DE2313095B1 - - Google Patents

Description

zum Fördern in einem oberen, bis zur maximalen wiederum auf den Optimalwert bezogene Einheits-Förderhöhe reichenden Förderhöhenteilbereich; und wasserstrom O₁VOiOp/ aufgetragen ist. Im Diagramm die Pumpenturbine als Pumpe allein zum Fördern in sind für den Turbinenbetrieb die an sich bekannten, einem unteren, bis zur kleinsten Förderhöhe reichen- als Muschelkurven bezeichneten Wirkungsgradkurven den Förderhöhenteilbereich ausgelegt ist, wobei 5 rj/rj_opt und die Kurven der verschiedenen Leitradbeide Bereiche wenigstens aneinandergrenzen, wäh- öffnungen ala_vM eingezeichnet sowie die Pumpenrend die Pumpenturbine als Turbine zum Betrieb in- kennlinie Pu für den Pumpbetrieb der Pumpenturbine. nerhalb des gesamten Fallhöhenbereiches dient. Da- Zusätzlich sind hier zum besseren Verständnis rechts bei wird die Pumpenturbine zweckmäßigerweise der- an das Diagramm angefügt die Kurven der Kaviart ausgelegt, daß die maximale Förderhöhe in an io tationsbeiwerte σ und der Wirkungsgrade r\_P für den sich bekannter Weise im Bereich des Optimums des Pumpbetrieb der Pumpenturbine, und zwar in Ab-Turbinenkennfeldes, vorzugsweise etwas unterhalb hängigkeit von Q(IQl_opt.
der optimalen Einheitsdrehzahl, liegt. Zunächst seien das Betriebsverhalten einer be-

Man erhält so eine Pumpspeicheranlage mit gro- kannten Pumpspeicheranlage mit lediglich einer

ßem Fall- bzw. Förderhöhenbereich, die in wirt- 15 Pumpenturbine an Hand dieses Diagramms erläutert,

schaftlicher Weise sowohl im Turbinenbetrieb als Hierfür sind im Diagramm strichpunktiert H_{1 max} und

auch im Pumpenbetrieb bei gutem Wirkungsgrad und H_{1 min} für die maximale und minimale Fall- bzw.

insbesondere im Pumpenbetrieb unter weitestgehen- Förderhöhe für den relativ großen Betriebsbereich F₁

der Vermeidung kavitationsgefährdeter Bereiche ar- eingezeichnet; dabei sind zur Vereinfachung der Dar-

beitet. 20 stellung die Rohrleitungsverluste unberücksichtigt ge-

Es ist zwar zum Bewältigen großer Fall- bzw. lassen. Im Turbinenbetrieb liegt dieser Bereich be-Förderhöhen eine Pumpspeicheranlage mit einer kanntlich außerhalb des Optimalpunktes η/η_ορί = 1, Pumpenturbine und einer zusätzlichen Pumpe be- für die maximale Fallhöhe H_lmax zwar noch relativ kanntgeworden, bei welcher im Pumpenbetrieb beide nahe diesem Punkt, aber bei minimaler Fallhöhe Maschinen hintereinandergeschaltet gleichzeitig zum 25 H_{1 min} selbst bei voller Leitradöffnung a/a_voU = 1 Einsatz kommen (Aufsatz »Hydraulische Maschinen unterhalb η/η_ορί — 0,7. Für den Pumpbetrieb ist aus für Pumpspeicheranlagen...« von E. H. Mühle- dem Diagramm zu ersehen, daß im unteren Fördermann in Escher-Wyss-Mitteilungen 1972/1, S. 3 höhenteilbereich sich, wie schon anfangs dargelegt, bis 11, insbesondere Bild 6, S. 6). Dabei übernimmt ungünstige Kavitationsbeiwerte σ und Wirkungsjede Maschine einen Teil der Gesamtförderhöhe. Für 3° grade η_Ρ ergeben. In dem dargestellten Diagrammdie Bewältigung eines großen Förderhöhenbereiches beispiel liegen diese ungünstigen Werte etwa über ist eine solche Anlage jedoch nicht geeignet, da hier Q₁Vo₁O,,; = 1,4.

die gleichen oben geschilderten nachteiligen Betriebs- Völlig anders liegen die Verhältnisse, wenn die zustände auftreten würden. Außerdem macht diese Speicheranlage gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Anordnung eine besondere Anfahrturbine notwendig, 35 Der Fall- bzw. Förderhöhenbereich F₂ ist für diesen während bei einer Anlage nach der vorliegenden Er- Fall mit entsprechenden Linien Strich-Punkt-Punktfindung auf eine besondere Anfahrturbine verzichtet Strich für H_2min bzw. H_2max im Diagramm der Fig. 1 werden kann, wenn gemäß einer bevorzugten Aus- eingezeichnet. Es ist klar ersichtlich, daß der Optimalführangsform der Erfindung die zusätzliche Pumpe punkt η/η_ορί = 1 für den Turbinenbetrieb voll erfaßt in der gleichen Drehrichtung wie die Pumpenturbine 4° wird und nahe bei H_2max liegt. Auch für H_2min erim Turbinenbetrieb betrieben wird. Dann kann näm- geben sich noch recht günstige Wirkungsgradwerte, lieh die Pumpe mit der als Turbine laufenden Pum- Für den Pumpenbetrieb zerfällt der Förderhöhenpenturbine hochgefahren werden und die Pumpe als bereich F, in zwei Teilbereiche F₂ „ und F₂₀. Die Anfahrturbine für die Pumpenturbine in Pumpen- Pumpenturbine kann natürlich für den Pumpendrehrichtung eingesetzt werden. Obwohl letzteres nur 45 betrieb nur in dem unteren Fallhöhenbereich F₂ „ bis im unteren Fallhöhenbereich geschieht, bei dem die herab zu H_{2 min} eingesetzt werden. Die obere Grenze Pumpe als Turbine laufend in einem verhältnismäßig dieses Bereiches liegt etwa bei dem Wert H_lmax des ungünstigen Betriebsgebiet arbeitet, wird das in den ersten Beispiels einer Anlage mit einer Pumpenmeisten Fällen herab bis zur Mindestfallhöhe möglich turbine allein. Die sich für den Bereich F₂ „ ergebensein, weil einmal die Pumpennennleistung der Pum- 50 den η_Ρ- und σ-Werte in der Höhe des Schnittpunktes penturbine kleiner ist als die der Pumpe und zum H_2min mit der Pumpenkennlinie Pm sind wesentlich anderen beim Anfahren gegen den geschlossenen günstiger als im zuerst dargestellten Fall. Der an-Leitapparat maximal nur etwa 25 °/o der Nennleistung grenzende obere Teilbereich F₂₀ wird allein von der benötigt werden, wenn die Nenndrehzahl erreicht ist. zusätzlichen Pumpe übernommen, die speziell für

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeich- 55 diesen Förderhöhenteilbereich ausgelegt werden

nung näher erläutert. Darin zeigt kann. Die Aufteilung beider Pumpbereiche sollte so

Fig. 1 ein Kennfelddiagramm der Maschinen einer erfolgen, daß sich eine gewisse Überlappung ergibt Pumpspeicheranlage nach der Erfindung und . und daß insgesamt ein optimaler Wirkungsgrad und

F i g. 2 und 3 schematisch zwei beispielsweise An- eine geringstmögliche Einbaukote erzielbar ist.

Ordnungsmöglichkeiten der Maschinen einer solchen 60 In Fig. 2 ist als Beispiel eine erfindungsgemäße

Anlage. Anlage mit liegender Welle 4 dargestellt. Zwischen

In dem Diagramm nach Fig. 1 sind auf der Abs- der Pumpenturbine 5 und der zusätzlichen Pumpe 6

zisse von links nach rechts steigend die jeweils auf ist der Motorgenerator 7 angeordnet. Die jeweils

den Optimalwert bezogenen Einheitsdrehzahlen H₁'/ nicht im Einsatz befindliche Maschine 5 oder 6 wird

Ti₁OpI ¹¹¹Id ^von rechts nach links steigend der ent- 65 belüftet.

sprechend ebenfalls jeweils auf den Optimalwert be- Bei einem Maschinensatz mit senkrechter Welle 8

zogene Wert für die Fall- bzw. Förderhöhe H/H_opt gemäß F i g. 3 sollte möglichst diejenige hydraulische

aufgetragen, während auf der Ordinate Links der Maschine nach unten gesetzt werden, welche die

größere Zulaufhöhe benötigt. Ih dem Ausführungsbeispiel ist die Pumpenturbine 5 für eine größere Zulaufhöhe ausgelegt, denn vorteilhafterweise sollte das Saugrohr 9 der Pumpenturbine 5 nicht von der Welle 8 durchdrungen sein und mit Rücksicht auf den Turbinenbetrieb eine ausreichende axiale Erstreckung des Saugkrümmers verwirklicht werden können. Die Pumpe 6 ist in diesem Beispiel unmittelbar über der Pumpenturbine angeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, sie oberhalb des Motorgenerators 7 mit nach oben gehendem Saugkrümmer anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 im Pumpbetrieb muß mit wachsender Entfernung Patentansprüche: vom optimalen Betriebspunkt infolge von Strömungs ablösungen mit zunehmenden Druckschwankungen

1. Pumpspeicheranlage, insbesondere für gro- am Eintritt sowohl des Leitapparates als auch des ßen Fall- bzw. Förderhöhenbereich, mit einer 5 Laufrades gerechnet werden. Am gravierendsten ist mit dem elektrischen Motorgenerator gekoppel- aber, daß im Pumpbetrieb mit zunehmender Entferten Pumpenturbine mit verstellbaren Leitschau- nung vom optimalen Betriebspunkt das Kavitationsfein, dadurch gekennzeichnet, daß in verhalten immer ungünstiger wird.

an sich bekannter Weise zusätzlich eine gleich- Es ist bekannt, zur Vermeidung unerwünschter falls mit dem elektrischen Motorgenerator ge- ίο Kavitationsauswirkungen sowohl hinsichtlich evenkoppelte Pumpe angeordnet ist und daß Pumpen- tueller Materialzerstörung als auch hinsichtlich eines turbine und Pumpe je für sich allein mit dem nachteiligen Einflusses auf die Kennlinien mit wach-Betriebsmittel beaufschlagbar sind und die zu- sendem Förderhöhenbereich wesentlich tiefere Einsätzliche Pumpe allein zum Fördern in einem baukoten der Maschine zu wählen als bei kleinerem oberen, bis zur maximalen Förderhöhe reichen- ig Förderhöhenbereich in der Nähe des optimalen Beden Förderhöhenteilbereich und die Pumpentur- triebspunktes. Aber vor allem die bei abnehmender bine als Pumpe allein zum Fördern in einem Förderhöhe oder zunehmendem Förderstrom verunteren, bis zur kleinsten Förderhöhe reichen- stärkt auftretende Druckseitenkavitation am Laufrad den Förderhöhenteilbereich ausgelegt ist, wobei würde wirtschaftlich nicht mehr zu verwirklichende beide Bereiche wenigstens aneinandergrenzen, ao extrem große Zulaufhöhen erfordern, um den damit während die Pumpenturbine als Turbine zum verbundenen Wirkungsgradabfall und ein Verschie-Verarbeiten des gesamten Fallhöhenbereiches ben auf der Kennlinie in den ab einem bestimmten dient. Bereich vorliegenden steilen Förderhöhenabfall zu

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- vermeiden.

zeichnet, daß die Pumpenturbine in an sich be- 25 Diese physikalisch bedingten Vorgänge gelten allkannter Weise derart ausgelegt ist, daß die gemein sowohl für sogenannte konventionelle, aus maximale Fallhöhe im Bereich des Optimums des Pumpe und Turbine bestehende Maschinensätze, als Turbinenkennfeldes, vorzugsweise etwas unter- auch für Maschinensätze mit umsteuerbaren Pumhalb der optimalen Einheitsdrehzahl, liegt. penturbinen. Bei letzteren liegen allerdings noch die

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 30 folgenden Besonderheiten vor. Bedingt durch die regekennzeichnet, daß die Drehrichtung der Pumpe lative Lage der Pumpenkennlinie außerhalb des Opdie gleiche wie die der Pumpenturbine im Tür- timums des Turbinenkennfeldes kommt man schon binenbetrieb ist. bei einem viel kleineren Fallhöhenbereich mit ab-

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nehmender Fallhöhe in die beschriebenen ungünstizeichnet, daß zum Anfahren der Pumpenturbine 35 gen Zustände des Turbinenbetriebes.

zum Pumpenbetrieb die Pumpe als Anfahrte- Es besteht zwar bis zu einem gewissen Grad im

bine dient. Pumpenbetrieb bei einer Pumpenturbine mit verstell-

5. Anlage nach Anspruch 4, mit einem ver- barem Leitapparat die Möglichkeit, den Förderstrom stellbaren Leitapparat für die Pumpe, dadurch bei abnehmender Förderhöhe durch Verkleinern gekennzeichnet, daß der Leitapparat auf eine 40 der Leitradöffnung so zu begrenzen, daß die an sich, weitere als für normalen Pumpenbetrieb erforder- d. h. ohne verstellbaren Leitapparat, erforderliche liehe Öffnung offenbar ist. Einbautiefe verringert werden kann. Dabei wird aber

die Pumpenkennlinie in einen ungünstigen Wirkungsgradbereich verschoben. Die nachteilige Wirkung im

45 Turbinenbetrieb gegenüber einem Maschinensatz mit

getrennter Turbine kann zwar gegebenenfalls dadurch ausgeglichen werden, daß für den Turbinen-

Die Erfindung betrifft eine Pumpspeicheranlage, betrieb eine kleinere Drehzahl als für den Pumpeninsbesondere für großen Fall- bzw. Förderhöhen- betrieb gewählt wird. Dies zieht jedoch wieder einen bereich, mit einer mit dem elektrischen Motorgene- 50 großen Aufwand für den elektrischen Teil der Anrator gekoppelten Pumpenturbine mit verstellbaren lage nach sich und läßt sich nicht in jedem Drehzahl-Leitschaufeln, bereich vorteilhaft ausnutzen.

Bekanntlich liegen bei gleicher Drehzahl in beiden Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Betriebsarten einer Pumpenturbine aus physikalischen Pumpspeicheranlage mit einer Pumpenturbine zu Gründen die Optima im Turbinen- und Pumpen- 55 schaffen, welche es gestattet, in beiden Betriebsarten betrieb bei verschiedenen Fall- bzw. Förderhöhen. einen weiten Höhenbereich zu überstreichen, wobei Bei Pumpspeicheranlagen mit relativ großem Be- die Anlage aber trotzdem in beiden Betriebsarten triebsbereich zwischen maximaler und minimaler außerhalb ungünstiger Kennfeldbereiche bezüglich Fall- bzw. Förderhöhe treten folgende erschwerende Kavitationsverhalten oder Wirkungsgrad arbeitet und Verhältnisse auf. In beiden Betriebsarten sind Be- 60 wirtschaftlich nicht vertretbar tiefe Einbaukoten soreiche mit relativ niedrigem Wirkungsgrad in Kauf wie eine elektrische Maschine mit zwei Drehzahlen zu nehmen; normalerweise ist dies in dem unteren vermieden werden.

Teil des Fall- und Förderhöhenbereiches der Fall. Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß in

Damit verbunden ist meist eine Steigerung der Lauf- an sich bekannter Weise zusätzlich eine gleichfalls unruhe. Im Turbinenbetrieb dehnt sich das mit 65 mit dem elektrischen Motorgenerator gekoppelte Druckschwankungen im Saugrohr und den damit zu- Pumpe angeordnet ist und daß Pumpenturbine und sammenhängenden nachteiligen Folgeerscheinungen Pumpe je für sich allein mit dem Betriebsmittel bebehaftete Gebiet stärker und weiter aus. Aber auch aufschlagbar sind und die zusätzliche Pumpe allein