DE3005375C2

DE3005375C2 - Turbinensatz

Info

Publication number: DE3005375C2
Application number: DE3005375A
Authority: DE
Inventors: Franz 1000 Berlin Spirk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1985-04-25
Also published as: JPS56126675A; DE3005375A1; ZA81871B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinensatz mit einer von Wasser durchflossenen Turbine mit nicht verstellbaren Laufschaufeln (Propellerturbine), die mit einem Generator gekuppelt ist, der üb?·- einen frequenzregelbaren Stromrichter ein Netz konstanter Frequenz von 50 oder 60 Hz speist, wobei die Drehzahl des Turbinensatzes stufenlos entsprechend dem optimalen Wirkungsgrad bei der abzugebenden elektrischen Leistung und den hydraulischen Verhältnissen einstellbar ist.

In der FR-A 24 06 093 ist ein Turbinensatz, bestehend aus einer von Wasser durchflossenen Turbine mit nicht verstellbaren Laufschaufeln (Propellerturbine) beschrieben, die mit einem Generator gekuppelt ist, der über einen frequenzregelbaren Stromrichter ein Netz konstanter Frequenz speist. Der bekannte Turbinensatz dient für Wasseriäufe mit nur geringer Fallhöhe, bei denen die durch den Turbinensatz erzielbare Leistungsabgabe beschränkt ist, so daß durch den Einsatz einer Turbine mit nicht verstellbaren Laufschaufeln eine Vereinfachung der Anordnung und eine Verringerung des Aufwandes erzielt wird und trotz wechselnder Drehzahl eine Abgabe des Stromes mit konstanter Frequenz an das Netz gegeben ist. Weiterhin wird der Wirkungsgrad des Turbinensatzes optimiert, weil die Drehzahl als Funktion der hydraulischen Bedingungen und der abzugebenden elektrischen Leistung gesteuert wird.

Weiterhin sind aus der DE-Z »Elektrizitätswirtschaft« 1961, Heft 6 verschiedene Bauarten von Turbinensätzen bekannt, deren Generator als Asynchronmaschine ausgeführt ist.

Man unterscheidet bei Turbinensätzen zwischen Rohrturbinensätzen, bei denen die Turbine eine horizontale oder schräg gestellte Welle aufweist und Turbinensätzen mit einer Turbine mit vertikaler Welle. Rohrturbinensätze wurden zunächst mit einer Propellerturbine mit feststehenden Laufschaufeln ausgeführt, bei welcher d^r Läufer des Generators unmittelbar auf dem Außenkranz des Laufrades der Propellerturbine angeordnet ist Eine derartige, mechanisch einfach und robust aufgebaute Propellerturbine hat aber den Nachteil, daß wegen der Nichtversteilbarkeit der Laufschaufel und der durch den Generator bedingten konstanten Drehzahl die Teillastwirkungsgrade sehr schlecht sind. Man entwickelte dann Axialturbinen mit verstellbaren Laufradschaufeln, Kaplanturbinen, die in Flußkraftwerken mit vorwiegend vertikaler Welle eingesetzt werden. Mit dieser ist der außerhalb des Strömungsraumes Hegende Generator mit ebenfalls vertikaler Welle verbunden. Auch bei Rohrturbinensätzen werden Kaplanturbinen mit verstellbaren Laufschaufeln eingesetzt bei denen dann der Generator innerhalb eines Strömungskörpers angeordnet ist und von der Welle der Kaplanturbine direkt angetrieben wird. Da dieser Strömungskörper innerhalb des Wasserzuflusses zur Turbine liegt ist der für den Generator zur Verfugung stehende Raum beschränkt was Schwierigkeiten hinsichtlich der erreichbaren Leistung des Generators hervorruft Man hat deshalb auch für einen Rohrturbinensatz mit einer Kaplanturbine die Verwendung eines Außenkranzgenerators vorgesehen, wobei der Polradkranz des Generators auf dem Außenkranz der Kaplanturbine gesondert hydrostatisch gelagert ist. Diese Anordnung ist sehr aufwendig.

Aus dem Buch »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren« von G. Höltgen, 3. Auflage 1974, Siemens AG Berlin München sind Direktumrichter bekannt, deren Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsfrequenz etwa 2,5 : 1 nicht unterschreiten darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wasserturbinensatz mit einer Propellerturbine, einem Generator und einem Umrichter den Wirkungsgrad und die Ausnutzung des Turbinensatzes zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Wasserturbinensatz der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der Generator für eine Nennfrequenz kleiner als 20 Hz ausgelegt ist, daß der Turbinensatz mit einer Ausgangsfreqaenz "kfcmer als 20 Hz betrieben wird und daß der frequenzregelbare Stromrichter ein Direktumrichter ist.

Bei diesem Wasserturbinensatz gemäß der Erfindung wird durch die Verwendung eines Direktumrichters als Frequenzwandler zwischen dem Generator und dem Netz und die Auslegung des Generators mit der niedrigen Frequenz des Direktumrichters von kleiner als 20 Hz eine Verdopplung der Ausnutzung der Maschine erreicht. Er kann nämiich wegen der wesentlich geringeren Wechselstromverluste mit einer höheren Ausnutzungsziffer ausgelegt werden. Diese Ausnutzungsziffer ist bekanntlich dann

C =

kVA

D₁ILn

wobei D, der Bohrungsdurchmesser des Generators, L seine Länge und η seine Drehzahl sowie kVA die abgegebene Scheinleistung bedeutet. Trotz der Notwendigkeit eines Stromrichters ist bei diesem Wasserturbinensatz der Aufwand am niedrigfrequenten Generator und Direktumrichter dem eines normalen 50- oder 60-Hz-Generators entsprechend. Darüber erzielt man eine echte Aufwandeinsparung durch die Verwendung einer Propellerturbine und erhält dennoch bei Teillast einen optimalen Wirkungsgrad durch die Vorgabe der entsprechenden Drehzahl, durch Steuerung der Generatorfrequenz über den Direktumrichter. Man erzielt somit jeweils einen guten Wirkungsgrad und durch Nichtan-

passung auftretende Betriebsunsicherheiten, wie z. B. Kavitation, entfallen. Die aufwendige mechanische Regelung eines Turbinenlaufrades über verstellbare Laufschaufeln zur Anpassung an die abzugebende Leistung ist somit durch eine elektrische Drehzahlregelung ersetzt

Bei einem Turbinensatz gemäß der Erfindung kann der Generator in zweckmäßigerweise in asynchroner Bauart ausgeführt sein. Dann ist sein Läufer als einfacher Käfigläufer ausgebildet, und eine Stromzuführung zum Läufer entfällt.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der in den F i g. 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Fig. t zeigt, schematisch dargestellt, einen Schnitt durch einen Rohrturbinensatz; in

F i g. 2 ist das Prinzipschaltbild des dort verwendeten Generators dargestellt;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch einen anderen Rohrturbinensatz;

Fig.4 einen Schnitt durch einen Turbinensatz mit vertikaler Welle.

Für gleiche Teile sind jeweils die gleichen Bezugszahlen in allen Figuren verwendet

Bei dem Rohrturbinensatz nach F i g. 1 ist in dem rohrähnlichen Triebwasserraum 1 eines Laufkraftwerkes zwischen Stützschaufeln 2 eine Propellerturbine 3 vorgesehen, vor deren Laufrad 4 regulierbare Leitschaufeln 5 angeordnet sind. Das einteilige Laufrad 4 besitzt fest an der Nabe 6 und am Außenkranz 7 angegossene Laufschaufeln 8. Der Außenkranz 7 ist gegenüber dem Turbinengehäuse 9 abgedichtet und trägt außerdem den Rotor 10 des Generators 11.

Die Ständerwicklung 12 des Generators 11 speist über den frequenzregelbaren Direktumrichter 13 und Transformatoren 14 das Netz 15 mit der konstanten Frequenz von 50 Hz. Da der Direktumrichter 13 eine kleine generatorseitige Frequenz hat, ist der Generator 11 für Frequenzen kleiner als 20 Hz bemessen und wesentlich höher aasgenutzt als eine 50-Hz-Maschine. Infolge der Frequenzregelbarkeit des Direktumrichters 13 kann der Generator 11 und die mit ihm verbundene Propellerturbine 3 in der Drehzahl stufenlos frei verändert werden, so daß an der Propellerturbine 3 für jede Belastung die optimale Drehzahl eingestellt werden kann. Man hat somit auch bei Teillaster; trotz Verwendung der mechanisch sehr robusten Propellerturbine 3 mit nichtregelbarer. Laufschaufeln 5 einen sehr guten Wirkungsgrad bei Teillastbetrieb. Der Direktumrichter 13 ist im Maschinenhaus 16 Jas Rohrturbinensatzes untergebracht die Verbindungsleitungen zwischen dem Generator 11, eiern Direktumrichter 13 sowie den Transformatoren 14 und die Zuleitungen zum Netz 15 sind nicht dargestellt, aber in allgemein üblicher Weise ausgeführt. '

Fig.3 zeigt ein Laufkraftwerk mit einem anderen Rohrturbinensatz, bei dem im Triebwasserraum 1 über Stützschaufeln 2 ein Strömungskörper 17 angeordnet ist, an dessen Ende die Propellerturbine 3 liegt. Die horizontal verlaufende Welle 18 der Propellerturbine 3 treibt ebenfalls den innerhalb des Stützkörpers 17 befindlichen, nur schematisch angedeuteten Generator 11 an. Auch hier ist der Direktumrichter 13 innerhalb des Maschinenhauses 16 untergebracht.

In F i g. 4 ist schließlich ein Tubinensatz mit einer vertikalen Welle dargestellt. Auch hier ist die Axialturbine mit der vertikalen Welle 19 ,"Js Propellerturbine 3 ausgebildet, und die Welle 19 treibt den Generator 11 an.

Der Direktumrichter 13 ist wiederum im Maschinenhaus 16 untergebracht Durch die Verwendung einer Propellerturbine 3 anstelle einer bei derartigen Turbinensätzen mit vertikaler Welle bisher üblichen Kaplanturbine ist der hydraulische Teil wesentlich vereinfacht Trotzdem erfordert dies keinen wesentlichen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der nun elektrisch über den Direktumrichter 13 vorgenommenen Drehzahlregelung des Turbinensatzes, da der Direktumrichter 13 genügend Platz innerhalb des vorhandenen Maschinengehäuses 16 findet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbinensatz mit einer von Wasser durchflossenen Turbine mit nicht verstellbaren Laufschaufeln (Propellerturbine), die mit einem Generator gekuppelt ist, der über einen frequenzregelbaren Stromrichter ein Netz konstanter Frequenz von 50 oder 60 Hz speist wobei die Drehzahl des Turbinensatzes stufenlos entsprechend dem optimalen Wirkungsgrad bei der abzugebenden elektrischen Leistung und den hydraulischen Verhältnissen einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (11) für eine Nennfrequenz kleiner als 20 Hz ausgelegt ist, daß der Turbinensatz mit einer Ausgangsfrequenz kleiner als 20 Hz betrieben wird und daß der frequenzregelbare Stromrichter ein Direktumrichter (13) ist.

Z Turbinensatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rohrturbinensatz die Propellerturbine (3) auf dem AuSenkranz (7) des Laufrades (4) den Läufer (t0) des Generators (11) trägt.

3. Turbinensatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (11) in asynchroner Bauart ausgeführt ist.