NO157960B - Turbinsett med en generator som mater et nett med konstant frekvens. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et turbinsett med en turbin som gjen-nomstrømmes av vann og oppviser ikke stillbare løpeskovler (propellturbin), og som er sammenkoblet med en generator som via en frekvensregulerbar strømretter mater et nett med konstant frekvens på 50 eller 60 Hz, samtidig som turbinsettets virkningsgrad er trinnløst innstillbar i samsvar med den optimale virkningsgrad ved den elektriske effekt som skal avgis, og de hydrauliske forhold.

I fransk patentskrift 2 406 093 er der beskrevet et turbinsett bestående av en turbin som gjennomstrømmes av vann og har ikke stillbare ledeskovler (propellturbin), og som er sammenkoblet med en generator som via en frekvensregulerbar strømretter mater et nett med konstant frekvens. Det kjente turbinsett tjener til bruk ved vannløp med liten fallhøyde hvor den avgitte effekt som kan oppnås med turbinsettet, er begrenset, så der ved anvendelse av en turbin med ikke stillbare løpeskovler fås en forenkling av anordningen og en reduksjon av omkostningene, samtidig som der til tross for varierende omdreiningstall kan avgis strøm med konstant frekvens til nettet. Videre blir turbinsettets virkningsgrad optimert,

siden omdreiningstallet økes som funksjon av de hydrauliske betingelser og den elektriske effekt som skal avgis.

Videre er der fra tysk patentskrift 2 845 930 kjent

en anordning til omformning av kinetisk energi til elektrisk energi, hvor en asynkronmaskin av slepering-type drives av en vannturbin og mater et nett med konstant frekvens. Asynkronmaskinens rotor er via en statisk strømretter forbundet med det samme frekvenskonstante nett som statoren. Derved kan asynkronmaskinen drives med variabelt omdreiningstall svarende til den effekt som tilbys av turbinen. Ved anvendelse av en kurveforløpskalkulator er det mulig å la turbinen arbeide i optimum innen det respektive aktuelle hastighetsområde for drivmediet. Dermed kan turbinen i hele driftsområdet stadig drives med maksimalt mulig virkningsgrad, dvs. med størst mulig energiutbytte.

Ved turbinsett sondrer man mellom rørturbinaggregater, hvor turbinen har en horisontal eller skrånende aksel, og turbinaggregater med vertikal turbinaksel. Rørturbinaggregater ble til å begynne med utført med en propellturbin med faste løpeskovler, hvor generatorens rotor var anbragt direkte på yttergrensen av propellturbinens løpehjul. En slik propellturbin med mekanisk enkel og robust oppbygning har imidlertid den ulempe at virkningsgraden ved deilast blir meget dårlig på grunn av den manglende mulighet for innstilling av løpehjul-skovlene, og det ved generatoren betingede konstante omdreiningstall. Man utviklet så aksialturbiner med stillbare løpe-hjulskovler, dvs. kaplanturbiner, som ble benyttet i elvekraft-verk og for det meste med vertikal aksel. Generatoren er plassert utenfor strømningsrommet, og dens likeledes vertikale aksel forbundet med turbinakselen. Også med rørturbinaggre-gater benyttes kaplanturbiner med stillbare løpeskovler, hvor generatoren i så fall er anordnet innenfor den ene strømnings-kropp og drives direkte av kaplanturbinens aksel. Da denne strømningskropp ligger i vannstrømmen til turbinen, er den disponible plass for generatoren begrenset, noe som medfører vanskeligheter med hensyn til oppnåelig effekt av generatoren. Man har derfor også for et rørturbinaggregat med kaplanturbin undertiden anvendt en ytterkransgenerator, hvor generatorens polhjulkrans er separat hydrostatisk lagret på ytterkransen av kaplanturbinen. Denne anordning blir meget kostbar.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave ved et vannturbinsett med en propellturbin, en generator og en omretter å bedre virkningsgraden og utnyttelsen av turbinsettet.

For løsning av denne oppgave er et vannturbinsett av

den innledningsvis angitte art ifølge oppfinnelsen utformet slik at generatoren er dimensjonert for en merkefrekvens lavere enn 20 Hz, at turbinsettet er innrettet for å drives med en generator-utgangsfrekvens lavere enn 20 Hz, og at den frekvensregulerbare strømretter er en direkte omretter.

Ved dette vannturbinsett ifølge oppfinnelsen blir der takket være anvendelsen av en direkteomretter som frekvens-omformer mellom generatoren og nettet såvel som dimensjoneringen av generatoren med den direkte omretters lavere frekvens på mindre enn 20 Hz oppnådd en fordobling av utnyttelsen av ma-skinen. For på grunn av de vesentlig mindre vekselstrømtap kan den drives med høyere utnyttelsesfaktor. Denne utnyttelsesfaktor er som bekjent da

hvor D^ er diameteren av generatorens boring, L generatorens lengde og n dens omdreiningstall, samt kVA den avgitte tilsyne-latende effekt. Til tross for nødvendigheten av en strømretter svarer omkostningen for den lavfrekvente generator og den direkte omretter hos dette vannturbinsett til hva som gjelder for en normal 50- eller 60-Hz-generator. Videre oppnår man en reell omkostningsbesparelse ved anvendelsen av en propellturbin og får allikevel ved deilast en optimal virkningsgrad takket være forhåndsbestemmelsen av det tilsvarende omdreiningstall ved styring av generatorfrekvensen via den direkte omretter. Man oppnår således til enhver tid en god virkningsgrad, og usikre faktorer som opptrer på grunn av mangelfull tilpasning, f.eks. kavitasjon, faller bort. Den kostbare meka-niske regulering av et turbin-løpehjul via stillbare løpe-skovler for tilpasning til den effekt som skal avgis, er således erstattet med en elektrisk omdreiningstallregulering.

Ved et turbinaggregat i henhold til oppfinnelsen kan generatoren hensiktsmessig være av asynkron type. For forenkling av den konstruktive oppbygning er det videre gunstig om generatorens rotor har en burvikling og statoren på sin innside er forsynt med en vanntett mantel av umagnetisk og elektrisk ikke-ledende materiale og er vanntett innf lenset i turbin-røret. Den samlede ytterkrans hos propellturbinen og den på-sittende rotor hos generatoren ligger altså innenfor turbinens drivende vannløp. På denne måte blir de varmetap som under generatorens drift opptrer i rotorens burvikling, på enkleste måte ført bort av vannet. Da generatorens stator dessuten er ut-ført vanntett ved sin innvendige boring og direkte innflenset i turbinrøret, bortfaller de hittil nødvendige roterende tetninger mellom turbinens roterende ytterkrans og det stasjonære turbinrør, hvor tap ved vannlekkasje ikke lot seg unngå. Dessuten har anordningen de normale kjente fordeler ved anvendelsen av en asynkronmaskin som generator, altså bortfall av magneti-seringsinnretning og av strømtilførsel til rotoren via slepe-ringer.

På grunn av asynkronmaskinens lave frekvens kan generatorens rotor utføres massiv. Videre er det å anbefale mellom propellturbinens ytterkrans og turbinrørets flenser å anordne berøringsløse tetninger, f.eks. labyrinttetninger, for å for-hindre inntrengen av større fremmedlegemer i generatorens luftspalteområde. På grunn av trykkforskjellen mellom vann-innløp-og-utløp ved turbinen, strømmer turbinens vann alikevel omkring hele ytterkransen med burvikling.

I det følgende vil oppfinnelsen bli belyst nærmere ved utførelseseksempler som er anskueliggjort på tegningen. Fig. 1 viser skjematisk aksialsnitt gjennom et rørturbin-aggregat. Fig. 2 er prinsippkoblingsskjemaet for den anvendte generator. Fig. 3 viser aksialsnittet gjennom et annet rørturbin-aggregat. Fig. 4 viser aksialsnitt gjennom et turbinaggregat med vertikal aksel, og

fig. 5 viser skjematisk lengdesnitt av et turbinaggregat som er modifisert konstruktivt på en noe annen måte.

For like deler er der på fig. 1-4 benyttet samme henvis-ningstall.

Ved rørturbinaggregatet på fig. 1 er der i et elvekraft-verks rørlignende drivvannrom 1 anbragt en propellturbin 3 mellom støtteskovler 2. Foran turbinens løpehjul 4 sitter regulerbare ledeskovler 5. Løpehjulet 4 er udelt og har løpe-skovler 8 fast påstøpt navet 6 og ytterkransen 7. Ytterkransen 7 er avtettet mot turbinhuset 9 og bærer dessuten rotoren 10 hos generatoren 11.

Statorviklingen 12 hos generatoren 11 mater via en frekvensregulerbar direkte; virkende omretter 13 og transformatorer 14 nettet 15 med det konstante frekvens 50 Hz. Da den direkte omretter 13 har lav generatorsidig frekvens, er generatoren 11 dimensjonert for frekvenser under 20 Hz og vesentlig sterkere utnyttet enn en 50-Hz-maskin. Som følge av muligheten for regulering av den direkte omretter 13 kan generatoren 11 og den dermed forbundne propellturbin 3 fritt reguleres trinnløst med hensyn til omdreiningstall, så det er mulig å stille inn opti-malt omdreiningstall for propellturbinen 3 ved enhver belastning. Til tross for anvendelsen av den i mekanisk henseende meget robuste propellturbin 3 med ikke regulerbare løpeskovler 5 fås således, særlig ved deilast, en meget god virkningsgrad. Den direkte omretter 13 er anbragt i rørturbinaggregatets maskinhus 16, og forbindelsesledningene mellom generatoren 11, omretteren og transformatorene 14, såvel som tilførselsled-ningene til nettet 15 er ikke vist, idet de kan utføres på vanlig måte.

Fig. 3 viser et vannkraftverk med et annet rørturbin-aggregat, hvor der i drivvannrommet 1 via støtteskovler 2 er montert en strømningskropp 17 med propellturbinen 3 anbragt ved enden. Den horisontale aksel 18 hos propellturbinen 3 driver likeledes generatoren 11, som sitter innenfor støtte-kroppen 17 og bare er antydet skjematisk. Også her er den direkte omretter 13 anbragt innenfor maskinhuset 16.

Sluttelig viser fig. 4 et turbinaggregat med vertikal aksel. Også her er aksialturbinen med den vertikale aksel 19 utført som propellturbin 3, og akselen 19 driver generatoren 11. Den direkte omretter 13 er igjen anbragt i maskinhuset 16.

Takket være anvendelsen av en propellturbin 3 istedenfor en kaplanturbin, slik det hittil var vanlig ved slike turbinaggregater med vertikal aksel, er aggregatets hydrauliske del vesentlig forenklet. Allikevel krever dette ikke noen vesentlig tilleggsomkostning med hensyn til turbinaggregatets omdreiningstallregulering, som nå skjer elektrisk via omretteren 13, siden denne omretter 13 får tilstnekkelig plass innenfor det for-håndenværende maskinhus 16.

Det konstruktivt modifiserte turbinaggregat som er vist på fig. 5, består av propellturbinen 21 med .faste løpeskovler 22 og generatoren 23 i asynkron utførelse, hvis rotor 24 med burviklingen 25 bæres direkte av ytterkransen 26 hos propellturbinen 21. Både rotoren 24 og ytterkransen 26 er utført massive.

Generatorens stator 27 består av huset 28, hvis ring-formede vegger 29 barrer statorlamellpakken 3 0 med statorviklingen 31. For å holde den aksiale lengde av statoren 27

liten er viklehodene 32 hos statorviklingen 31 bøyet ut 90°

og forløper således parallelt med endeflatene av statorlamellpakken 30 og med ringveggene 29. Utenfor hvert viklehode 32 sitter en ringskive 33 som strekker seg inn til en ring 34,

som består av umagnetisk stål og slutter seg til endeflaten av statorlamellpakken 30. Diameteren av den innvendige boring 35 i statorlamellpakken 30 tilsvarer den innvendige diameter av ringen 34, så de to tilsammen danner innerflaten av statoren

27. Ringveggene 29 hos huset 28, ringen 34 og ringskiven 33

er innbyrdes forbundet til en stiv ramme. I forhold til denne er viklehodet 32 dessuten avstivet med støtteelementer 36 av kunststoff.

Videre er innsiden av statoren 27 foret med en vanntett mantel 37 som består av umagnetisk, elektrisk ikke-ledende materiale, og hvis kanter 44 dessuten er trukket opp langs de ytre ringskiver 33. Denne vanntette mantel 37 består av glassfiberarmert kunstharpiks.

Hele statoren 27 hos generatoren 23 er montert på flensene 38 på turbinrøret 39 med ikke viste festemidler. Statoren 23 er således vanntett innflenset i turbinrøret 3 9 og begrenser drivvannrommet. Vanntrykket opptas på dette sted av statorlamellpakken 30 og ringene 34, og ikke av mantelen 3 7,som vesentlig bare tjener til vanntett avtetning. Generatorens rotor 24 med burvikling 25 ligger således i drivvannrommet og omstrømmes av vannet. Bare er der mellom flensene 38 og endeflatene 40 av ytterkransen 26 anordnet labyrinttetninger 41

som forhindrer inntrengen av grove fremmedlegemer i luftspalten 42 hos generatoren 23 og ikke begrenser vannstrømmen mellom løpeskovlene 22. De varmetap som opptrer i burviklingen 25 under driften av generatoren 23, blir på enkleste måte ført bort av drivvannet.

Statorviklingen 31 hos generatoren 23 mater via den frekvensregulerbare direkte omretter 43 og transformatorene nettet med den konstante frekvens. Som følge av muligheten for frekvensregulering av den direkte omretter 43 kan generatoren 2 3 og den dermed forbundne propellturbin 21 fritt reguleres trinnløst med hensyn til omdreiningstall, så det på propellturbinen 21 for enhver belastning og for enhver fallhøyde er mulig å stille inn det optimale omdreiningstall. Der fås således meget god virkningsgrad, selv ved deilast, til tross for anvendelsen av den i mekanisk henseende meget robuste propellturbin 21 med ikke regulerbare løpeskovler 22.

Claims (9)

1. Turbinsett med en turbin som gjennomstrømmes av vann og har ikke stillbare løpeskovler (propellturbin), og som er sammenkoblet med en generator som via en frekvensregulerbar strømretter mater et nett med konstant frekvens på 50 eller 60 Hz, samtidig som turbinsettets omdreiningstall er trinnløst innstillbart i samsvar med den optimale virkningsgrad ved den elektriske effekt som skal avgis, og de hydrauliske forhold, karakterisert ved at generatoren (11) er dimensjonert for en merkefrekvens lavere enn 20 Hz, at turbinsettet er innrettet for å drives med en generator-utgangsfrekvens lavere enn 20 Hz, og at den frekvensregulerbare strøm-retter er en direkte omretter (13).

2. Turbinsett som angitt i krav 1, karakterisert ved at propellturbinen (3) i et rørturbinsett bærer generatorens (11) rotor (10) på løpehjulets (4) ytterkrans (7) .

3. Turbinsett som angitt i krav 1, karakterisert ved at generatoren (1) i et rørturbinsett er anordnet i et strømningslegeme (17) og forbundet med propellturbinens (3) aksel (18).

4. Turbinsett som angitt i krav 1, karakterisert ved at propellturbinen (3) har en vertikal aksel (19) sammenkoblet med generatorens (11) vertikale aksel.

5. Turbinsett som angitt i krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at generatoren (11) er av asynkron utførelse.

6. Turbinsett som angitt i krav 2 og 5, karakterisert ved at generatorens (23) rotor (24) har en burvikling (25), og at statoren (27) på innsiden er forsynt med en vanntett mantel (37) av umagnetisk, og elektrisk ikke-ledende materiale og vanntett innflenset i turbinrøret (39).

7. Turbinsett som angitt i krav 6, karakterisert ved at statorens (27) vanntette mantel (37) består av glassfiberarmert kunststoff.

8. Turbinsett som angitt i krav 6 eller 7, karakterisert ved at viklehodet (32) hos statorens (27) vikling (31) er krøket 90°.

9. Turbinsett som angitt i krav 6, karakterisert ved at generatorens (23) rotor (24) er utført massiv.