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Aktiengesellschaft der Maschinenfabriken Escher Wyss & Cie in
Zürich Einrichtung für das Zu- und Abschalten einer Pumpe während des Betriebes
bei hydraulischen Speicherkraftanlagen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für
das Zu- und Abschalten einer Pumpe während des Betriebes bei hydraulischen Speicherkraftanlagen
mit als Motorgenerator ausgebildetem elektrischem Teil.
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Bei derartigen Anlagen werden vielfach sogenannte Verbundkupplungen
vorgesehen, sobald das Zu- und Abschalten von Pumpen größerer Leistung in Betracht
kommt, da Verbundkupplungen ein Ein- und Ausrücken der Pumpen auch bei voller Umdrehungszahl
des Motorgenerators .erlauben. Solche Verbundkupplungen setzen sich aus einer hydraulischen
Strömungskupplung, die den anzutreibenden Teil von Null auf eine der Betriebsdrehzahl
beliebig nahe Drehzahl durch Strömungswirkung hinauf zu beschleunigen hat, und einer
mechanischen Kupplung zusammen. Die Strömungskupplung ist während des eigentlichen
Betriebes jeweils auszuschalten, was am einfachsten durch Entleeren derselben erreichbar
ist.
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Ist die mechanische Kupplung der Verbundkupplung beispielsweise als
Klauenkupplung ausgebildet, welche Art von mechanischer Kupplung Gewähr für die
zuverlässigste Verriegelung bietet, so darf diese Klauenkupplung erst ein- oder
ausgerückt werden, nachdem die hydraulische Strömungskupplung in der Lage ist, bei
Synchronismus der Umdrehungszahl beider Maschinen eine Leistung aufzubringen, die
der Leerlaufarbeit der gefüllten Pumpe entspricht:- Zum Zwecke einer solchen Leistungserzeugung
wird die Strömungskupplung mit einem mit der Antriebsmaschine, also dem Motorgenerator,
gekuppelten Pumpenrad und einem mit der anzutreibenden Maschine, also der Pumpe,
gekuppelten Turbinenrad ausgestattet, wobei das Pumpenrad eine Flüssigkeit veranlaßt,
durch dasselbe und das Turbinenrad zu kreisen.
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Die. Räder solcher Strömungskupplungen erhalten bei größeren Speicherkraftanlagen
gewaltige Abmessungen, denn beträgt die Arbeitsaufnahme der Pumpe z. B. 30
000 PS, so erfordert deren Leerlaufarbeit im gefüllten Zustand etwa zo ooo
PS. Nimmt man an, daß der kombinierte Wirkungsgrad des Turbinen- und Pumpenrades
der Verbundkupplung etwa 65 % beträgt, so ist dann an der Welle der Pumpenantriebsmaschine
.eine Arbeitsleistung von etwa 15 000 PS aufzubringen.
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Tritt während des Pumpenbetriebes der Fall ein, daß aus irgendeinem
Grunde die Stromlieferung des Netzes, an dem die Antriebsmaschine der Pumpe läuft,
zurückgeht, so muß für eine Entlastung dadurch gesorgt werden, daß die Pumpe bis
zur Mindestleistung herunterreguliert wird. Diese Mindest-
Leistung
beträgt im erwähnten Beispiel io ooo PS. Um eine vollständige Entlastung der Antriebsmaschine
zu erreichen, ist die Pumpe abzuschalten. Hierzu muß die hydraulische Kupplung wieder
in Tätigkeit gesetzt werden, da das Abschalten der Pumpe erst erfolgen kann, nachdem
das Drehmoment gleich groß geworden ist, d. h. mit andern Worten, es müssen im Augenblick
des Abschaltens an der Welle der Antriebsmaschine etwa 15 ooo PS abgegeben
werden. Das ist in bezug auf das Netz ein recht ungünstiges Erfordernis, weil, nachdem
bereits leine Entlastung auf io ooo PS erfolgt ist, nochmals eine Leistungssteigerung
um 5 ooo PS eintritt, die unter Umständen ein Herausfallen der Antri.ebsma,schine
zur Folge haben kann.
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Der eben besprochene Nachteil wird behoben, wenn bei einer Einrichtung,
die für das Zu- und Abschalten einer Pumpe während des Betriebes bei Anlagen der
eingangs erwähnten Art dient und welche eine ein- und ausrückbare mechanische Kupplung
zwischen Pumpenantriebsmaschine und Pumpe aufweist, gemäß vorliegender Erfindung
in Verbindung mit der Pumpenwelle- eine Hilfsturbine vorgesehen wird, die mit Druckwasser
der Speicheranlage betrieben wird und welche mindestens die nötige Leistung aufbringen
kann, um die Leerlaufarbeit der Pumpe überwinden zu können. Diese Hilfsturbine bezieht
dann die Energie aus der Druckleitung der Speicheranlage und vermeidet daher jegliche
zusätzliche Belastung der Pumpenantriiebsma.-scbine während des Abkuppelns der Pumpe.
Vom Augenblicke an, wo die Hilfsturbine eingeschaltet wird, ist sie imstande, die
gesamte Leerlaufarbeit äufzubringen, welche die mit Wasser gefüllte Pumpe verbraucht,
so daß das Aufbringen dieser Leerlaufarbeit dem Motorgenerator abgenommen wird und
letzterer infolgedessen während des Abschaltens der Pumpe nicht aus dem Tritt fallen
wird. Beim Ausfallen des Stroms kann die Hilfsturbine sogar in die Lage kommen,
Energie an den Motorgenerator abzugeben, so, daß ein Abfallen der Drehzahl bzw.
das Rückwärtslaufen der Pumpe und das Arbeiten derselben als Turbine verhindert
werden kann.
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Der Wirkungsgrad der Hilfsturbine, d. h. der Wasserverbrauch beim
Anlassen des Maschinenlatzes, ist wegen der geringen Dauer der Benutzung für die
Wirtschaftlichkeit der Speicheranlage von untergeordneter Bedeutung. Somit kann
die Hilfsturbine mit festem Leitapparat versehen werden, und sie braucht nur so
groß bemessen zu werden, daß sie lediglich in der Lage ist, die erforderliche Leerlaufarbeit
zu erzeugen.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine Ausführung der Erfindung beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt die Abbildung teilweise in Seitenansicht und teRweise
im Schnitt eine Speicherpumpe, einen Teil der als Motorgenerator ausgebildeten Antriebsmaschine
dieser Pumpe sowie eine zwischen diesen Maschinen angeordnete Einrichtung zum Zu-
und Abschalten der Pumpe während des Betriebes.
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i bezeichnet den als Motorgenerator ausgebildeten elektrischen Teil.
der hydraulischen Speicherkraftanlage, deren zur Kraftabgabe dienende Hauptturbine
der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. 2 ist eine Speicherpumpe- mit doppelseitigem
Zulauf; die beiden Saugrohre dieser Pumpe sind mit 3 und q. und deren Druckleitung
ist mit 5 :bezeichnet. Ein Schieber 6 beherrscht die Verbindung zwischen Pumpe 2
und Druckleitung 5, welche mit einem nicht gezeigten Speicherbecken in Verbindung
steht. 13 bezeichnet eine ausrückbare mechanische Kupplung, welche die Welle des
Motorgenerators i mit der Welle der Pumpe 2 zu kuppeln gestattet. Mit der pumpenseitigen
Hälfte dieser Kupplung 13 ist das Laufrad einer Hilfsturbine 7 fest verbunden, die
als Freistrahlturbine a:sgebildet ist. Das Einlaufrohr 8 der Hilfsturbine 7 ist
über einen einstellbaren Schieber 9 an die Druckleitung 5 angeschlossen. i q. bezeichnet
das Ablaufrohr der Hilfsturbine 7, die also mit Druckmesser der Speicheranlage betrieben
werden kann und so bemessen ist, daß sie die nötige Leistung aufbringen kann, um
die Leerlaufarbeit der Pumpe überwinden zu können. 12 ist ein zum Ein- und Ausrücken
der mechanischen Kupplung 13 dienender Servomotor. Um erforderlichenfalls das Wasser
aus dem Gehäuse der Hilfsturbine 7 mit Druckluft pressen zu können, ist eine Druckluftleitung
16 an das Gehäuseinnere angeschlossen. Ferner ist eine Entleerungsanlage
17 vorgesehen, durch die allfällig zuzuführendes Spritzwasser und sonstiges
im Turbinengehäuse sich ansammelndes Wasser in den nicht gezeigten Sickerwasserkanal
abgeleitet werden kann. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist in das Ablaufrohr
i q. noch ein Absperrschieber 15 eingebaut, der nach Abschluß der Düse für den Freistrahl
geschlossen wird, um ein Ansteigen des Wassers im Gehäuse der Hilfsturbine 7 zu
verhindern, falls der Unterwasserspiegel so hoch ansteigen kann, daß das Turbinenrad
Gefahr läuft, vom Wasser berührt zu werden.
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Bei stillstehender Pumpe 2 sind die Schieber 6 und 9 geschlossen,
und die mechanische Kupplung 13 ist ausgerückt. Ist nun möglichst rasch, d. h. ohne
Stillsetzen des Motorgenerators i, vom Kraftbetrieb auf den Pumpenbetrieb überzugehen,
so wird vorerst die
nicht gezeigte Düsennadel der Hilfsturbine in
die Lage gebracht, in welcher sie eine Beaufschlagung des Laufrades der Hilfsturbine
7 gestattet. Bei noch abgesperrt bleibendem Schieber 6 wird hierauf der Schieber
9 geöffnet, so daß dann Druckwasser aus dem Speicherbecken der Hilfsturbine 7 zuströmen
kann, die nun anfängt Leistung abzugeben. Diese Hilfsturbine 7 ist, wie erwähnt,
so b@emessen, daß sie die gesamte Schaltleistung, d. h. die Leerlaufarbeit der Pumpe
2, aufbringen kann. Erreicht der aus Hilfsturbine 7 und Pumpe 2 bestehende Maschinensatz
die normale Drehzahl des Motorgenerators i, d. h. der Antriebsmaschine für die einzuschaltende
Pumpe 2, so wird die mechanische Kupplung 3 eingerückt und hierauf der Schieber
9 geschlossen sowie die Düsennadel der Freistrahlturbine 7 in die Schließlage gebracht.
Sobald der Schieber 6 geöffnet ist, kann die Förderung der Pumpe 2 beginnen. Mit
Hilfe der Leitung 17 ist jetzt für eine Entleerung des Gehäuses der von der Pumpe
2 mitgenommenen Hilfsturbine 7 zu sorgen, damit ihr Laufrad nur in Luft zu laufen
braucht.
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Die Hilfsturbine 7 kann als Sicherheitseinrichtung verwendet werden,
um ein Durchgehen der Pumpe 2 bzw. ein Umkehren ihrer Drehrichtung zu verhindern,
wenn dafür gesorgt wird, daß bei unzulässiger Verminderung der Pumpendrehzahl oder
beim Ausfallen des Stromes der Absperrschieber 9, welcher den Zutritt des Druckwassers
zur Hilfsturbine 7 beherrscht, und die Düsennadel selbsttätig geöffnet werden.
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Die Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung ermöglicht den weiteren
großen Vorteil zu erreichen, daß eine aus Speicherturbine, Motorgenerator und Speicherpumpe
bestehende Gruppe nicht brachzuliegen braucht, wenn die Speicherturbine in Reparatur
sich befindet, da die Speicherpumpe bereits mit Hilfe der Hilfsturbine 7 (falls
sie genügend groß bemessen ist), also ohne Inanspruchnahme der Speicherturbine,
auf die Betriebsdrehzahl des Motorgenerators gebracht werden kann. Während beim
Vorsehen einer Verbundkupplung mit hydraulischer Strömungskupplung das Pumpenrad
der letzteren beim Turbinenbetrieb ständig leer mitläuft und daher dauernde Reibungsverluste
bedingt, fallen diese Verluste bei Anwendung des Erfindungsgegenstandes ganz weg,
weil beim Turbinenbetrieb das Laufrad der Hilfsturbine überhaupt nicht mitläuft.
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Anstatt des dargestellten Freistra:hllaufi rades kann für die Hilfsturbine
auch ein Überdrucklaufrad in Frage kommen. Als ausrückbare mechanische Kupplung
kann z. B. eine Reibungs- oder Klauenkupplung vorgesehen werden. Gewünschtenfalls
können die mechanische Kupplung und das Laufrad der Hilfsturbine auch räumlich getrennt
angeordnet werden, indem letzteres an irgendeiner Stelle der Pumpenwelle angebracht
wenden kann.