-
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: