Hydraulische Speicheranlage Mit der Verwendung von Pumpenturbinen, also von Strömungsmaschinen, die in der einen Durch flussrichtung als Turbine und in der anderen Durch flussrichtung als Pumpe betrieben werden, lassen sich bei hydraulischen Speicheranlagen gegenüber der Ver wendung gesonderter Turbinen und Pumpen erheb liche maschinentechnische und bauliche Verein fachungen erzielen.
Allerdings haben diese Pumpen turbinen den Nachteil, dass ihr Wirkungsgradoptimum im Turbinenbetrieb bei einer Fallhöhe liegt, die etwa 5 bis 3-0 ö grösser ist als die Förderhöhe, bei der sie bei derselben Betriebsdrehzahl im Pumpenbetrieb das Wirkungsgradoptimum haben. Wird eine solche Pum penturbine also in beiden Durchflussrichtungen mit derselben Drehzahl betrieben, so arbeitet sie demzu folge nur in der einen der beiden Durchflussrichtungen, also entweder im Turbinenbetrieb oder im Pumpen betrieb, in einem günstigen Wirkungsgradbereich.
Zur Beseitigung dieses Nachteils bei der Verwendung von Pumpenturbinen hat man daher schon vorgeschlagen, die Pumpenturbinen mittels polumschaltbarer Motor generatoren in den beiden Drehrichtungen mit ver schieden grossen Drehzahlen zu betreiben, und zwar im Pumpenbetrieb mit einer höheren Drehzahl als im Turbinenbetrieb. Da die Erstellung grosser polum schaltbarer Motorgeneratoren, d. h. grosser Motor generatoren für zwei verschiedene Drehzahlen, sehr aufwendig und kostspielig ist, wurde diese Lösung jedoch verhältnismässig selten angewendet, um so mehr, als fast für jedes Pumpenturbinenprojekt ei-he andere Drehzahlpaarung ausgeführt werden musste.
Die Erfindung gibt nun einen Weg an, der die vorteilhafte Verwendung von Pumpenturbinen bei hy draulischen Speicheranlagen gestattet. Sie besteht in dem Vorschlag, bei einer hydraulischen Speicheran lage mit einer im Turbinen- und im Pumpenbetrieb mit gleicher und konstanter Drehzahl laufenden Pum- penturbine, diese Pumpenturbine für den überwiegen den Teil der gesamten zu verarbeitenden Fall- bzw.
Förderhöhe auszulegen und ausserdem eine den Rest der Fall- bzw. Förderhöhe verarbeitende, der Haupt pumpenturbine vor- oder nachgeschaltete, im Tur binenbetrieb mit anderer Drehzahl als im Pumpen betrieb und gegebenenfalls mit veränderbarer Dreh zahl betriebene Zusatzpumpenturbine vorzusehen. Bei einem solchen Vorgehen ist es in jedem Fall und in einfacher Weise möglich,
die Gesamtfallhöhe und die Gesamtförderhöhe anteilmässig so auf die Haupt pumpenturbine und die Zusatzpumpenturbine aufzu teilen, dass jede dieser beiden Maschinen, insbeson dere aber die wirkungsgradmässig wesentlich bedeut samere grosse Hauptpumpenturbine, sowohl im Tur binenbetrieb als auch im Pumpenbetrieb in einem günstigen Wirkungsgradbereich arbeitet, also auch dann,
wenn die Zusatzpumpenturbine zwecks An passung an die im Betrieb etwa schwankende Ge- samtfa\Ilhöhe bzw. Gesamtförderhöhe mit veränderh- chen Drehzahlen betrieben wird.
Durch die Aufteilung der Gesamtfallhöhe und der Gesamtförderhöhe auf eine grosse Hauptpumpenturbine und eine kleine Zu satzpumpenturbine ergibt sich u. a.
aber auch der Vorteil, dass zur Anpassung an unterschiedliche oder etwa ün Betrieb schwankende Gesamtfallhöhen und Gesamtförderhöhen die Verhältnisse an der grossen Hauptpumpenturbine unverändert beibehalten wer den können und nur die Verhältnisse an der kleinen Zusatzpumpenturbine entsprechend verändert zu wer den brauchen.
Während die leistungsmässig grosse Hauptpumpen turbine vorteilhaft unmittelbar mit einer nur für eine einzige Betriebsdrehzahl ausgelegten und daher ein fachen und billigen elektrischen Maschine (Motor generator) in Antriebsverbindung steht, kann die Ver bindung der leistungsmässig kleinen Zusatzpumpen- turbine mit dem elektrischen Teil der Anlage auf verschiedene Weise erfolgen.
So wird nach einem Vorschlag der Erfindung für letztere ein gesonderter polumschaltbarer Motor vorgesehen. Dabei ist es möglich, die Drehzahlen so zu wählen, dass sich für die Ausbildung der Polumschaltung besonders gün stige Verhältnisse ergeben, so dass der material- und kostenmässig an sich nicht sehr ins Gewicht fallende polumschaltbare Motorgenerator einfach und billig hergestellt werden kann.
Auf die Ausbildung des Motorgenerators für die Zusatzpumpenturbine als polumschaltbarer Motor generator kann aber auch verzichtet werden, wenn auf der Welle des Motorgenerators für die Haupt pumpenturbine ein Hilfsgenerator angeordnet wird, der im Pumpenbetrieb von dem aus dem Hauptnetz gespeisten und als Motor laufenden Motorgenerator für die Hauptpumpenturbine angetrieben wird und entsprechend seiner Auslegung eine höhere als die Netzfrequenz erzeugt.
Durch Herstellen einer elektri schen Verbindung zwischen dem Hilfsgenerator und dem Motorgenerator für die Zusatzpumpenturbine kann bei gleichzeitigem Abschalten des letzteren vom Hauptnetz, mit welchem er im Turbinenbetrieb verbunden ist, diese höhere Frequenz des Hilfsgene- rators dazu benutzt werden, den an sich nur für eine einzige Betriebsdrehzahl ausgelegten Motorgene rator für die Zusatzpumpenturbine und damit auch die Zusatzpumpenturbine selbst im Pumpenbetrieb mit einer Drehzahl anzutreiben,
die höher ist als die Turbinenbetriebsdrehzahl.
Wird an Stelle des Hilfsgenerators auf der Welle des Motorgenerators für die Hauptpumpenturbine eine als Motorgenerator ausgebildete Hilfsmaschine angeordnet, so kann diese ausser zum Antrieb der Zu satzpumpenturbine mit erhöhter Pumpenbetriebsdreh- zahl auch noch als Motor zum Anfahren der belüfte ten Hauptpumpenturbine bei Aufnahme des Pumpen betriebes verwendet werden.
In diesem Fall erhält der Hilfsmotorgenerator seinen Strom mit Netzfrequenz aus dem Hauptnetz, wobei selbstverständlich seine elektrische Verbindung zum Motorgenerator für die Zusatzpumpenturbine unterbrochen ist.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird für die Hauptpumpenturbine und für die Zusatz pumpenturbine ein einziger gemeinsamer Motorgene rator vorgesehen, der nur für eine einzige Drehzahl, nämlich die in beiden Drehrichtungen gleich grosse Betriebsdrehzahl der Hauptpumpenturbine .ausgelegt ist.
Während der Motorgenerator mit der Hauptpum- penturbine direkt verbunden wird, erfolgt dann seine Verbindung mit der Zusatzpumpenturbine über ein Schaltgetriebe, so dass diese in jeder der beiden Dreh richtungen mit einer anderen und gegebenenfalls ver änderlichen Drehzahl betrieben werden kann. Das Schalten des Getriebes kann hierbei in an sich be kannter Weise mittels verschiebbarer Zahnräder z. B. mittels mechanischer oder hydraulischer Kupplungen bewirkt werden.
Die verschiedenen gewünschten Dbersetzungsverhältnisse für die Zusatzpumpentur- bine könnten beispielsweise dadurch erzielt werden, dass diese mit dem Motorgenerator über einen hydrau lischen Wandler und eine Kupplung - wobei dann nur eine einzige Zahnradübersetzung erforderlich wäre oder aber auch über zwei hydraulische Wandler ver bunden wird.
Bei entsprechender Aufteilung der Fallhöhen- bzw. Förderhöhenanteile auf die Hauptpumpenturbine und die Zusatzpumpenturbine kann schliesslich aber auch eine solche Anordnung getroffen werden, bei der die Zusatzpumpenturbine im Pumpenbetrieb zusammen mit der Hauptpumpenturbine vom gemeinsamen Mo torgenerator angetrieben wird, in der entgegengesetz ten Drehrichtung jedoch, also im Turbinenbetrieb,
entsprechend der durchfliessenden Strömung nur im Leerlauf ohne Kraftübertragung mit der Hauptpum- penturbine mitläuft. Besonders günstige Verhältnisse würden sich hierbei insbesondere dann ergeben, wenn, wie von der Erfindung weiterhin vorgeschlagen wird, als Zusatzpumpenturbine eine solche mit verstellbaren Laufradschaufeln, also beispielsweise eine Kaplan- Pumpenturbine, verwendet würde.
In diesem Fall wäre es nämlich möglich, die Laufradschaufeln der Zusatzmaschinen bei Turbinenbetrieb auf einen gro ssen Öffnungswinkel einzustellen, so dass die bei Tur binenbetrieb im Leerlauf mitlaufende Zusatzmaschine nur geringe Fallhöhenverluste verursachen würde.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung die bisher bekannte Art der Verwendung von Pumpenturbinen bei hydraulischen Speicheran lagen, während in den Fig. 2 bis 7 ebenfalls in schematischer Darstellung einige erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele gezeigt sind.
Bei der bisher üblichen Ausführungsart gemäss Fig. 1 wird das gesamte Gefälle (im Turbinenbetrieb) und die gesamte Förderhöhe (im Pumpenbetrieb) von einer einzigen Pumpenturbine 1 verarbeitet bzw. er zeugt, die mit dem Motorgenerator 2 in Antriebsver bindung steht. Um einen einigermassen tragbaren Wirkungsgrad zu erzielen, ist der Motorgenerator 2 als polumschaltbarer Motorgenerator für zwei ver schiedene Drehzahlen ausgelegt, und zwar für eine niedrigere Drehzahl n1 für Turbinenbetrieb und eine höhere Drehzahl n2 für Pumpenbetrieb.
Die Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemässe Aus führungsbeispiele, bei denen die Gesamtfallhöhe und die Gesamtförderhöhe jeweils auf eine grosse Hauptpumpenturbine 3 und eine kleine Zusatzpum- penturbine 4 aufgeteilt sind, wobei im einen Fall die Zusatzpumpenturbine 4 der Hauptpumpenturbine 3 vorgeschaltet und im anderen Fall nachgeschaltet ist,
und wobei in jedem der beiden Fälle die Haupt pumpenturbine 3 mit einem nur für eine einzige Be triebsdrehzahl n3 ausgelegten Motorgenerator 5 und die Zusatzpumpenturbine 4 mit einem für zwei ver schiedene Betriebsdrehzahlen, nämlich für eine nied rige Turbinenbetriebsdrehzahl n.4 und eine höhere Pumpenbetriebsdrehzahl n5, ausgelegten polumschalt baren gesonderten Motorgenerator 6 in Antriebsver- bindung steht.
Die Zusatzpumpenturbine 4 wird dabei im Pumpenbetrieb jeweils mit einer um soviel höheren Drehzahl n5 betrieben als im Turbinenbetrieb (Dreh zahl n4), dass die von ihr erzeugte Förderhöhe gerade um einen solchen Betrag grösser ist als die von ihr verarbeitete Fallhöhe, wie die von der in beiden Drehrichtungen mit gleicher Drehzahl n3 betriebenen Hauptpumpenturbine 3 erzeugte Förderhöhe kleiner ist als die von dieser verarbeitete Fallhöhe,
so dass also die von beiden Maschinen zusammen im Pum penbetrieb erzeugte Gesamtförderhöhe gleich gross ist wie die von ihnen im Turbinenbetrieb verarbeitete Gesamtfallhöhe.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem für die Hauptpumpenturbine 3 und für die dieser hier nachgeschaltete Zusatzpumpenturbine 4 ein gemeinsamer, nur für eine einzige Betriebsdreh zahl n7 ausgelegter Motorgenerator 7 vorgesehen ist.
Während die Hauptpumpenturbine 3 mit dem Motor generator 7 in unmittelbarer Antriebsverbindung steht und in beiden Drehrichtungen mit derselben Betriebs drehzahl n7 betrieben wird, steht die Zusatzpumpen turbine 4 mit dem Motorgenerator 7 über das Zahn radschaltgetriebe 8 in mittelbarer Antriebsverbindung und wird entsprechend der gewählten Übersetzung zwischen dem auf der Hauptmaschinenwelle 13 gegen Verdrehen gesichert axial verschieblich angeordneten Zahnrad 9 und dem festen Zahnrad 10 bzw.
zwischen dem in gleicher Weise auf der Hauptmaschinenwelle 13 angeordneten Zahnrad 11 und dem festen Zahn rad 12 im Pumpenbetrieb mit einer anderen und ent sprechend höheren Drehzahl ng betrieben als im Turbinenbetrieb (Drehzahl n$).
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Fall einer solchen Auslegung der grossen Hauptpum- penturbine 3, bei der diese im Turbinenbetrieb die gesamte Fallhöhe praktisch allein verarbeitet, im Pumpenbetrieb dagegen nur eine kleinere Förderhöhe als die verlangte Gesamtförderhöhe erzeugt.
Die An ordnung ist hier dementsprechend so gewählt, dass die Zusatzpumpenturbine 4 bei Turbinenbetrieb im Leerlauf mitläuft, zur Erzeugung der fehlenden För- derhöhe dagegen bei Pumpenbetrieb von dem wieder um für beide Pumpen 3 und 4 gemeinsamen und nur für eine einzige Betriebsdrehzahl ausgelegten Motor generator 7 angetrieben wird.
Dazu ist auf der Haupt maschinenwelle 14, über welche die Hauptpumpen turbine 3 mit dem Motorgenerator 7 in direkter An triebsverbindung steht, ein axial verschiebliches lose mitumlaufendes Zahnrad 15 angeordnet, das mit einem auf der Zusatzmaschinenwelle 16, axial ver- schieblich und drehfest angeordneten Zahnrad 17 in ständigem Eingriff ist.
Das Zahnrad 15 ist mit Kupp lungsklauen oder dergleichen 18 versehen, über wel che es mittels des auf der Hauptmaschinenwelle 14 axial verschieblich aber gegen Verdrehen gesichert angeordneten Kupplungsteiles 19 mit der Welle 14 drehfest verbunden und dadurch die Welle 14 mit der Welle 16 in Antriebsverbindung gebracht werden kann. Im Turbinenbetrieb wird - wie in der Zeichnung dargestellt - mit ausgerückter Kupplung 18, 19 ge fahren.
Dadurch ist die drehfeste Verbindung zwi schen der Welle 14 und dem Zahnrad 15 aufgehoben und damit auch die Antriebsverbindung zwischen den Wellen 14 und 16, d. h. zwischen dem Motorgenera tor 7 bzw. der Hauptpumpenturbine 3 und der Zu satzpumpenturbine 4 unterbrochen. Entsprechend der durchfliessenden Strömung können sich also das Laufrad der Zusatzpumpenturbine 4 sowie die Welle 16 und die Zahnräder 17 und 15 im Leerlauf, d. h.
mit einer von der Betriebsdrehzahl des Motorgenera- tors 7 bzw. der Hauptpumpenturbine 3 unabhängigen Leerlaufdrehzahl mitdrehen, so dass die Zusatzpum- penturbine 4 zur Verarbeitung der vorhandenen Fall höhe praktisch nichts beiträgt.
Im Pumpenbetrieb, also wenn die Zusatzpumpen turbine 4 einen bestimmten Anteil der verlangten Gesamtförderhöhe erzeugen soll, wird dagegen mit eingerückter Kupplung 18, 19 gefahren.
Dabei ist das Zahnrad 15 mit der Hauptmaschinen welle 14 drehfest verbunden, also die Antriebsverbin dung zwischen den Wellen 14 und 16 und somit auch zwischen dem Motorgenerator 7 bzw. der Haupt pumpenturbine 3 und der Zusatzpumpenturbine 4 hergestellt, so dass letzterer nunmehr vom Mo torgenerator 7 mit einer Pumpenbetriebsdrehzahl ng angetrieben wird,
bei der sie entsprechend der gewählten Übersetzung zwischen den Zahnrädern 15 und 17 die fehlende Förderhöhe erzeugt. In dem dargestellten Beispiel ist die Übersetzung so gewählt, dass die Pumpenbetriebsdrehzahl n9 der Zusatzpum- penturbine n4 um einiges höher ist als die Betriebs drehzahl der Hauptpumpenturbine 3.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 stehen die Hauptpumpenturbine 3 und die Zusatzpumpen turbine 4 in unmittelbarer Antriebsverbindung mit den Motorgeneratoren 20 bzw. 21, die beide als nor male, d. h. als nicht polumschaltbare Motorgenera- toren für nur eine einzige Betriebsdrehzahl ausgebil det sind.
Um im Pumpenbetrieb die Zusatzpumpen turbine 4 trotzdem in der gewünschten Weise mit einer höheren Drehzahl als im Turbinenbetrieb und auch mit einer höheren Drehzahl als die Hauptpum- penturbine 3 betreiben zu können, ist auf der Haupt maschinenwefle 23 ein Hilfsgenerator 22. angeordnet, der die dazu erforderliche höhere Frequenz für den Antrieb des Motorgenerators 21 erzeugt.
Bei Turbinenbetrieb sind beide Motorengenerato- ren 20 und 21 an das gemeinsame elektrische Haupt netz 24 angeschlossen. Dementsprechend arbeiten im Turbinenbetrieb sowohl die Hauptpumpenturbine 3 als auch die Zusatzpumpenturbine 4 mit derselben Frequenz auf das Netz 24. Die elektrische Verbindung 25, 2,6 zwischen dem Motorgenerator 21 und dem Hilfsgenerator 22 ist hierbei unterbrochen, so dass letzterer nur leer mitläuft.
Bei Pumpenbetrieb liegt der Motorgenerator 20 wiederum am Netz 24, dagegen ist der Motorgenera tor 21 vom Netz 24 abgeschaltet und dafür die elektrische Verbindung 25, 26 zwischen dem Motor generator 21 und dem Hilfsgenerator 22 hergestellt. Der Motorgenerator 20 erhält den zum Betreiben der Hauptpumpenturbine 3 als Pumpe erforderlichen Strom aus dem Netz 24.
Dabei treibt der Motorgene rator 20 gleichzeitig auch den auf der Welle 23 an geordneten Hilfsmotor 22 an, der jetzt über die her gestellte Verbindung 25, 26 den Motorgenerator 21 mit Strom höherer als der Netzfrequenz beliefert, so dass dieser nun die Zusatzpumpenturbine 4 mit einer höheren Drehzahl als im Turbinenbetrieb antreibt.
Wird entsprechend Fig.7 an Stelle des Hilfs motors 22 auf der Hauptmaschinenwelle 23 ein Hilfs- motorgenerator 27 angeordnet, der über eine elek trische Verbindung 28, 29 an das Netz 24 angeschlos sen werden kann,
dann kann der Hilfsmotorgenerator 27 ausser zum Beliefern des Motorgenerators 21 mit Strom höherer als der Netzfrequenz zwecks Betreibens der Zusatzpumpenturbiine 4 mit einer erhöhten Pum- penbetriebsdrehzahl auch als Anfahrmotor für die belüftete Hauptpumpenturbine 3 bei Aufnahme des Pumpenbetriebs verwendet werden. Hierzu erhält der als Motor laufende Hilfsmotorgenerator 27 seinen Strom über die elektrische Verbindung 28, 29 aus dem Netz 24.
Wie in der Fig. 7 dargestellt, ist hierbei die Verbindung zwischen dem flfsmotorgenerator 27 und dem Motorgenerator 21 sowie die Verbindung zwischen letzterem und dem Netz 24 unterbrochen.