WO2008148497A2 - Wasserkraftanlage - Google Patents

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    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydroelectric power plant with a turbomachine, in particular a water turbine, further comprising an electric generator which is driven by the turbine.
  • Hydropower plants have become known in various forms. These include, for example, river power plants, which exploit the energy of the flow of the river. Furthermore, storage power plants have become known. These include an upper water storage and an underwater storage. Between these two the machine set is arranged, consisting of a turbine and a generator. The turbine can be operated at pumped storage plants at times of low energy demand as a pump. It then conveys a part of the water contained in the underwater tank back into the upper water tank.
  • Turbi ⁇ enart except free-jet turbines come into consideration.
  • Francis turbines for example, Francis turbines, semi-axial or Kaplan turbines.
  • the rotor of the turbomachine, for example the turbine, and the rotor of the generator have one and the same shaft, but may also have separate shafts.
  • the turbine is preceded by a downpipe.
  • the turbine generally includes a helical inlet housing that directs the water at the blades of the turbine rotor.
  • the turbine is connected downstream of a suction pipe. This is directly connected to the spiral housing. In general, it widens funnel-shaped in the flow direction. It opens below the underwater mirror.
  • Hydropower plants with two turbines connected in series are known. See CH 28 31 84 A and CH 126465 A.
  • these hydroelectric plants have disadvantages. Thus, they do not function as desirably to reduce the risk of cavitation. In addition, they are expensive and expensive to manufacture.
  • the invention has for its object to design a hydropower plant of the type described above such that the Kavitationsgefahr reduced and At the same time, the construction costs associated with a large setting are reduced.
  • the inventor has found the following solution: He provides in the flow path before two turbines, which are connected in series.
  • the first turbine seen in the flow direction is a radial, semi-axial or axial flow turbine.
  • the second turbine seen in the flow direction is a radial, semi-axial or axial flow turbine.
  • the first turbine may be a Francis turbine
  • the second turbine may be a Kaplan turbine.
  • the two turbines directly downstream of each other, thus without interposed choke or without switched between water lock.
  • the axes of rotation of the rotors of the turbines can be arranged at the same geodetic height. However, deviations are possible. After all, more than two turbines can be combined.
  • the invention can be used with particular advantages at high slopes and in applications where small diameter turbines are preferred, for example for environmental reasons.
  • Underwater mirror can be arranged. Due to the flow resistance, it is also possible to freely choose the speed.
  • the invention is also applicable to pumped storage plants.
  • Figure 1 shows schematically a hydropower plant with a Francis turbine and a downstream Kaplan turbine.
  • FIG. 2 shows an axial section of a Francis turbine with a horizontal shaft and with a downstream further turbine.
  • Figure 3 shows schematically a Francis turbine with vertical shaft and downstream further turbine.
  • FIG. 4 schematically shows a Kaplan turbine with vertical shaft and downstream further turbine.
  • FIG. 1 illustrates the basic principle of the invention.
  • the hydropower plant shown therein comprises an upper water 10. This fed by a Pressure line 20 via a shut-off 30 a Francis turbine 1.
  • the Francis turbine 1 drives a generator 40 at. After passing through the turbine, the water flows through a second turbine 50 to the underwater 60.
  • FIG. 2 shows a Francis turbine 1 with a horizontal shaft. It comprises the following essential elements: a rotor 2 with a plurality of blades 2.1, a volute 3 enclosing the rotor 2, a shaft 4 rotatably connected to the rotor 2 and arranged horizontally, a draft tube 5 with a manifold expanding spout 5.2.
  • the turbine drives during operation to a generator, not shown here. Its rotor also sits on shaft 4.
  • FIG. 3 again shows a Francis turbine 1. However, this has a vertical shaft 4.
  • the Francis turbine 1 is followed by a second turbine, which is located in the intake manifold 5, but not shown here.
  • the turbine 1 shown in FIG. 4 is a Kaplan turbine. It has a vertical shaft 4.
  • this turbine is a second turbine downstream, not shown here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage - mit einem Strömungsweg, der einen Oberwasserpegel und einen Unterwasserpegel aufweist; - mit zwei Turbinen, die im Strömungsweg in Reihe geschaltet sind, jeweils umfassend einen Rotor, ein Gehäuse und ein Saugrohr. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die in Strömungsrichtung gesehen erste Maschine ist eine radial- oder halbaxial oder axial durchströmte Turbine; - die in Strömungsrichtung gesehen zweite Maschine ist eine radial, halbaxial oder axial durchströmte Turbine.

Description

Wasserkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Wasserturbine, ferner mit einem elektrischen Generator, der von der Turbine angetrieben wird.
Wasserkraftanlagen sind in unterschiedlichen Formen bekannt geworden. Hierzu gehören beispielsweise Flusskraftwerke, die die Energie der Strömung des Flusses ausnutzen. Ferner sind Speicherkraftwerke bekannt geworden. Diese umfassen einen Oberwasserspeicher sowie einen Unterwasserspeicher. Zwischen diesen beiden ist der Maschinensatz angeordnet, bestehend aus einer Turbine und einem Generator. Dabei kann die Turbine bei Pumpspeicherwerken zu Zeiten geringen Energiebedarfs als Pumpe betrieben werden. Sie fördert dann einen Teil des im Unterwasserspeicher enthaltenen Wassers zurück in den Oberwasserspeicher.
Für die Zwecke der Erfindung kommen alle Turbiπenarten außer Freistrahlturbinen in Betracht. In Betracht kommen somit zum Beispiel Francisturbinen, halbaxiale oder Kaplanturbinen. Im Allgemeinen haben der Rotor der Strömungsmaschine, zum Beispiel der Turbine, und der Rotor des Generators ein und dieselbe Welle, können aber auch getrennte Wellen haben.
Bei allen diesen Wasserkraftanlagen ist der Turbine ein Fallrohr vorgeschaltet. Die Turbine weist im Allgemeinen ein spiralförmiges Einlaufgehäuse auf, das das Wasser auf die Schaufeln des Turbinenrotors richtet.
Der Turbine ist ein Saugrohr nachgeschaltet. Dieses ist an das Spiralgehäuse unmittelbar angeschlossen. Im Allgemeinen erweitert es sich trichterförmig in Strömungsrichtung. Es mündet unterhalb des Unterwasserspiegels.
BESTATIGUNGSKOPIE Ein gravierendes Problem bei Strömungsmaschinen ist die Kavitation. Diese ist äußerst nachteilig; sie verringert den Wirkungsgrad der Maschine und kann zu erheblichen Schäden der beteiligten Bauteile führen, bis zu deren völliger Zerstörung. Im Hinblick auf die Kavitation müssen häufig beim Konstruieren und Positionieren der Strömungsmaschine Kompromisse gemacht werden, die zu Lasten der Energieausnutzung gehen.
Die Gefahr der Kavitation nimmt mit der Fallhöhe zu, das heißt mit der Höhendifferenz zwischen Oberwasserspiegel und Unterwasserspiegel. Sie nimmt außerdem mit der Drehzahl zu.
Man versucht, der Kavitation - außer durch konstruktive Maßnahmen - dadurch entgegenzuwirken, dass man die Strömungsmaschine um ein bestimmtes Maß unterhalb des Unterwasserspiegels anordnet. Dieses Maß wird auch „Settiπg" genannt. Das Setting ist somit der Abstand zwischen dem Unterwasserεpiegel und dem Turbinenrotor. Das Tieflegen des Rotors bedeutet baulichen Aufwand. Je tiefer der Rotor angeordnet wird, desto mehr Material muss für das Krafthaus ausgehoben werden. Nach geologischen Verhältnissen kann dies zu erheblichem Aufwand führen, zum Beispiel wenn mit Sprengungen verbunden.
Das Setting ist somit entscheidend für die Investitionskosten eines Kraftwerkes und damit auch für die Kosten der Kilowattstunde.
Wasserkraftanlagen mit zwei in Reihe geschalteten Turbinen sind bekannt. Siehe CH 28 31 84 A und CH 126465 A. Diese Wasserkraftanlagen haben jedoch Nachteile. So erfüllen sie nicht im wünschenswerten Maße die Funktion, die Kavitationsgefahr zu verringern. Außerdem sind sie aufwendig und kostspielig in der Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftanlage der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, dass die Kavitationsgefahr verringert und gleichzeitig die mit einem großen Setting verbundenen Baukosten verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Erfinder hat folgende Lösung gefunden: Er sieht im Strömungsweg zwei Turbinen vor, die in Reihe geschaltet sind. Die in Strömungsrichtung gesehen erste Turbine ist eine radial, halbaxial oder axial durchströmte Turbine. Die in Strömungsrichtung gesehen zweite Turbine ist eine radial, halbaxial oder axial durchströmte Turbine. Die erste Turbine kann beispielsweise eine Francisturbine sein, und die zweite eine Kaplanturbine.
Es ist zweckmäßig, die beiden Turbinen unmittelbar einander nachzuschalten, somit ohne zwischengeschaltete Drossel oder ohne zwischen geschaltetes Wasserschloss. Die Drehachsen der Rotoren der Turbinen können auf derselben geodätischen Höhe angeordnet sein. Jedoch sind auch Abweichungen möglich. Schließlich können mehr als zwei Turbinen miteinander kombiniert werden.
Die Erfindung lässt sich mit besonderen Vorteilen anwenden bei hohen Gefällen und bei Anwendungsfällen, bei welchen Turbinen kleinen Durchmessers bevorzugt werden, beispielsweise aus Gründen des Umweltschutzes.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, das Setting auf Null zu minimieren und damit die Rotoren auf der Höhe des Unterwasserspiegels anzuordnen. Gegebenenfalls könnten die Rotoren sogar oberhalb des
Unterwasserspiegels angeordnet werden. Durch den Strömungswiderstand ist es auch möglich, die Drehzahl frei zu wählen.
Die Erfindung ist natürlich auch bei Pumpspeicherwerken anwendbar.
Die Erfindung bringt aber weitere Vorteile: Als Generator kann ein am Markt erhältliches Standardprodukt verwendet werden, mit Abstufungen im 20 Megawatt-Bereich, zum Beispiel 40, 60, 80 usw. Megawatt, aber auch anderer Leistungen. - Durch die Standardisierung des Konzeptes einer Wasserkraftanlage sind die beteiligten Aggregate nicht nur kostengünstig, sondern auch schnell lieferbar.
Es ist kein aufwendiges Entwässerungssystem notwendig, da Leckage- und Entleerströme frei abfließen können. - Da nur ein geringer oder gar kein Aushub notwendig ist, bedarf es keiner kostspieligen geologischen Gutachten oder Untersuchungen. Die Fundamentierung für das Krafthaus und für die Maschinensätze ist wesentlich einfacher und kostengünstiger.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt schematisch eine Wasserkraftanlage mit einer Francisturbine und einer nachgeschalteten Kaplanturbine.
Figur 2 zeigt in einem Axialschnitt eine Francisturbine mit horizontaler Welle und mit nachgeschalteter weiterer Turbine.
Figur 3 zeigt schematisch eine Francisturbine mit vertikaler Welle und nachgeschalteter weiterer Turbine.
Figur 4 zeigt schematisch eine Kaplanturbine mit vertikaler Welle und nachgeschalteter weiterer Turbine.
Figur 1 veranschaulicht das Grundprinzip der Erfindung. Die darin gezeigte Wasserkraftanlage umfasst ein Oberwasser 10. Dieses speist durch eine Druckleitung 20 über ein Absperrorgan 30 eine Francisturbine 1. Die Francisturbine 1 treibt einen Generator 40 an. Nach dem Durchtritt durch die Turbine strömt das Wasser durch eine zweite Turbine 50 zum Unterwasser 60.
Figur 2 zeigt eine Francisturbine 1 mit horizontaler Welle. Sie umfasst die folgenden wesentlichen Elemente: einen Rotor 2 mit einer Mehrzahl von Schaufeln 2.1, ein Spiralgehäuse 3, das den Rotor 2 umschließt, eine Welle 4, die mit dem Rotor 2 drehfest verbunden und horizontal angeordnet ist, ein Saugrohr 5 mit einem krümmererweiternden Auslaufrohr 5.2.
Die Turbine treibt beim Betrieb einen hier nicht dargestellten Generator an. Dessen Rotor sitzt ebenfalls auf Welle 4.
Eine weitere Turbine ist hier nicht näher dargestellt. Sie könnte imAuslaufrohr 5.2 angeordnet sein.
In Figur 3 ist wiederum eine Francisturbine 1 dargestellt. Diese weist jedoch eine vertikale Welle 4 auf. Der Francisturbine 1 ist eine zweite Turbine nachgeschaltet, die sich im Saugrohr 5 befindet, aber hier nicht dargestellt ist.
Die in Figur 4 gezeigte Turbine 1 ist eine Kaplanturbine. Sie weist eine vertikale Welle 4 auf.
Auch dieser Turbine ist eine zweite Turbine nachgeschaltet, hier nicht dargestellt.
Umfasst das Wasserkraftwerk zwei oder mehrere Turbinen, die hintereinander geschaltet sind, so können diese auf ein und demselben geodätischen Niveau angeordnet werden, beispielsweise auf der Höhe des Unterwasserpegels. Gewisse Abweichungen nach oben oder nach unten sind möglich. Bei der Wahl der geodätischen Höhe jeglicher Strömungsmaschinen ist anzustreben, dass die jeweils nachgeschaltete Strömungsmaschine im Sinne eines Minimierens des Setting angeordnet wird, und zugleich im Sinne des Aufbaus eines ausreichenden Gegendrucks entgegen einer stromaufwärtigen Strömungsmaschine durch eine nachgeschaltete Strömungsmaschine.
Die beiden Strömungsmaschinen oder gegebenenfalls alles Strömungsmaschinen können eine gemeinsame Welle, oder jeweils eine eigene Welle aufweisen.
Bezugszeichenliste
1 Turbine
2 Rotor
2.1 Schaufeln
3 Gehäuse
4 Welle
5 Saug röhr
5.1 Krümmer
5.2 Auslaufrohr
10 Oberwasser
20 Druckleitung
30 Absperrorgan
40 Generator
50 Turbine
60 Unterwasser

Claims

Patentansprüche
1. Wasserkraftanlage
1.1 mit einem Strömungsweg, der einen Oberwasserpegel und einen Unterwasserpegel aufweist;
1.2 mit zwei Turbinen, die im Strömungsweg in Reihe geschaltet sind, jeweils umfassend einen Rotor (2), ein Gehäuse (3) und ein Saugrohr (5), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.3 die in Strömungsrichtung gesehen erste Maschine ist eine radial- oder halbaxial oder axial durchströmte Turbine;
1.4 die in Strömungsrichtung gesehen zweite Maschine ist eine radial, halbaxial oder axial durchströmte Turbine.
2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine eine Francisturbine, und die zweite Turbine eine
Kaplanturbine ist.
3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schwerpunkt der Rotoren (2) zwischen dem Oberwasserpegel und dem Unterwasserpegel oder über oder unter dem Unterwasserpegel befinden.
4. Wasserkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschinen Turbinen (1) unterschiedlicher oder gleicher Bauart sind.
5. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strömungsmaschine und/oder wenigstens eine zweite Strömungsmaschine der ersten Strömungsmaschine nachgeschaltet ist.
6. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsmaschine auf der Höhe des Unterwasserpegels oder darüber oder darunter liegt.
7. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das sich die zweite Strömungsmaschine auf der Höhe des Unterwasserpegels oder darüber oder darunter befindet.
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