleistung und gleicht den Drehzahlverlust
des Schwungrades durch ent-
sprechend sich erhöhende eigene Drehzahlen aus.
Die Regelung. des Vorganges erfolgt durch Drehzahlregelung
der Kraftmaschine über die ohnehin für den stationären Notbetrieb
erforderlichen Einrichtungen.
Den zusätzlichen Abtrieb bildet@das
Innenzahnrad, welches im Gegensatz zum Planetengetriebe drehbar gelagert ist. Durch
die Lage des Schwungrades außerhalb des Getriebegehäuses wird seine Größe und Form
von den Abmessungen des Getriebegehäuses unabhängig.
-
Um bessere Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Leistungserfordernisse
zu haben, kann das Schwungrad aus mehreren Scheiben oder Ringen zusammengesetzt
sein, so daß seine Masse und Form veränderlich sind.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Errindung wird sowohl die
Schwungradwelle
als auch die Turbinenwelle durch je eine Rücklaufsperre daran gehindert, sich in
der falschen Richtung zu drehen. Die Turbinenwelle ist zusätzlich noch mit einer
Bremse versehen, so daß auch ihre Arbeitsdrehrichtung gesperrt werden kann.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist anhand der Zeichnung näher
er-
läutert.
-
Sie zeigt ein erfindungsgemäß verbessertes Planetengetriebe im Längsschnitt.
-
Die Lage des Planetengetriebes im Gesamtaggregat
geht aus
den in der Zeichnung angedeuteten Konturen von Generator,
elastischer Kupplung und einem Teil des Gasturbinensatzes hervor.
Der
Generator 1 ist über eine elastische Kupplung 2 mit einer Welle 3 verbunden. Diese
führt in das Getriebegehäuse 4 hinein. Das innerhalb des Gehäuses befindliche Wellenende
ist als Scheibe 5 ausgebildet, welche mit Aufnahmenfür mehrere (z.B. drei) Wellen
6 versehen ist. Auf jeder dieser Wellen ist ein Stufen-Planetenrad 7 gelagert, dessen
kleinere Stufe 7a mit einem Innenzahnrad 8, und dessen größere Stufe 7b mit der
Verzahnung 9 der Welle 10 in Eingriff steht. Die Welle 10 trägt an ihrem anderen
Ende eine nicht dargestellte Arbeitsturbine, die mit dem Gaserzeuger 11 lediglich
über das Arbeitsgas verbunden ist. Eine Kupplung 12 ermöglicht eine Trennung der
Welle 10 zu Montagezwecken. Diese Kupplung bildet zugleich die Bremstrommel, auf
welche ein Bremsband 13 wirkt. Dieses Band wird beispielsweise durch einen hydraulischen
Antrieb 14 betätigt.
-
Das Innenzahnrad 8, welches in einem normalen Planetengetriebe stillsteht,
ist nun hier drehbar gelagert und bildet auf diese Weise über ein Verbindungsstück
25 einen zusätzlichen Abtrieb. Dieses Verbindungsstück weist einen Zahnkranz 15
auf, welcher eine oder mehrere durch das Getriebegehäuse nach außen führende Vorgelegewellen
16 antreibt. Diese übertragen ihr Drehmoment auf den Zahnkranz 17 der hohlen Schwungradnabe
18, die mittels der Lager 19, 20 auf der hohlen Achse 21 gelagert ist. Das
Schwungrad besteht, wie angedeutet, aus einem Kern 22, welcher durch Bolzen auf
der Nabe 18 befestigt ist, sowie aus mehreren Scheiben 23, die an den Kern
22 an-
montiert werden können. Die Schwungradnabe enthält auch den
Rücklaufstop
24 für das Schwungrad, beispielsweise ein sogenanntes "ballomatie backstop"-System
mit Fliehkraftentriegelung.
-
Im Normalbetrieb läuft die als Generator ausgelegte Maschine 1
als Motor. Sie bezieht ihre Leistung aus dem Netz. Drehrichtung und Drehzahl
entsprechen genau dom Zustand im Notbetrieb.Aber die Kupplung 2, Welle 3 und die
Scheibe 5 werden die Planeten'-wellen 6 mitgenommen. Das Planetenrad 7b stützt sich
auf der durch die Bandbremse 13 festgehaltenen Welle 10 ab, so daB das gesamte Drehmoment
sich über das Planetenrad 7a, Innenzahnrad 8, Zahnkranz 15, Vorgelegewellen 16 auf
das Schwungrad 22 überträgt. Die Drehzahl des Schwungrades ist durch entsprechende
Auslegung der Vorgelegewelle in weiten Grenzen frei wählbar.
-
Bei Ausfall des Netzes wird, beispielsweise durch den Spannungsabfall
gesteuert, der AnlaBvorgang des Notstromaggregates eingeleitet. Dabei wird zugleich
der Generator 1 schlagartig. belastet, die Bremse 13 an der Kupplung 12 gelöst und
der Startendes Gaserzeugers betätigt. Durch die plötzlich auftretende Belastung
am Generator kehrt sich auf dem ganzen Übertragungsweg durch das Getriebe die Richtung
der Drehmomente um. Die Schwungmasse wird abgebremst und gibt dabei kinetische Energie
an den Generator ab.
-
Das Rückdrehmoment des Planetenrades 7b, welches im Normalbetrieb
auf die Welle 10 in Arbeitsdrehrichtung der Turbine
wirkt,
kehrt sich ebenfalls um, s4 daß die Bremse 13 gelÖst werden kann.
Eine Drehung entgegen der Arbeitsdrehriehtung wird durch eine nicht dargestellte
Rüeklaufsperre (z. B.
"ballomatic baokstop") verhindert.
-
Der anlaufende Gaserzeuger i beaufsohlagt die Arbeitstur-
bine.
Sobald das an der Turbine verfügbare Drehmoment die
auf
die Welle 10 wirkende Rückdrehmoment überwiegt, be-
ginnt die Turbine
zu drehen. Die Turbinenleistung addiert
sich zu der vom Schwungrad
abgegebenen Leistung, bis letztere
aufgezehrt i*t und das
Schwungrad zum Stillstand gekommen ist.
Die Rüeklaufsperre
24 verhindert, daß das Schwungrad in entge-
gengesetzter Richtung anläuft.
Sie bildet damit auch über die
Vorgelegewellen 16 das Gegenlager für
das Rückdrehmoment, wel-
ches von den Planetenrädern ? auf das Innenzahnrad
8 ausgeübt
wird.
-
Nach Stillstand des Schwungrades ist der Übergang
vom Normalbetrieb zum Notbetrieb abgeschlossen. Die Arbeitsturbine, die
beispielsweise
in Abhängigkeit von der Frequenz des Generator-
Stromes geregelt
wird, liefert nun das gesamte Antriebsmoment für den Generator.
-
Durch geeignete Wärmebehandlung kann erreicht werden, daß
im
Schwungrad (im Ruhezustand) im äußeren Bereich eine Vorspannüng
herrscht, die entgegengesetzt zu den durch die Fliehkraft.
.erzeugten
Spannungen wirkt, so daß sich durch Überlagerung die
Endspannung
im Betrieb verringert.