DE2040486A1 - Pumpen-Turbine - Google Patents

Pumpen-Turbine

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DE2040486A1
DE2040486A1 DE19702040486 DE2040486A DE2040486A1 DE 2040486 A1 DE2040486 A1 DE 2040486A1 DE 19702040486 DE19702040486 DE 19702040486 DE 2040486 A DE2040486 A DE 2040486A DE 2040486 A1 DE2040486 A1 DE 2040486A1
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Ewald Dipl-Ing Renner
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    • F03B13/06Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

  • Gegenstand der Anmeldung: " P u m p e n - T u r b i n e " Dampf-Kondensatoren in Wärme-, einschließlich Kernkraftwerken, mit Flußwasserkühlung stellt man hochwasserfrei auf, was für die meistens elektrisch angetriebenen Kühlwasserpumpen zur Überwindung der großen Förderhöhen, hoher Leistungsaufnahme bedarf.
  • Um diese teilweise zurückzugewinnen nutzt man die Heberwirkung des vom Kondensator zurückfließenden Wassers aus. Das ist jedoch, je nach Höhe des Aufstellungsortes,nur bis zu einer Unterdruckhöhe von ca,8,5 m.an der höchsten Stelle des Hebers möglich, weil diese sonst abreißt.
  • Übersteigt aber die Gesamtförderhöhe der Pumpen diese 8,5 m beträchtlich, dann kann das Restgefälle mittels einer Rücklaufturbine in Leistung und über einen Generator in elektrischen Strom zurückverwandelt werden.
  • So eine Rücklauftürbinenanlage bekannter Art besteht aus einem sog. Kraftschlußdecken, dessen Wasserspiegel die Heberwirkung der Rucklaufleitung begrenzt und das zugleich das Einlaufbecken für die Rücklaufturbine darstellt, aus dem Stauhalteverschluß, dem Einlaßorgan für die Turbine, der Turbine selbst, dem Generator, der elektrischen Schaltanlage mit allen Notschluß- und Sicherheits-Vorrichtungen, welche Einrichtungen in einem separaten Turbinenhaus untergebracht werden müssen.
  • Die hohen Gestehungs- und Betriebskosten einer solchen Rücklaufturbinenanlage stellen die Wirtschaftlichkeit derselben oft in Frage, so daß auf den Rückgewinn der Leistung verzichtet werden muß.
  • Zur Behebung dieses Mangels schlägt die vorliegende Erfindung nun vor, die Rücklaufturbine gleich in der Rücklaufleitung vom Kondensator anzuordnen und deren Welle mit der Pumpenwelle entweder direkt, oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes mechanisch zu koppeln. Hierdurch würde die zurückgewonnene Leistung der Turbine zur unmittelbaren Verminderung der Leistungsaufnahme des Pumpenmotors führen.
  • Diese Anordnung bedingt jedoch, daß der Förderstrom der Pumpe auf die Schluckfähigkeit der Turbine abgestimmt ist, damit der Unterdruck im oberen Heberpunkt konstant gehalten viird.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen zu diesem Zwecke entweder die Pumpe oder die Turbine regelbar auszuführen und diese Regelung vom Unterdruck im Heber zu beeinflussen. Bei veränderlichem Flunpegelstand ist diese Maßnahme unbedingt erforderlich, um -t gleichmässigem Unterdruck im Heber zu fahren. Da sich normalerweise die Pegelstände nur langsam ändern, könnte in vielen Fällen auf eine Automatisierung zu gunsten der Hand regelung verzichtet werden.
  • Die Einsparung an Gestehungs- und Betriebskosten nach des Vorschlages gegenüber der bekannten Bauart, ist beträchtlich. huber dem kostspieligen Kraftschlußbecken mit seinen Verschlußorgaven, käme das ganze Turbinenhaus und deren Platzbedarf, der Generator samt der dazugehörigen Schaltanlage in Fortfall.
  • Die Zusammenlegung der Pumpen und Turbinen in einem Maschinenhaus dürfte fast immer möglich sein.
  • Beim Anfaliren der Anlage muß das Wasser von der Pumpe an die. höchste Stelle des Kondensators gedrückt werden, was eine hohe Drehzahl und Leistungsaufnahme der Pumpe bedingt. Bei gefüllter Rücklaufleitung tritt Hebelwirkung ein und vermindert die Pumrenleistung entsprechend. Das entweichende Gas im oberen Heberpunkt muß laufend abgesaugt werden. Bei Beaufschlagung der Rücklaufturbine tritt eine weitere Entlastung des Pumpenmotors ein, die sich jedoch nur auf dessen Leistung und nicht auf die Drehzahl auswir:t.
  • Der Pumpenmotor muß demnach mit zwei verschiedene Drehzahlen laufen können, als Elektromotor also polumschaltbar sein.
  • Der Antrieb ist Jedoch nicht auf den Elektromotor beschränkt, sondern es kann jeder andere Antriebsmotor vervjendet werden, dessen Drehzahl sich den Erfordernissen anpasst.
  • Da die Pumpe zur Überwindung der dynamischen Druckhöhe und Strömungsverluste, sowie zur Deckung der hydraulischen Wirkungsgrade eine größere Förderhöhe erzeugen muß, als die Turbine verarbeitet, müßte das Pumpenlaufrad gendber dem Turbinenlsufrad, gleiche Schnelläufigkeit vorausgesetzt, schneller laufen. Es müßte demnach zwischen die beiden Wellen ein Üb,ersetzungsgetriebe eingebaut werden.
  • Bei direkter IConpelung zwischen Pumpen- und Turbinenwelle, mbf?,te das Pumpenlaufrad als Langsamläufer, das Turbinenlaufrad hingegen.
  • als Schnelläufer ausgebildet sein.
  • Nach der Erfindung ist es Jedoch auch möglich die Pumpen- und Turbinenschaufeln radial -getrennt auf einer einzigen Nabe so anzuordnen, daß innen die Turbinenschaufeln und außen die Pumpenschaufeln liegen.. Bei diesem kombinierten Pumpen-Turbinenrad ist die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der außenlierenden Pumpe schaufeln, wegen der größeren Radien, viel größer als bei den innenliegenden Tarbinenschaufeln, was diese Anordnung für den vorliegenden Zweck besonders geeignet erscheinen lässt. Die gewünschte Anpassung der Förderhöhen lässt sich durch die Einstellung der Schaufelwinkel Jeweils erreichen.
  • Die Neigungsrichtung der Pumpe und Turbinenschaufeln ist gleich, wenn die Strömungsrichtung in Pumpe und Turbine auch gleich ist und umgekehrt. Im ersteren Falle wird das Axiallager entlastet.
  • Da bei der kombinierten Pumpen-Turbine außen das kalte Wasser und innen das warme strömt, dürfte dies in Hinblick auf den Wärmeaustausch unbedenklich sein, weil das Verhältnis von Wandfläche zum Förderstrom klein ist.
  • Gemaß Abb. 1 wird das Kaltwasser auf der Oberwasserseite 1 von Pumpe 2 mit Motor 3 angesaugt und in die Leitung 4 zum Sondensetor 5 gedrückt. Von dort strömt es über die Rücklaufleitung 6 zur Turbine 7 und dann durch das Saugrohr 8 zum Unterwasser 9 zurück.
  • Zur Übertragung dcr von der Turbine zurückgewonnenen Leistung auf die Pumpenwelle ist ein Getriebe 12 vorgesehen, das schematisch als Riementrieb dargestellt ist. Es enthält das Übersetzungsverhältnis von der langsamer laufenden Turbinenwelle zur schneller laufenden Pumpenwelle. Die mengengeregelte Turbine erhält ihre Beeinflussung über die Impulsleitung 11 von der höchsten Stelle des Strömungsweges , dem obersten Punkt des Hebers.
  • Beim Anfahren hat die Pumpe die Gessmtförderhöhe H ln zu überwinden, bis bei gefüllter Rücklaufleitung 6 die Heberwirkung eintritt und die Förderhöhe um 8 - 8,5 m, auf die Hohe H 2p verringert wird. Die verbleibende Fallhöhe Ht wird von der Turbine für den Leistungsrückgewinn verarbeitet. Die dem Motor 3 zuzuführende Leistung setzt sich demnach zusammen aus der dynamischen Druokhöhe und der Summe der Verluste in Motor, Pumne, Leitung, Turbine und Getriebe.
  • Der über die Impulsleitung 11 vom obersten Heberpunkt gesteuerte Stellmotor 10 kann entweder auf ein Regulierorgan der Turbine 7 oder der Pumpe 2 einwirken, um die Fördermenge zu verändern.
  • In Abb. 2 und 3 sind zwei Anwendungsbeispiele für Pumpenturbinen mit direkt gekuppelten Wellen gezeigt.
  • In Abb. 2 ist die Pumpe und die Turbine mit Spiralgehäuse ausgegestattet, wobei die erstere ein spezifisch langsen laufendes Radialrad und letztere ein spezifisch schnell laufendes Axialrad besitzt, um den Drehzahlunterschied auszugleichen. Der Motor 3 ist außerhalb angeordnet und die Durchströmrichtung in den Maschinen entgegengesetzt, so daß die Axiallager entlastet sind.
  • Abb. 3 zeigt zwei axial durchflossene Laufrder verschiedener spez.
  • Drehzahl, wobei der Motor 3 in der Mitte angeordnet ist.
  • Abb. 4 zeigt eine Pumpen-Turbine, bei der das Laufrad der Pumpe mit dem der Turbine kombiniert ist und radinl getrennt auf einer einzigen Nabe angeordnet ist.
  • Die außenlierenden Pumpenschaufeln 2 sind innen an. Kranz 12 befestigt, der zugleich die Abgrenzung und Dichtung zum innenlieenden Turbineneinlaufrohr 6 und zum Saugrohr 8 bewerkstelligt.
  • Die feststehenden Pumpen-Leitschaufeln 14 stiitzen sich reren die innenliegenden Turbinen-Leitschaufeln 15 ab. Die Laufschaufeln 7 der innenliegenden Turbine sitzen auf der .be be 16 und haben eie zu den Pumpenschoufeln entgegengesetzte Neigung, da die Strömugsrichtung entgegengesetzt ist. Der Antrieb des kombinierten Laufrades erfolgt über Welle 17, mit den Lagern 18, 19 und Stopfbüchse 20 über Kupplung 21, durch den Rotor 3.
  • Da gemäß Abb. 4, bei entgegengesetzter Durchströmungsrichtung, die jeweilige Saug- und Druckseite der Pumpe und Turbine gegenüberliegen, wird die Abdichtung der Ringspalte zwischen dem umlaufenden Kranz 12 zu dem feststehenden Einlaufrohr 6 und dem Saugrohr 8 wegen der dort herrschenden geringen Druckdifferenz erleichtert.
  • Bei fest eingestellten Leit- und Laufschaufeln der Pumpe und Turbine müssen deren Neigungswinkel auf die bestehenden Verhältnisse abgestimmt sein.
  • Um jedoch auch bei veränderten Fallhöhen eine Anpassung an die hydraulischen Verhältnisse zu ermöglichen, ist es nach der Erfindung auch möglich die Schaufeln in gewissen Grenzen drehtar auszuführen, was hier zeichnerisch nicht dargestellt ist.
  • Hierzu sind die Laufschaufeln 7 der Turbine in der Nabe 16, in bekannter Weise wie bei der Kaplan-Turbine drehbar gelagert. An den Schaufelnende sind Zapfen 22 vorgesehen, die im Kranz drehbar gelagert sind und diesen beim Umlauf mitnehmen. Die am Kranz 12 feststehenden Pumpenschaufeln 2 werden dabei ebenfalls mitgeno;mnen. Auf diese Weise würde nur die Turbine mittels der Laufradverstellung reguliert, während das Pumpenlaufrad nichtreguliert ist.
  • Es wäre jedoch auch möglich die im Kranz 12 drehbar gelagerten Zapfen 22 mit den Pumpenschaufeln 2 fest zu verbinden, so daß sich diese bei der Drehung der.Laufschaufeln 7 mitdrehen und Ihre sinkel verstellen. Da die Neigung von Pumpen- und Turbinenschaufeln entgegengesetzt ist, würde eine Öffnung des Turbinenrades ein Schließen des Pumpcnrades ergeben, wodurch die Winkelverstellungen der Schaufeln nur halb so groß zu sein brauchten und die Lmofindlichkeit der Regulierung vergrößert ware.
  • Patentansprüche:

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Pumpen-Turbine, für Kühl- und ähnliche Zwecke, mit der z.B.
    ein Medium zu einem hochgestellten Kühler hinaufgepumpt und die im zurückklaufenden Medium enthaltene hydraulische Energie in einer Turbine zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (7) direkt in der Rücklaufleitung (6) angeordnet ist U die Laufradwellen der Pumpe und Turbine entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines mechanischen Übersetzungsgetriebes gekuppelt sind.
  2. 2. Pumpen-Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d2 das Pumpen- und Turbinenlaufrad in einer Einheit miteinander kombiniert ist, die innen an der llabe (16) befestigten Turbinenschaufeln (7) an ihrem äußeren Umfange einen konzentrischen Kranz (23) aufweisen, der den Turbinen- vom Pumpenraum abgenzt und an dessen Umfang außen die Pumpenschaufeln (2) angeordnet sind, die in der gleichen Ebene, jedoch radial getrennt mit den Turbine schaufeln rotieren.
  3. 3. Pumpen-Turbine nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei direkter Y.upplung zwischen Pumpe und Turbine, erstere ein spezifisch langsam laufendes und letztere ein spezifisch schnell laufendes Laufrad besitzt.
  4. 4. Pumpen-Turbine nach Anspruch 1 - 3, durch gekennzeichnet, daß diese mit einem polumschaltbaren Elektromotor oder einer anderen Kraftmaschine angetrieben wird, die mindestens 2 Drehzshlen aufweist oder die Anpassung an die Jeweils erforderliche Drehzahl ermöglicht.
  5. 5. Pumpen-Turbine nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß. mindestens eine der Maschinen, Pumpe oder Turbine, mit einem Regeleinrichtung des Förderstromes (10) ausgerüstet ist und diese vom Unterdruck an der höchsten Stelle des Strömungsweges beeinflunt wird (11).
  6. 6. Pumpen-Turbine nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim kombinierten Pumpen-Turbinenrad gemå'ß Anspruch 2, die Turbinenschaufeln (7) in bekannter Weise in der Nabe (16) drehbar sind und am äußeren Umfang mittels Drehzarfen (22) in Kranz (12) gelngert sind, auf dem die Pumpenschaufeln (2) angeordnet sind.
    L e e r s e i t e
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5467613A (en) * 1994-04-05 1995-11-21 Carrier Corporation Two phase flow turbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5467613A (en) * 1994-04-05 1995-11-21 Carrier Corporation Two phase flow turbine

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