EP4219933A1 - Starteinrichtung, maschinensatz und verfahren zum starten eines maschinensatzes - Google Patents

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EP4219933A1
EP4219933A1 EP23152891.0A EP23152891A EP4219933A1 EP 4219933 A1 EP4219933 A1 EP 4219933A1 EP 23152891 A EP23152891 A EP 23152891A EP 4219933 A1 EP4219933 A1 EP 4219933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
machine
electric motor
synchronous machine
starting device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23152891.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Maser
Thorsten Fox
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schluchseewerk AG
Original Assignee
Schluchseewerk AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schluchseewerk AG filed Critical Schluchseewerk AG
Publication of EP4219933A1 publication Critical patent/EP4219933A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/005—Starting, also of pump-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06—Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/10—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines
    • F03B3/106—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines the turbine wheel and the pumps wheel being mounted in adjacent positions on the same shaft in a single casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/85—Starting

Definitions

  • the invention relates to a starting device for a machine set of a pumped storage plant, the machine set having a water turbine, a synchronous machine and a water pump, the water turbine, the synchronous machine and the water pump being arranged coaxially to a common longitudinal shaft axis.
  • the invention also relates to a machine set for a pumped storage plant with a water turbine, a synchronous machine and a water pump.
  • the invention also relates to a method for starting a machine set for a pumped-storage plant.
  • a machine set for a pumped storage plant usually consists of a water turbine, a synchronous machine and a water pump.
  • the machine set can be operated in turbine mode to generate electricity, in phase shift mode to compensate for reactive power or in pump mode to absorb electrical energy from the grid.
  • pump operation has become increasingly important and will continue to gain in importance in the future. This is because electrical energy can be taken from the grid during pump operation, for example electricity from wind energy or electricity from solar energy, and can be stored in the form of potential energy in the upper reservoir of the pumped storage plant.
  • the aim of the invention is to improve a starting device for a machine set for a pumped-storage plant, a machine set for a pumped-storage plant and a method for starting a machine set for a pumped-storage plant.
  • a starting device for a machine set of a pumped-storage plant with the features of claim 1 is provided for this purpose.
  • the machine set has a water turbine, a synchronous machine and a water pump, with the water turbine, the synchronous machine and the water pump being arranged coaxially to a common longitudinal shaft axis.
  • the starting device has an electric motor and a drive transmission device, the drive transmission device being designed to be coupled on the one hand to the output shaft of the electric motor and on the other hand to the shaft of the synchronous machine.
  • fixing means are provided in order to detachably connect the starting device to a floor on which the machine set is standing, or to a machine frame of the machine set.
  • the launcher or the electric motor and the coupling of the drive transmission device with the electric motor and/or the shaft of the synchronous machine must be able to be carried out within a few minutes, for example 5 to 10 minutes, in order to be able to start the synchronous machine within a few minutes, so that network fluctuations can be compensated for quickly .
  • the electric motors that are required to start large synchronous machines from machine sets for pumped storage plants are comparatively large and therefore expensive. It therefore makes economic sense to use a starting device or possibly only the electric motor of the starting device for starting different machine sets that are spatially distant from one another.
  • the starting device or just the electric motor of the starting device can be moved between different sets of machines by means of moving means. Pumped storage plants often have large, elongated halls in which several machine sets are arranged side by side.
  • the starting device or just the electric motor of the starting device can then be moved on rails that are laid between the individual machine units and then fixed in the predefined position by means of the fixing means for the respective machine unit to be started.
  • the drive transmission device has at least one drive chain and/or at least one drive belt.
  • the required torque and drive power can be reliably transmitted from the electric motor to the shaft of the synchronous machine by means of drive chains or drive belts.
  • a swivel arm is provided, the swivel arm being provided with the drive transmission device, the swivel arm being designed to be swiveled from a disengaged position, in which the drive transmission device is not coupled to the shaft of the synchronous machine, into an engaged position. in which the drive transmission device is coupled to the shaft of the synchronous machine.
  • the electric motor can be coupled to the shaft of the synchronous machine in a simple and reliable manner by means of a swivel arm. It is possible to mount the swivel arm so that it can swivel on the machine frame and to provide that the drive transmission device is decoupled not only from the shaft of the synchronous machine but also from the output shaft of the electric motor. Alternatively, the swivel arm can also be permanently coupled to the output shaft of the electric motor and, for example, be designed to be pivotable about the output shaft of the electric motor.
  • the drive transmission device has at least two gear wheels rotatably mounted on the swivel arm.
  • the drive energy of the electric motor of the starting device can be transmitted safely and without slip to the shaft of the synchronous machine.
  • the gears are stored inside the swivel arm and are therefore protected.
  • the swivel arm can have two side plates, for example, between which the gear wheels are arranged and mounted.
  • a plurality of gears meshing with one another are arranged on the swivel arm, with a first of the gears meshing in the engaged position of the swivel arm with a drive gear which is non-rotatably connected to the shaft of the electric motor.
  • the drive transmission device can also be decoupled from the drive gear wheel of the electric motor in the disengaged position of the swivel arm.
  • This can be advantageous, for example, if the electric motor is to be changed or, for example, to be moved to another machine set.
  • the swivel arm on the other hand, can be fixed in a predefined position relative to the machine set, so that the swivel arm can only be swiveled between the engaged position and the disengaged position. This facilitates an exact alignment of the swivel arm to the shaft of the synchronous machine and thereby a low-wear and low-loss transmission of the drive energy of the electric motor to the shaft of the synchronous machine.
  • a toothed wheel of the swivel arm meshes with a toothed ring which is connected in a torque-proof manner to the shaft of the synchronous machine.
  • gear wheel of the swivel arm which engages in a ring gear on the shaft of the synchronous machine.
  • Gear wheels can also be used to reliably transmit high drive torques.
  • Gears can be engaged and disengaged without any problems, so that the starter device and in particular the swivel arm of the starter device can be uncoupled again from the shaft of the synchronous machine in a very simple manner, without a clutch mechanism being required.
  • a ring gear which is non-rotatably connected to the shaft of the synchronous machine, can usually be easily retrofitted to an existing machine set.
  • the toothed ring can be designed in two parts, for example, so that it can be arranged on the shaft of the synchronous machine without dismantling it.
  • a mechanical spindle or a linear cylinder for example pneumatic or hydraulic, can be used as the linear actuator.
  • the drive transmission device of the swing arm can be securely coupled to the shaft of the synchronous machine, in particular, a gear wheel of the swing arm can be securely held in engagement with a ring gear on the shaft of the synchronous machine. same applies to another gear wheel of the swivel arm, which is kept in mesh with the output gear wheel of the electric motor.
  • the drive transmission device has a first gear wheel which is non-rotatably connected to the shaft of the synchronous machine and a second gear wheel which can be moved either into mesh with the first gear wheel or out of mesh with the first gear wheel, the second gear wheel being connected to the output shaft of the Electric motor can be coupled.
  • the output shaft of the electric motor is thus coupled to the shaft of the synchronous machine in that the second gear is moved into engagement with the first gear. After starting the synchronous machine, the second gear can be moved out of engagement with the first gear again. As a result, the rotational energy of the electric motor can be transmitted in a very reliable and low-wear manner via the second gear wheel meshing with the first gear wheel. Once the synchronous machine has started, the second gear is moved out of mesh with the first gear again. The output shaft of the electric motor is thus decoupled from the shaft of the synchronous machine. By simply moving the second gear wheel into and out of engagement with the first gear wheel, the electric motor can be coupled or decoupled without the need for complex shifting clutches or friction clutches.
  • the spur gear is mounted on a spur gear bearing device, the spur gear bearing device having means for moving the spur gear into engagement with the crown gear and out of engagement with the crown gear.
  • a cardan shaft is provided, with the cardan shaft being able to be coupled on the one hand to the output shaft of the electric motor and on the other hand to the second gear wheel.
  • the electric motor can be detached from the propeller shaft or the propeller shaft can be decoupled from the second gear and then the electric motor can be traversed or moved and used to start a second machine set. In contrast, the exact alignment of the first gear wheel and the second gear wheel is retained even after the electric motor has been removed.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a machine set for a pumped-storage plant with a water turbine, a synchronous machine and a water pump, the water turbine, the synchronous machine and the water pump being arranged coaxially to a common longitudinal shaft axis, with a starting device according to the invention being provided.
  • the machine set according to the invention can also be started when the water turbine is not available, in order to start pump operation or phase shifter operation.
  • a shaft of the synchronous machine is provided with a ring gear and a gear wheel of the swivel arm meshes with the ring gear in the engaged position.
  • the electric motor can be decoupled from the shaft of the synchronous machine in a very simple manner by pivoting the swivel arm and thereby moving the gear wheel of the swivel arm out of engagement with the ring gear of the synchronous machine.
  • the ring gear on the shaft of the synchronous machine is designed in at least two parts.
  • the sprocket can be retrofitted in a simple manner.
  • the starting device or only the electric motor of the starting device is detachably fixed to a floor on which the machine set is standing, or to a machine frame of the machine set.
  • the starting device or just the electric motor of the starting device can thus be moved away from the machine set, for example to start another machine set or to be serviced.
  • the starting device or just the electric motor of the starting device can be moved on rails or wheels and fixing means are provided in order to then fix the starting device or the electric motor in the predefined position on the machine set, in particular without tools.
  • the starting device or just the electric motor should be able to be fixed within a few minutes, for example 5 to 10 minutes, in order to also be able to start the synchronous machine within a few minutes.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for starting a machine set for a pumped-storage plant, the following steps being provided: coupling the output shaft of the electric motor to the shaft of the synchronous machine, driving the shaft of the synchronous machine by means of the electric motor up to a predefined starting speed , Starting the synchronous machine.
  • Starting the synchronous machine includes connecting the synchronous machine to an electrical network, in particular the general supply network.
  • the drive transmission device can be decoupled from the output shaft of the electric motor and/or from the shaft of the synchronous machine.
  • the steps of moving the starting device into position next to a first machine set, starting the synchronous machine of the first machine set and moving the starting device out of the position next to the first machine set are provided.
  • the steps of moving the starting device to a position next to a second machine set and starting the synchronous machine of the second machine set are provided.
  • the starting device or just the electric motor of the starting device can be used to start several sets of machines.
  • the multiple sets of machines can be provided within one and the same pumped-storage plant.
  • the starting device or the electric motor can, of course, also be moved to another pumped-storage plant in order to then start the machine set there.
  • the drive transmission device has a swivel arm and when the output shaft of the electric motor is coupled to the shaft of the synchronous machine, the swivel arm of the starting device is swiveled into the engaged position.
  • FIG. 1 shows a machine set 10 for a pumped-storage plant in an oblique view from above.
  • the machine set is arranged on a foundation 12, which is shown only schematically and which has a bottom and a portion of a side wall.
  • the foundation 12 forms, for example, part of a machine hall of a pumped-storage plant.
  • the machine set 10 has a water turbine 14, shown only schematically, a synchronous machine 16 and a water pump 18, also shown only schematically.
  • the water turbine 14 is connected to an upper reservoir and a lower reservoir of the pumped-storage plant via channels. Water flowing from the upper reservoir via the water turbine 14 into the lower reservoir can set the water turbine 14 in rotation, which thereby drives the shaft of the synchronous machine 16, for example to feed electrical energy into the supply network.
  • the water turbine 14 is coupled to a shaft 22 of the synchronous machine by means of a clutch 20 .
  • the shaft of the synchronous machine is rotatably mounted between the water turbine 14 and the synchronous machine 16 by means of a first bearing 24 and between the synchronous machine 16 and the water pump 18 by means of a second bearing 26 .
  • the bearings 24, 26 are fixed to the foundation 12.
  • the shaft 22 of the synchronous machine 16 is connected to a converter 28 which in turn is coupled to the water pump 18 .
  • the water turbine 14, the synchronous machine 16 and the water pump 18 are arranged coaxially to a common longitudinal axis of the shaft 22 of the synchronous machine 16.
  • the synchronous machine 16 In pump operation, the synchronous machine 16 is connected to the electrical supply network, the water turbine 14 can run idle or be decoupled from the shaft 22 of the synchronous machine 16 using the clutch 20, and the shaft 22 of the synchronous machine 16 drives the water pump 18 via the converter 28. In this way, electrical energy can be taken from the supply network and water can be pumped from the lower reservoir to the upper reservoir.
  • the machine set 10 can also be operated in a so-called phase shift mode, in which both the turbine 14 and the water pump 18 are idling and only the synchronous machine 16 is operated with electrical energy from the supply network in order to compensate for reactive power.
  • turbine slides In order to start turbine operation starting from the standstill of the machine set 10, turbine slides only have to be opened so that water can flow from the upper reservoir to the water turbine 14 and then from the water turbine 14 back into the lower reservoir.
  • the water turbine 14 In order to start the pumping operation starting from the standstill of the machine set 10, the water turbine 14 must first run in conventional machine sets 10 in order to bring the synchronous machine 16 to the synchronous speed. As soon as the synchronous machine 16 has started and is operated with mains voltage, the turbine slides can be closed and the pump slides for the water pump 18 can be opened to pump water to pump from the lower reservoir to the upper reservoir. As soon as the synchronous machine 16 has reached its synchronous speed and is operated with the electrical mains voltage, the turbine slides can therefore be closed and the water turbine 14 can be decoupled. In conventional machine sets, the water turbine 14 must also be operated briefly in order to bring the shaft 22 of the synchronous machine 16 to the synchronous speed before the synchronous machine 16 can be operated in phase shift mode.
  • a starting device 30 is provided in the machine set 10 according to the invention.
  • the starting device 30 has an electric motor 32 and a 1 not recognizable swing arm with a drive transmission device.
  • the electric motor 32 can be selectively coupled to the shaft 22 of the synchronous machine 16 or decoupled from the shaft 22 by means of the pivot arm and the drive transmission device of the pivot arm.
  • the provision of the starting device 30 makes it possible to operate the machine set 10 in phase shifter mode or in pump mode even when the water turbine 14 is not available. For example, if the water turbine 14 is being serviced or is defective or there is not enough water in the upper reservoir, the machine set 10 can still be operated in the phase shifting mode and in the pumping mode.
  • the starting device 30 is arranged between the converter 28 and the synchronous machine 16.
  • the starting device 30 has a swivel arm 34 in addition to the electric motor 32 .
  • the swing arm 34 is in an engaged position in which a drive transmission of the swing arm 34 is coupled to the shaft 22 of the synchronous machine 16 .
  • FIG. 3 shows one of the 2 comparable representation, wherein the converter 28 is not shown.
  • the swivel arm 34 is therefore clearly visible. It can also be seen that the remote from the electric motor 32 end of the swivel arm 34 on a ring gear 36 on the Shaft 22 of the synchronous machine 16 rests. A gear wheel that is rotatably mounted on this end of the swivel arm 34 that faces away from the electric motor 32 and that is 3 is not recognizable, then meshes with the ring gear 36 on the shaft 22, in other words, the gear wheel of the swivel arm 34 engages in the ring gear 36.
  • the end of the swivel arm 34 facing the electric motor 32 also has a gear wheel 38 rotatably mounted on the swivel arm 34 .
  • This gear wheel 38 meshes in the in 3 illustrated engaged position of the pivot arm 34 and is thus in engagement with an output gear 40 which is non-rotatably connected to the shaft of the electric motor 32 is connected.
  • the swing arm 34 After starting the synchronous machine 16, the swing arm 34 by means of a linear actuator 42, starting from the engaged position 3 pivoted upward to a disengaged position. In the disengaged position, the gear wheel arranged on the end of the swivel arm 34 facing away from the electric motor 32 no longer engages in the ring gear 36 of the shaft 22 . The electric motor 32 is thereby decoupled from the shaft 22 .
  • the linear actuator 42 can be designed, for example, as a hydraulic cylinder or pneumatic cylinder.
  • the linear actuator 42 can, for example, also be designed as a mechanical spindle.
  • the electric motor 32 is provided with the output gear 40 which meshes with the gear 38 of the pivot arm 34 in the engaged position of the pivot arm 34 .
  • two further gear wheels are rotatably mounted, which 4 are not recognizable and which transmit the rotation of the gear wheel 38 to the gear wheel 50 of the swivel arm 34 .
  • the gear wheel 50 is arranged at the end of the swivel arm 34 which faces away from the electric motor 32 .
  • the swivel arm 34 is held in the engaged position by means of the linear actuator 42, which acts on the one hand approximately in the middle of the swivel arm and on the other hand on a machine frame 52 of the starting device 30.
  • the gear wheel 50 is thus also kept in mesh with the ring gear 36 and the gear wheel 38 with the output gear wheel 40 by means of the linear actuator 42 .
  • the swivel arm 34 is swiveled upwards in a very simple manner by means of the linear actuator 42. Since a pivot axis 54 of pivot arm 34 is arranged parallel to but laterally offset to the shaft of electric motor 32, pivoting pivot arm 34 upward simultaneously disengages gear 50 from gear 36 and gear 38 from output gear 40 of electric motor 32.
  • the machine frame 52 of the starting device 30 is connected to the foundation 12.
  • detachable fixing means can be used for such a connection, which then make it possible to remove the starting device 30 or just the electric motor 32 from the machine set and to arrange it next to another machine set, for example.
  • the starting device 30 or just the electric motor 32 can be used to start different sets of machines.
  • the machine frame 52 of the starting device 30 can have, for example, traversing means, for example wheels, which run on rails in the foundation 12 or can only be provided with wheels or can be designed to be detachable from the foundation 12 in a simple manner, in particular without tools.
  • figure 5 shows the starting device 30, whereby the machine set itself is not shown, only the ring gear 36.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the starting device 30, in which only the gears 38, 56, 58, 50 of the swivel arm 34 are shown.
  • the other two gears 56, 58 of the swivel arm 34 can be seen.
  • a gear cascade is formed in the engaged position of the swivel arm 34 by the output gear 40 of the electric motor 32, the gear 38 of the swivel arm 34, the two gears 56, 58 in the swivel arm 34, the gear 50 of the swivel arm 34 and the ring gear 36 on the shaft of the synchronous machine educated.
  • the drive transmission device in the swivel arm 34 thus has the gears 38, 56, 58 and 50.
  • FIG. 7 shows a schematic view of the starting device 30 from the side, ie seen parallel to the longitudinal axis of the shaft of the synchronous machine.
  • the pivot arm 34 is again shown in the engaged position in which it is held by the longitudinal actuator 42 and from which it can be moved by the longitudinal actuator 42 to the disengaged position.
  • the starting device 100 has a first drive wheel 102 which is non-rotatably connected to the shaft 22 of the synchronous machine.
  • the first drive wheel 102 is advantageously divided at least in two, which is indicated by dashed lines, so that the drive wheel 102 can be attached to the shaft 22 in a rotationally fixed manner without dismantling the machine set.
  • the starting device 100 has a second drive wheel 104 which is rotatably attached in a manner not shown to a machine frame which is not shown.
  • the second drive wheel 104 lies in the same plane as the first drive wheel 102.
  • a drive means 106 for example a drive chain or a drive belt, is placed over the two drive wheels 102,104.
  • the drive wheels 102, 104 can be designed, for example, as sprockets or as pulleys. Since high drive power is required to start the synchronous machine, a number of first drive wheels 102, a number of second drive wheels 104 and a number of drive means 106 can also be provided, for example.
  • the starting device 100 also has the electric motor 32 whose output shaft 108 is connected to a coupling piece 110 .
  • the coupling piece 110 is suitable for being coupled to the second drive wheel 104 .
  • the coupling piece 104 has four claw-like projections for this purpose, which fit into suitable recesses can be coupled in the drive wheel 104.
  • the output shaft 108 is coupled to the shaft 22 of the synchronous machine by the electric motor 32 being displaced along rails 112 in the direction of the second drive wheel 104 until the claws of the coupling piece 110 fit into the appropriate recesses in the second drive wheel 104 intervention.
  • Other clutches or the like are also possible within the scope of the invention in order to couple the output shaft 108 of the electric motor 32 to the second drive wheel 104 .
  • the shaft 32 of the synchronous machine can be rotated by means of the electric motor 32 and the synchronous machine can thereby be brought to its synchronous speed.
  • the electric motor 32 can be moved along the rails 112 again in order to disengage the coupling piece 110 from the second drive wheel 104 .
  • the output shaft 108 is thus again decoupled from the shaft 22 of the synchronous machine.
  • the first drive wheel 102 and the second drive wheel 104 will also rotate.
  • the electric motor 32 can then be moved along the rails 112 to another machine set.
  • the electric motor 32 with wheels or generally to arrange it on a machine frame which can be moved. Since very large driving forces are at work, the electric motor 32 is expediently releasably fixed to a suitable foundation in the position in which its output shaft 108 is coupled to the drive transmission device.
  • FIG. 9 shows a schematic outline of a machine set 200 of a pumped-storage plant with a turbine 201, two turbine bearings 202a, 202b, a clutch 203, a synchronous machine 204, two synchronous machine bearings 205a, 205b, a starting clutch 211, a pump 212 and two pump bearings 213a, 213b, connected by a common shaft.
  • the common shaft has individual shaft sections that are coupled to one another.
  • a clutch 203 is provided between the turbine and the synchronous machine
  • a starting clutch 212 with a hydraulic starting converter is provided between the pump and the synchronous machine.
  • the starting device 220 has an electric motor 210 .
  • the electric motor 210 is coupled to a spur gear bearing device 208 by means of a cardan shaft 209 .
  • the spur gear bearing device 208 has a shaft, at the end of which, which faces the shaft of the machine set 200, a spur gear 207 is arranged in a rotationally fixed manner.
  • the opposite end of the shaft of the spur gear bearing device 208 is coupled to the articulated shaft 209 in a torque-proof manner.
  • the spur gear 207 meshes with the crown gear 206, which is non-rotatably connected to the shaft of the machine set.
  • the crown wheel 206 is coupled in a torque-proof manner to the synchronous machine 204, but this torque-proof coupling can take place directly or indirectly if, for example, there is also a clutch between the section of the shaft to which the crown wheel 206 is fastened and the shaft of the synchronous machine 204 or the like is provided.
  • the spur gear 207 meshes with the toothing of the crown gear 206
  • the spur gear 207 meshes with the crown gear 206.
  • the output shaft of the electric motor 210 rotates, such a rotation is transmitted to the spur gear 207 via the cardan shaft 209 and as a result the Shaft of the synchronous machine 204 rotated.
  • the spur gear 207 is rotated in a linear direction, in 9 up, away and thereby out of engagement with face gear 206.
  • the electric motor 210 can now be detached from the articulated shaft 209 or the articulated shaft 209 can be detached from the spur gear bearing device 208 .
  • the electric motor 210 can then be moved away and used to start a second, in 9 not shown machine set are used.
  • the starting device 220 requires very little space between the individual components of the machine set 200.
  • the crown wheel 206 is arranged between the synchronous machine bearing 205b and the starting clutch 211.
  • the crown wheel 206 is advantageously designed in two parts and is attached to the coupling bolt of the starting clutch 211 .
  • the machine set 200 does not have to be dismantled for this, and the distance between the synchronous machine bearing 205b and the starting clutch 211 does not have to be changed either.
  • the starting device 220 according to the invention can thus be retrofitted to existing machine units 200.
  • the spur gear 207 is shown in the state in which it meshes with the crown gear 206. It can be seen that the spur gear 207 is arranged on a splined shaft 222 of the spur gear bearing device 208 and can be pulled back together with the splined shaft 222 in the direction of the spur gear bearing device 208 . The spur gear 207 can thus be moved out of engagement with the crown gear 206 by means of a linear movement and the spur gear 207 can be moved back into engagement with the crown gear 206 by a displacement in the opposite direction.
  • the splined shaft 222 is retracted and advanced again together with the spur gear 207 by means of a hydraulic device, not shown, for example a hydraulic cylinder, of the spur gear bearing device.
  • the spur gear 207 is generally only brought into engagement with the crown gear 206 when the machine set 200 is stationary and consequently the crown gear 206 is also stationary.
  • Driving torques are only transmitted between the spur gear 207 and the crown gear 206 when the teeth of the spur gear 207 are fully engaged with the teeth of the crown gear 206, ie the spur gear 207 meshes with the crown gear 206.
  • the spur gear bearing device 208 has a hydraulic device in order to retract or advance the spur gear 207 .
  • the spur gear bearing device 208 can also have electrical, electromagnetic, mechanical or other means in order to linearly displace the spur gear 207 and the splined shaft 222 .
  • spur gear bearing device 208 On the side of spur gear bearing device 208 opposite spur gear 207 , the shaft of spur gear bearing device 208 is non-rotatably connected to cardan shaft 209 , which in turn is non-rotatably connected to the output shaft of electric motor 210 .
  • a rotation of the output shaft of the electric motor 210 results in the 10 state of the starting device shown therefore causes the synchronous machine 204 to rotate.
  • the crown wheel 206 is fastened to the clutch bolt of the starting clutch 211 (not shown).
  • a shaft 230 of the machine set is shown only in sections, specifically shown cut through, so that the spur gear 207 and the spur gear bearing device 208 can be seen better.
  • the crown wheel 206 is divided into two halves, which then form the revolving crown wheel 206 with a revolving toothing on the shaft of the machine set 200 .
  • the face gear 206 can therefore be easily retrofitted to the existing machine set 200 without having to disassemble it.
  • the spur gear bearing device 208 is fastened to a bearing bracket 231, which in turn is firmly connected to the machine frame 232 of the machine set 200 in a manner that is not shown.
  • the spur gear bearing device 208 and thus the spur gear 207 can thus exactly to the Crown wheel 206 are aligned and even when the electric motor 210 is uncoupled, this alignment between the spur gear 207 and the crown wheel 206 does not change.
  • the meshing teeth of the spur gear 207 and the crown gear 206 can be lubricated with an oil injection lubrication, not shown.
  • the oil required for this can be tapped from a bearing oil supply for the pump bearings 213a, 213b, for the synchronous machine bearings 205a, 205b.
  • a splash protection and oil collecting housing (not shown) can be fastened to the bearing bracket 231 in order to collect and drain off dripping oil.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe aufweist, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, bei der die Starteinrichtung einen Elektromotor und eine Antriebsübertragungsvorrichtung aufweist, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe aufweist, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind. Die Erfindung betrifft auch einen Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk.
  • Ein Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk besteht üblicherweise aus einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe. Der Maschinensatz kann im Turbinenbetrieb zur Stromerzeugung, im Phasenschieberbetrieb zum Kompensieren von Blindleistung oder im Pumpbetrieb zum Aufnehmen von elektrischer Energie aus dem Netz betrieben werden. Im Zuge des Ausbaus der erneuerbaren Energien ist der Pumpbetrieb immer wichtiger geworden und wird zukünftig auch weiter an Bedeutung gewinnen. Dies deshalb, da im Pumpbetrieb elektrische Energie aus dem Netz aufgenommen werden kann, beispielsweise Strom aus Windenergie oder Strom aus Solarenergie und in Form von potentieller Energie im Oberbecken des Pumpspeicherwerks gespeichert werden kann. Ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes muss zum Einschalten des Pumpbetriebs oder des Phasenschieberbetriebs immer zunächst die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden, bevor die Synchronmaschine gestartet, mit anderen Worten an das elektrische Netz gekoppelt werden kann. Vor Beginn des Pumpbetriebs muss infolgedessen immer zunächst die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden. Bei üblichen Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke erfolgt dies ausschließlich mittels der Wasserturbine. Wenn die Wasserturbine nicht verfügbar ist, beispielsweise weil die Wasserturbine defekt ist, gerade gewartet wird oder im Extremfall auch nicht genügend Wasser im Oberbecken zur Verfügung steht, ist somit bei üblichen Maschinensätzen kein Einschalten des Pumpbetriebs möglich. Frequenzumrichter, die ein Starten der Synchronmaschine ausgehend vom Stillstand ermöglichen würden, sind technisch realisierbar, wirtschaftlich aber nicht sinnvoll.
  • Mit der Erfindung sollen eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, ein Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk sowie ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk verbessert werden.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen.
  • Der Maschinensatz weist eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe auf, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind. Die Starteinrichtung weist einen Elektromotor und eine Antriebsübertragungseinrichtung auf, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.
  • Die erfindungsgemäße Starteinrichtung kann somit ausschließlich für einen Startvorgang der Synchronmaschine mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt werden. Während eines Turbinenbetriebs, eines Pumpenbetriebs oder eines Phasenschieberbetriebs muss die Starteinrichtung hingegen nicht mit dem Maschinensatz gekoppelt sein. Die Starteinrichtung ist infolgedessen während des eigentlichen Betriebs des Maschinensatzes keinem Verschleiß unterworfen und verursacht auch keine Energieverluste. Die erfindungsgemäße Starteinrichtung ist dadurch in sehr einfacher und kostengünstiger Weise an bestehenden Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke nachrüstbar. Durch die Starteinrichtung wird es möglich, auch bei Nichtverfügbarkeit der Turbine einen Pumpbetrieb oder einen Phasenschieberbetrieb des Maschinensatzes zu starten. Beispielsweise kann dadurch während einer turnusmäßig erforderlichen Überholung der Wasserturbine der Maschinensatz dennoch im Pumpbetrieb oder im Phasenschieberbetrieb betrieben werden. Der Elektromotor der Starteinrichtung kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Asynchronmotor oder auch als Synchronmotor mit Frequenzumrichter.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind Fixiermittel vorgesehen, um die Starteinrichtung lösbar mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes zu verbinden.
  • Eine lösbare, insbesondere werkzeuglos lösbare, Verbindung der Starteinrichtung oder des Elektromotors der Starteinrichtung mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes mittels geeigneter Fixiermittel erlaubt es, die Starteinrichtung nach dem Startvorgang schnell und problemlos zu entfernen und beispielsweise zum Starten eines weiteren Maschinensatzes zu verwenden. Wesentlich ist, dass die Starteinrichtung innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, von ihrer Position an einem ersten Maschinensatz entfernt werden kann, um beispielsweise zu einem zweiten Maschinensatz bewegt zu werden, um diesen zu starten. Auch das Anordnen der Starteinrichtung oder des Elektromotors und das Koppeln der Antriebsübertragungseinrichtung mit dem Elektromotor und/oder der Welle der Synchronmaschinemuss sollte innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, vorgenommen werden können, um innerhalb weniger Minuten die Synchronmaschine starten zu können, so dass Netzschwankungen schnell ausgeglichen werden können. Die Elektromotoren, die zum Starten großer Synchronmaschinen von Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke benötigt werden, sind vergleichsweise groß und daher teuer. Wirtschaftlich ist es daher sinnvoll, eine Starteinrichtung oder gegebenenfalls auch nur den Elektromotor der Starteinrichtung zum Starten unterschiedlicher und räumlich voneinander entfernter Maschinensätze zu verwenden.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind Verfahrmittel, insbesondere Räder, vorgesehen.
  • Mittels Verfahrmitteln kann die Starteinrichtung oder auch lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung zwischen verschiedenen Maschinensätzen verfahren werden. Pumpspeicherwerke weisen oft große, langgestreckte Hallen auf, in denen mehrere Maschinensätze nebeneinander angeordnet sind. Die Starteinrichtung oder auch nur der Elektromotor der Starteinrichtung kann dann auf Schienenwegen, die zwischen den einzelnen Maschinensätzen verlegt sind, verfahren und bei dem jeweiligen, zu startenden Maschinensatz dann in der vordefinierten Position mittels der Fixiermittel fixiert werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens eine Antriebskette und/oder wenigstens einen Antriebsriemen auf.
  • Mittels Antriebsketten oder Antriebsriemen können die erforderlichen Drehmomente und Antriebsleistungen zuverlässig vom Elektromotor auf die Welle der Synchronmaschine übertragen werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens ein drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbundenes erstes Antriebsrad und wenigstens ein am Maschinenrahmen drehbar gelagertes zweites Antriebsrad auf, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors mit dem zweiten Antriebsrad koppelbar ist.
  • Auf diese Weise können die Vorteile einer Antriebskette oder eines Antriebsriemens genutzt werden und dennoch kann der Elektromotor angekoppelt und abgekoppelt werden und beispielsweise zwischen verschiedenen Maschinensätzen verschoben werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist ein Schwenkarm vorgesehen, wobei der Schwenkarm mit der Antriebsübertragungseinrichtung versehen ist, wobei der Schwenkarm ausgebildet ist, von einer ausgerückten Position, in der die Antriebsübertragungseinrichtung nicht mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt ist, in eine eingerückte Position verschwenkt zu werden, in der die Antriebsübertragungseinrichtung mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt ist.
  • Mittels eines Schwenkarms kann ein Koppeln des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine in einfacher und zuverlässiger Weise erfolgen. Es ist dabei möglich, den Schwenkarm verschwenkbar am Maschinenrahmen zu lagern, und vorzusehen, dass die Antriebsübertragungseinrichtung nicht nur von der Welle der Synchronmaschine sondern auch von der Abtriebswelle des Elektromotors abgekoppelt wird. Alternativ kann der Schwenkarm auch dauerhaft mit der Abtriebswelle des Elektromotors gekoppelt sein und beispielsweise um die Abtriebswelle des Elektromotors schwenkbar ausgebildet sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens zwei am Schwenkarm drehbar gelagerte Zahnräder auf.
  • Mittels miteinander kämmender Zahnräder, beispielsweise einer Zahnradkaskade, kann die Antriebsenergie des Elektromotors der Starteinrichtung sicher und schlupffrei auf die Welle der Synchronmaschine übertragen werden. Beispielsweise sind die Zahnräder innerhalb des Schwenkarms gelagert und dadurch auch geschützt untergebracht. Der Schwenkarm kann beispielsweise zwei Seitenplatten aufweisen, zwischen denen die Zahnräder angeordnet und gelagert sind.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind am Schwenkarm mehrere, miteinander kämmende Zahnräder angeordnet, wobei ein erstes der Zahnräder in der eingerückten Position des Schwenkarms mit einem Antriebszahnrad kämmt, das drehfest mit der Welle des Elektromotors verbunden ist.
  • Auf diese Weise kann die Antriebsübertragungseinrichtung in der ausgerückten Position des Schwenkarms auch vom Antriebszahnrad des Elektromotors entkoppelt sein. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Elektromotor gewechselt oder beispielsweise zu einem anderen Maschinensatz verfahren werden soll. Der Schwenkarm hingegen kann relativ zum Maschinensatz in einer vordefinierten Position fixiert sein, so dass der Schwenkarm lediglich zwischen der eingerückten Position und der ausgerückten Position verschwenkt werden kann. Dies erleichtert eine exakte Ausrichtung des Schwenkarms zur Welle der Synchronmaschine und dadurch eine verschleißarme und verlustarme Übertragung der Antriebsenergie des Elektromotors auf die Welle der Synchronmaschine.
  • In Weiterbildung der Erfindung kämmt ein Zahnrad des Schwenkarms in der eingerückten Position mit einem Zahnkranz, der drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbunden ist.
  • In der eingerückten Position erfolgt eine Antriebsübertragung vom Schwenkarm somit mittels eines Zahnrads des Schwenkarms, das in einen Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine eingreift. Mittels Zahnrädern können auch hohe Antriebsmomente zuverlässig übertragen werden. Das Ein- und Ausrücken von Zahnrädern ist problemlos möglich, so dass die Starteinrichtung und insbesondere der Schwenkarm der Starteinrichtung in sehr einfacher Weise wieder von der Welle der Synchronmaschine abgekoppelt werden kann, ohne dass ein Kupplungsmechanismus erforderlich wäre. Ein Zahnkranz, der drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbunden ist, kann in der Regel problemlos an einem bestehenden Maschinensatz nachgerüstet werden. Der Zahnkranz kann beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, so dass er ohne Demontage der Synchronmaschine auf deren Welle angeordnet werden kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der Schwenkarm an einem Maschinenrahmen der Starteinrichtung schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkachse des Schwenkarms parallel zur Welle des Elektromotors und seitlich versetzt zur Welle angeordnet ist.
  • Der Schwenkarm ist somit nicht um die Welle des Elektromotors schwenkbar gelagert und die Antriebsübertragungsvorrichtung des Schwenkarms kann dadurch sowohl von der Welle des Elektromotors als auch von der Welle der Synchronmaschine durch einfaches Verschwenken des Schwenkarms abgekoppelt werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist ein Linearstellglied vorgesehen, das einerseits an einem Maschinenrahmen der Starteinrichtung und/oder des Maschinensatzes und andererseits an dem Schwenkarm angelenkt ist, um den Schwenkarm zwischen der ausgerückten Position und der eingerückten Position zu bewegen.
  • Als Linearstellglied kann beispielsweise eine mechanische Spindel oder auch ein Linearzylinder, beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch, zum Einsatz kommen. Mit einem Linearstellglied kann die Antriebsübertragungsvorrichtung des Schwenkarms sicher mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt werden, insbesondere kann ein Zahnrad des Schwenkarms sicher in Eingriff mit einem Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine gehalten werden. Gleiches gilt für ein weiteres Zahnrad des Schwenkarms, das in Eingriff mit dem Abtriebszahnrad des Elektromotors gehalten wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung ein drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbundenes erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad auf, das wahlweise in Eingriff mit dem ersten Zahnrad oder außer Eingriff mit dem ersten Zahnrad bewegt werden kann, wobei das zweite Zahnrad mit der Abtriebswelle des Elektromotors gekoppelt werden kann.
  • Die Abtriebswelle des Elektromotors wird also dadurch mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt, dass das zweite Zahnrad in Eingriff mit dem ersten Zahnrad bewegt wird. Nach dem Starten der Synchronmaschine kann dann das zweite Zahnrad wieder außer Eingriff mit dem ersten Zahnrad bewegt werden. Die Übertragung der Rotationsenergie des Elektromotors kann dadurch in sehr zuverlässiger und verschleißarmer Weise über das mit dem ersten Zahnrad kämmende zweite Zahnrad erfolgen. Ist die Synchronmaschine gestartet, wird das zweite Zahnrad wieder außer Eingriff mit dem ersten Zahnrad bewegt. Die Abtriebswelle des Elektromotors ist dadurch von der Welle der Synchronmaschine abgekoppelt. Durch einfaches Bewegen des zweiten Zahnrads in Eingriff und außer Eingriff mit dem ersten Zahnrad kann dadurch der Elektromotor angekoppelt oder abgekoppelt werden, ohne dass aufwendige Schaltkupplungen oder Reibkupplungen benötigt würden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das erste Zahnrad als Kronenrad ausgebildet und das zweite Zahnrad als Stirnrad. Das zweite, als Stirnrad ausgebildete Zahnrad kann dadurch mittels einer einfachen linearen Bewegung in und außer Eingriff mit dem als Kronenrad ausgebildeten zweiten Zahnrad bewegt werden. Für die Anordnung des Kronenrads und des Stirnrads wird nur sehr wenig Platz benötigt, so dass die Starteinrichtung an bestehenden Maschinensätzen nachgerüstet werden kann. Das Kronenrad ist vorteilhafterweise mehrteilig ausgebildet und wird beispielsweise an Kupplungsbolzen befestigt, die ohnehin schon auf der Welle der Synchronmaschine befestigt sind. Beispielsweise kann das Kronenrad an Kupplungsbolzen eines Anfahrwandlers des Maschinensatzes befestigt werden. Das Kronenrad ist vorteilhafterweise geteilt ausgeführt, beispielsweise in zwei jeweils halbkreisringförmigen Teilen. Das Kronenrad kann dadurch ohne Zerlegen des Maschinensatzes montiert und wieder demontiert werden. Das Stirnrad wird vorteilhafterweise mittels einer linearen Bewegung in und außer Eingriff mit dem Kronenrad bewegt. Vorteilhafterweise ist diese lineare Bewegung senkrecht zu einer Mittellängsachse der Welle des Maschinensatzes ausgerichtet. Das Stirnrad muss infolgedessen nur in Richtung auf die Welle des Maschinensatzes zu geschoben werden, bis es in Eingriff mit dem Kronenrad steht, Ein einfaches Zurückziehen des Stirnrades führt dann nach dem Starten der Synchronmaschine dazu, dass das Stirnrad außer Eingriff mit dem Kronenrad bewegt wird. Für eine solche lineare Bewegung senkrecht zu einer Mittellängsachse der Welle des Maschinensatzes wird nur sehr wenig Platz benötigt, so dass die Starteinrichtung an bestehenden Maschinensätzen nachgerüstet werden kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das Stirnrad an einer Stirnradlagereinrichtung gelagert, wobei die Stirnradlagereinrichtung Mittel aufweist, um das Stirnrad in Eingriff mit dem Kronenrad und außer Eingriff mit dem Kronenrad zu bewegen.
  • Beispielsweise weisen die Mittel einen Hydraulikzylinder oder einen Elektrozylinder auf, um das Stirnrad in Eingriff und außer Eingriff mit dem Kronenrad zu bewegen. Das Stirnrad kann beispielsweise auf einer Keilwelle befestigt sein, so dass das Stirnrad linear verschoben werden kann und dennoch drehfest mit einer Welle in der Stirnradlagereinrichtung verbunden bleibt. Die Stirnradlagereinrichtung ist vorteilhafterweise mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes verbunden. Die Stirnradlagereinrichtung und das Stirnrad können dadurch exakt zum Kronenrad ausgerichtet werden. Der Elektromotor wird dann an eine Welle der Stirnradlagereinrichtung angekoppelt. Der Elektromotor selbst muss aber bei geeigneter Ausführung nicht exakt zum Kronenrad ausgerichtet sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Gelenkwelle vorgesehen, wobei die Gelenkwelle einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors und andererseits mit dem zweiten Zahnrad gekoppelt werden kann.
  • Der Elektromotor kann von der Gelenkwelle gelöst werden oder die Gelenkwelle kann von dem zweiten Zahnrad abgekoppelt werden und dann kann der Elektromotor verfahren oder bewegt und zum Starten eines zweiten Maschinensatzes verwendet werden. Die exakte Ausrichtung von erstem Zahnrad und zweiten Zahnrad bleibt dahingegen auch nach dem Entfernen des Elektromotors erhalten.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch einen Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe gelöst, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, wobei eine erfindungsgemäße Starteinrichtung vorgesehen ist.
  • Der erfindungsgemäße Maschinensatz kann dadurch auch dann, wenn die Wasserturbine nicht verfügbar ist, gestartet werden, um einen Pumpbetrieb oder einen Phasenschieberbetrieb aufzunehmen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Welle der Synchronmaschine mit einem Zahnkranz versehen und ein Zahnrad des Schwenkarms kämmt in der eingerückten Position mit dem Zahnkranz.
  • Auf diese Weise kann eine verlässliche, verlustarme und reibungsarme Übertragung von Antriebsenergie des Elektromotors auf die Welle der Synchronmaschine erfolgen. Gleichzeitig kann der Elektromotor in sehr einfacher Weise von der Welle der Synchronmaschine abgekoppelt werden, indem der Schwenkarm verschwenkt wird und dadurch das Zahnrad des Schwenkarms außer Eingriff mit dem Zahnkranz der Synchronmaschine bewegt wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine wenigstens zweiteilig ausgebildet.
  • Auf diese Weise kann der Zahnkranz in einfacher Weise nachgerüstet werden.
    In Weiterbildung der Erfindung ist die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung an einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes lösbar fixiert.
  • Die Starteinrichtung oder auch lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung kann dadurch von dem Maschinensatz wegbewegt werden, beispielsweise um einen weiteren Maschinensatz zu starten oder um gewartet zu werden. Beispielsweise kann die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung auf Schienen oder Rädern verfahrbar sein und es sind Fixiermittel vorgesehen, um die Starteinrichtung oder den Elektromotor dann in der vordefinierten Position am Maschinensatz, insbesondere werkzeuglos, zu fixieren. Die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor sollen innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, fixiert werden können, um auch die Synchronmaschine innerhalb weniger Minuten starten zu können.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk gelöst, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine, Antreiben der Welle der Synchronmaschine mittels des Elektromotors bis zu einer vordefinierten Startdrehzahl, Starten der Synchronmaschine.
  • Auf diese Weise kann auch bei Nichtverfügbarkeit der Turbine ein Phasenschieberbetrieb oder ein Pumpbetrieb des Maschinensatzes gestartet werden. Das Starten der Synchronmaschine beinhaltet dabei das Verbinden der Synchronmaschine mit einem elektrischen Netz, insbesondere dem allgemeinen Versorgungsnetz.
  • Nach dem Starten der Synchronmaschine kann das Entkoppeln der Antriebsübertragungseinrichtung von der Abtriebswelle des Elektromotors und/oder von der Welle der Synchronmaschine erfolgen.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die Schritte Bewegen der Starteinrichtung in Position neben einem ersten Maschinensatz, Starten der Synchronmaschine des ersten Maschinensatzes und Wegbewegen der Starteinrichtung aus der Position neben dem ersten Maschinensatz vorgesehen.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die Schritte Bewegen der Starteinrichtung in eine Position neben einem zweiten Maschinensatz und Starten der Synchronmaschine des zweiten Maschinensatzes vorgesehen.
  • Auf diese Weise kann die Starteinrichtung oder auch nur der Elektromotor der Starteinrichtung zum Starten mehrerer Maschinensätze verwendet werden. Die mehreren Maschinensätze können dabei innerhalb ein und desselben Pumpspeicherwerks vorgesehen sein. Die Starteinrichtung oder der Elektromotor können aber selbstverständlich auch zu einem anderen Pumpspeicherwerk bewegt werden, um dort dann einen Startvorgang des Maschinensatzes durchzuführen.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung einen Schwenkarm auf und beim Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine erfolgt das Verschwenken des Schwenkarms der Starteinrichtung in die eingerückte Position.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Maschinensatzes gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Pumpspeicherwerk von schräg oben,
    Fig. 2
    den Maschinensatz der Fig. 1 schräg von der Seite, wobei die in Fig. 1 schematisch dargestellte Wasserturbine und die in Fig. 1 schematisch dargestellte Wasserpumpe nicht dargestellt sind,
    Fig. 3
    eine der Fig. 2 vergleichbare Ansicht, wobei ein Wandler nicht dargestellt wurde,
    Fig. 4
    eine erfindungsgemäße Starteinrichtung des Maschinensatzes der Fig. 1 bis 3,
    Fig. 5
    eine weitere Darstellung der Starteinrichtung der Fig. 4, wobei weitere Elemente des Maschinensatzes weggelassen wurden,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung der Starteinrichtung der Fig. 5 zur Verdeutlichung einer Antriebsübertragungseinrichtung,
    Fig. 7
    die Starteinrichtung in einer Ansicht von der Seite, parallel zu einer Wellenlängsachse des Maschinensatzes,
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung einer Starteinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 9
    eine Prinzipskizze eines Maschinensatzes mit einer erfindungsgemäßen Starteinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
    Fig. 10
    eine abschnittsweise Darstellung eines erfindungsgemäßen Maschinensatzes mit einer erfindungsgemäßen Starteinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt in einer Ansicht von schräg oben einen Maschinensatz 10 für ein Pumpspeicherwerk. Der Maschinensatz ist auf einem Fundament 12 angeordnet, das lediglich schematisch dargestellt ist und das einen Boden und einen Abschnitt einer Seitenwand aufweist. Das Fundament 12 bildet beispielsweise Teil einer Maschinenhalle eines Pumpspeicherwerks.
  • Der Maschinensatz 10 weist eine lediglich schematisch dargestellte Wasserturbine 14, eine Synchronmaschine 16 und eine ebenfalls lediglich schematisch dargestellte Wasserpumpe 18 auf. In bekannter und nicht dargestellter Weise ist die Wasserturbine 14 über Kanäle mit einem Oberbecken und einem Unterbecken des Pumpspeicherwerks verbunden. Aus dem Oberbecken über die Wasserturbine 14 ins Unterbecken strömendes Wasser kann die Wasserturbine 14 in Drehung versetzen, die dadurch die Welle der Synchronmaschine 16 antreibt, um beispielsweise elektrische Energie ins Versorgungsnetz einzuspeisen. Die Wasserturbine 14 ist mittels einer Kupplung 20 mit einer Welle 22 der Synchronmaschine gekoppelt. Die Welle der Synchronmaschine ist mittels eines ersten Lagers 24 zwischen der Wasserturbine 14 und der Synchronmaschine 16 und mittels eines zweiten Lagers 26 zwischen der Synchronmaschine 16 und der Wasserpumpe 18 drehbar gelagert. Die Lager 24, 26 sind auf dem Fundament 12 befestigt. Die Welle 22 der Synchronmaschine 16 ist mit einem Wandler 28 verbunden, der wiederum mit der Wasserpumpe 18 gekoppelt ist. Die Wasserturbine 14, die Synchronmaschine 16 und die Wasserpumpe 18 sind koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse der Welle 22 der Synchronmaschine 16 angeordnet.
  • In einem Pumpbetrieb ist die Synchronmaschine 16 mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden, die Wasserturbine 14 kann leer mitlaufen oder mithilfe der Kupplung 20 von der Welle 22 der Synchronmaschine 16 entkoppelt sein und die Welle 22 der Synchronmaschine 16 treibt über den Wandler 28 die Wasserpumpe 18 an. Auf diese Weise kann elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz aufgenommen werden und Wasser aus dem Unterbecken ins Oberbecken gepumpt werden. Der Maschinensatz 10 kann auch in einem sogenannten Phasenschieberbetrieb betrieben werden, in dem sowohl die Turbine 14 als auch die Wasserpumpe 18 leerlaufen und lediglich die Synchronmaschine 16 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz betrieben wird, um Blindleistung zu kompensieren.
  • Um vom Turbinenbetrieb in den Pumpbetrieb umzuschalten, müssen ausgehend vom Turbinenbetrieb lediglich Pumpenschieber geöffnet werden, damit Wasser vom Unterbecken zur Wasserpumpe 18 und dann von der Wasserpumpe 18 zum Oberbecken gelangen kann. Die Synchronmaschine 16 behält dabei ihre Synchrondrehzahl bei. Der Unterschied zwischen Turbinenbetrieb und Pumpbetrieb ist dann lediglich, dass im Turbinenbetrieb die Synchronmaschine 16 elektrische Energie in das Versorgungsnetz abgibt und im Pumpbetrieb elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz aufnimmt.
  • Um ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes 10 den Turbinenbetrieb zu starten, müssen lediglich Turbinenschieber geöffnet werden, so dass Wasser aus dem Oberbecken zu der Wasserturbine 14 und dann von der Wasserturbine 14 wieder ins Unterbecken gelangen kann.
  • Um ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes 10 den Pumpbetrieb aufzunehmen, muss bei konventionellen Maschinensätzen 10 zunächst die Wasserturbine 14 laufen, um die Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen. Sobald die Synchronmaschine 16 dann gestartet ist und mit Netzspannung betrieben wird, können die Turbinenschieber geschlossen und die Pumpenschieber für die Wasserpumpe 18 geöffnet werden, um Wasser vom Unterbecken ins Oberbecken zu pumpen. Sobald die Synchronmaschine 16 ihre Synchrondrehzahl erreicht hat und mit der elektrischen Netzspannung betrieben wird, können also die Turbinenschieber geschlossen und die Wasserturbine 14 abgekoppelt werden. Die Wasserturbine 14 muss bei konventionellen Maschinensätzen auch dann kurzzeitig betrieben werden, um die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen, bevor die Synchronmaschine 16 im Phasenschieberbetrieb betrieben werden kann.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Maschinensatz 10 ist eine Starteinrichtung 30 vorgesehen. Die Starteinrichtung 30 weist einen Elektromotor 32 und einen in Fig. 1 nicht erkennbaren Schwenkarm mit einer Antriebsübertragungseinrichtung auf. Mittels des Schwenkarms und der Antriebsübertragungseinrichtung des Schwenkarms kann der Elektromotor 32 wahlweise mit der Welle 22 der Synchronmaschine 16 gekoppelt werden oder von der Welle 22 entkoppelt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Maschinensatz 10 ist es somit mittels der Starteinrichtung 30 möglich, auch ohne die Wasserturbine 14 die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen, um dadurch den Maschinensatz 10 im Phasenschieberbetrieb oder im Pumpbetrieb zu betreiben.
  • Das Vorsehen der Starteinrichtung 30 ermöglicht es dadurch, den Maschinensatz 10 im Phasenschieberbetrieb oder im Pumpbetrieb auch bei Nichtverfügbarkeit der Wasserturbine 14 zu betreiben. Beispielsweise kann dann, wenn die Wasserturbine 14 gewartet wird oder defekt ist oder nicht genügend Wasser im Oberbecken vorhanden ist, der Maschinensatz 10 dennoch im Phasenschieberbetrieb und im Pumpbetrieb betrieben werden.
  • Dies erhöht die Einsatzzeit und die Wirtschaftlichkeit des Maschinensatzes 10 gegenüber konventionellen Maschinensätzen erheblich.
  • Fig. 2 zeigt den Maschinensatz 10 in einer Ansicht von seitlich oben. Die Wasserturbine 14 und die Wasserpumpe 18 sind im Unterschied zur Darstellung der Fig. 1 nicht gezeigt. Der Blick geht in Fig. 2 somit auf den Wandler 28. Die Starteinrichtung 30 ist zwischen dem Wandler 28 und der Synchronmaschine 16 angeordnet. Die Starteinrichtung 30 weist neben dem Elektromotor 32 einen Schwenkarm 34 auf. In der Darstellung der Fig. 2 befindet sich der Schwenkarm 34 in einer eingerückten Position, in der eine Antriebsübertragungseinrichtung des Schwenkarms 34 mit der Welle 22 der Synchronmaschine 16 gekoppelt ist.
  • Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 vergleichbare Darstellung, wobei der Wandler 28 nicht dargestellt ist. In Fig. 3 ist daher der Schwenkarm 34 gut zu erkennen. Es ist weiter zu erkennen, dass das von dem Elektromotor 32 abgewandte Ende des Schwenkarms 34 auf einem Zahnkranz 36 auf der Welle 22 der Synchronmaschine 16 aufliegt. Ein an diesem vom Elektromotor 32 abgewandten Ende des Schwenkarms 34 drehbar gelagertes Zahnrad, das in Fig. 3 nicht erkennbar ist, kämmt dann mit dem Zahnkranz 36 auf der Welle 22, mit anderen Worten greift das Zahnrad des Schwenkarms 34 in den Zahnkranz 36 ein.
  • Das dem Elektromotor 32 zugewandte Ende des Schwenkarms 34 weist ebenfalls ein am Schwenkarm 34 drehbar gelagertes Zahnrad 38 auf. Dieses Zahnrad 38 kämmt in der in Fig. 3 dargestellten eingerückten Position des Schwenkarms 34 und befindet sich somit in Eingriff mit einem Abtriebszahnrad 40, das drehfest mit der Welle des Elektromotors 32 verbunden ist.
  • In der eingerückten Position des Schwenkarms 34, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird somit eine Drehung des Abtriebszahnrads 40 des Elektromotors 32 über die Antriebsübertragungseinrichtung im Schwenkarm 34 auf den Zahnkranz 36 und somit auf die Welle 22 der Synchronmaschine 16 übertragen. In der eingerückten Position des Schwenkarms 34 kann somit mittels des Elektromotors 32 die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl gebracht werden. Unter Zuhilfenahme der Starteinrichtung kann somit die Synchronmaschine 16 gestartet werden, ohne dass die Wasserturbine 14 erforderlich ist.
  • Nach dem Starten der Synchronmaschine 16 wird der Schwenkarm 34 mittels eines Linearstellglieds 42 ausgehend von der eingerückten Position der Fig. 3 nach oben in eine ausgerückte Position verschwenkt. In der ausgerückten Position greift das an dem vom Elektromotor 32 abgewandten Ende des Schwenkarms 34 angeordnete Zahnrad nicht mehr in den Zahnkranz 36 der Welle 22 ein. Der Elektromotor 32 ist dadurch von der Welle 22 abgekoppelt.
  • Das Linearstellglied 42 kann beispielsweise als Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Das Linearstellglied 42 kann beispielsweise aber auch als mechanische Spindel ausgebildet sein.
  • Fig. 4 zeigt die Starteinrichtung 30 in vergrößerter, aber schematischer Darstellung. Der Elektromotor 32 ist mit dem Abtriebszahnrad 40 versehen, das in der eingerückten Position des Schwenkarms 34 mit dem Zahnrad 38 des Schwenkarms 34 kämmt. Innerhalb des Schwenkarms 34 sind zwei weitere Zahnräder drehbar gelagert, die in Fig. 4 nicht erkennbar sind und die die Rotation des Zahnrads 38 auf das Zahnrad 50 des Schwenkarms 34 übertragen. Das Zahnrad 50 ist an dem Ende des Schwenkarms 34 angeordnet, das vom Elektromotor 32 abgewandt ist.
  • In der in Fig. 4 dargestellten eingerückten Position des Schwenkarms 34, in der dieser mittels des Linearstellglieds 42 gehalten wird, greift das Zahnrad 50 in den Zahnkranz 36 auf der Welle 22 der Synchronmaschine ein. In der eingerückten Position des Schwenkarms 34 der Fig. 4 wird somit durch eine Zahnradkaskade vom Abtriebszahnrad 40 über das Zahnrad 38, die zwei weiteren in Fig. 4 nicht sichtbaren Zahnräder im Schwenkarm 34, das Zahnrad 50 und den Zahnkranz 36 eine Antriebsenergie des Elektromotors 32 auf die Welle 22 der Synchronmaschine übertragen.
  • Der Schwenkarm 34 wird dabei mittels des Linearstellglieds 42, das einerseits etwa in der Mitte des Schwenkarms und andererseits an einem Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 angreift, in der eingerückten Position gehalten. Mittels des Linearstellglieds 42 wird somit auch das Zahnrad 50 mit dem Zahnkranz 36 und das Zahnrad 38 mit dem Abtriebszahnrad 40 in Eingriff gehalten.
  • Um ausgehend von der eingerückten Position der Fig. 4 in die ausgerückte Position des Schwenkarms 34 zu gelangen, wird in sehr einfacher Weise mittels des Linearstellglieds 42 der Schwenkarm 34 nach oben verschwenkt. Da eine Schwenkachse 54 des Schwenkarms 34 parallel, aber seitlich versetzt zur Welle des Elektromotors 32 angeordnet ist, werden durch das Verschwenken des Schwenkarms 34 nach oben gleichzeitig das Zahnrad 50 aus dem Zahnrad 36 und das Zahnrad 38 aus dem Abtriebszahnrad 40 des Elektromotors 32 ausgerückt.
  • Es ist dadurch möglich, in der ausgerückten Position des Schwenkarms 34 den Elektromotor 32 wegzubewegen. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, die Schwenkachse 54 des Schwenkarms 34 koaxial zur Welle des Elektromotors 32 anzuordnen.
  • Es ist in Fig. 4 zu erkennen, dass der Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 mit dem Fundament 12 verbunden ist. Für eine solche Verbindung können erfindungsgemäß lösbare Fixiermittel eingesetzt werden, die es dann ermöglichen, die Starteinrichtung 30 oder auch lediglich den Elektromotor 32 von dem Maschinensatz zu entfernen und beispielsweise neben einem anderen Maschinensatz anzuordnen. Die Starteinrichtung 30 oder auch nur der Elektromotor 32 können dadurch zum Starten unterschiedlicher Maschinensätze verwendet werden. Der Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 kann hierzu beispielsweise Verfahrmittel, beispielsweise Räder, aufweisen, die auf Schienen im Fundament 12 laufen oder auch nur mit Rädern versehen sein oder in einfacher Weise, insbesondere werkzeuglos, lösbar vom Fundament 12 ausgebildet sein.
  • Die Darstellung der Fig. 5 zeigt die Starteinrichtung 30, wobei der Maschinensatz selbst nicht dargestellt ist, sondern lediglich der Zahnkranz 36.
  • Fig. 6 zeigt dann eine schematische Darstellung der Starteinrichtung 30, in der vom Schwenkarm 34 lediglich die Zahnräder 38, 56, 58, 50 dargestellt sind. In Fig. 6 sind die beiden weiteren Zahnräder 56, 58 des Schwenkarms 34 zu erkennen. Eine Zahnradkaskade wird in der eingerückten Position des Schwenkarms 34 durch das Abtriebszahnrad 40 des Elektromotors 32, das Zahnrad 38 des Schwenkarms 34, die beiden Zahnräder 56, 58 im Schwenkarm 34, das Zahnrad 50 des Schwenkarms 34 sowie den Zahnkranz 36 auf der Welle der Synchronmaschine gebildet. Die Antriebsübertragungseinrichtung im Schwenkarm 34 weist somit die Zahnräder 38, 56, 58 und 50 auf.
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht der Starteinrichtung 30 von der Seite, also parallel zur Wellenlängsachse der Welle der Synchronmaschine gesehen. Der Schwenkarm 34 ist wieder in der eingerückten Position dargestellt, in der er durch das Längsstellglied 42 gehalten wird und aus der er mittels des Längsstellglieds 42 in die ausgerückte Position herausbewegt werden kann.
  • Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine Starteinrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Maschinensatz des Pumpspeicherwerks mit Turbine, Synchronmaschine und Pumpe ist nicht dargestellt, lediglich die Welle 22 der Synchronmaschine ist schematisch dargestellt. Die Starteinrichtung 100 weist ein erstes Antriebsrad 102 auf, das drehfest mit der Welle 22 der Synchronmaschine verbunden ist. Das erste Antriebsrad 102 ist vorteilhafterweise wenigstens zweigeteilt, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist, so dass das Antriebsrad 102 ohne Zerlegen des Maschinensatzes drehfest auf der Welle 22 angebracht werden kann. Die Starteinrichtung 100 weist ein zweites Antriebsrad 104 auf, das in nicht dargestellter Weise drehbar an einem Maschinenrahmen, der nicht dargestellt ist, befestigt ist. Das zweite Antriebsrad 104 liegt in der gleichen Ebene wie das erste Antriebsrad 102. Ein Antriebsmittel 106, beispielsweise eine Antriebskette oder ein Antriebsriemen, ist über die beiden Antriebsräder 102, 104 gelegt. Die Antriebsräder 102, 104 können beispielsweise als Kettenräder oder als Riemenscheiben ausgebildet sein. Da zum Starten der Synchronmaschine hohe Antriebsleistungen erforderlich sind, können beispielsweise auch mehrere erste Antriebsräder 102, mehrere zweite Antriebsräder 104 und mehrere Antriebsmittel 106 vorgesehen sein.
  • Die Starteinrichtung 100 weist weiter den Elektromotor 32 auf, dessen Abtriebswelle 108 mit einem Kupplungsstück 110 verbunden ist. Das Kupplungsstück 110 ist dafür geeignet, mit dem zweiten Antriebsrad 104 gekoppelt zu werden. Lediglich beispielhaft und schematisch weist das Kupplungsstück 104 hierfür vier klauenartige Vorsprünge auf, die in passende Ausnehmungen im Antriebsrad 104 eingekoppelt werden können. Das Koppeln der Abtriebswelle 108 mit der Welle 22 der Synchronmaschine erfolgt bei der Starteinrichtung 100 dadurch, dass der Elektromotor 32 entlang von Schienen 112 in Richtung auf das zweite Antriebsrad 104 verschoben wird, bis die Klauen des Kupplungsstücks 110 in die passenden Ausnehmungen des zweiten Antriebsrads 104 eingreifen. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Kupplungen oderdergleichen möglich, um die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit dem zweiten Antriebsrad 104 zu koppeln.
  • Das erste Antriebsrad 102, das zweite Antriebsrad 104 und das Antriebsmittel 106 bilden eine Antriebsübertragungsvorrichtung, um die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit der Welle 22 der Synchronmaschine zu koppeln.
  • Nachdem die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit dem Antriebsrad 104 gekoppelt ist, kann mittels des Elektromotors 32 die Welle 32 der Synchronmaschine in Drehung versetzt werden und dadurch die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden. Sobald die Synchronmaschine dann mit dem elektrischen Netz verbunden ist und in einem Phasenschieberbetrieb oder Pumpbetrieb arbeitet, kann der Elektromotor 32 wieder entlang der Schienen 112 verfahren werden, um das Kupplungsstück 110 aus dem zweiten Antriebsrad 104 auszurücken. Die Abtriebswelle 108 ist dadurch wieder von der Welle 22 der Synchronmaschine entkoppelt. So lange sich die Welle 22 der Synchronmaschine dreht, werden sich auch das erste Antriebsrad 102 und das zweite Antriebsrad 104 mitdrehen. Der Elektromotor 32 kann dann entlang der Schienen 112 zu einem weiteren Maschinensatz verfahren werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Elektromotor 32 mit Rädern zu versehen oder allgemein auf einem Maschinengestell anzuordnen, das bewegt werden kann. Da sehr große Antriebskräfte wirken, wird der Elektromotor 32 zweckmäßigerweise in der Position, in der seine Abtriebswelle 108 mit der Antriebsübertragungseinrichtung gekoppelt ist, lösbar an einem geeigneten Fundament fixiert.
  • Fig. 9 zeigt als schematische Prinzipsskizze einen Maschinensatz 200 eines Pumpspeicherwerks mit einer Turbine 201, zwei Turbinenlagern 202a, 202b, einer Schaltkupplung 203, einer Synchronmaschine 204, zwei Synchronmaschinenlagern 205a, 205b, einer Anfahrkupplung 211, einer Pumpe 212 und zwei Pumpenlagern 213a, 213b, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Die gemeinsame Welle weist dabei einzelne Wellenabschnitte auf, die miteinander gekoppelt werden. Beispielsweise ist zwischen der Turbine und der Synchronmaschine eine Schaltkupplung 203 vorgesehen und zwischen der Pumpe und der Synchronmaschine ist eine Anfahrkupplung 212 mit einem hydraulischen Anfahrwandler vorgesehen.
  • Die erfindungsgemäße Starteinrichtung 220 weist einen Elektromotor 210 auf. Der Elektromotor 210 ist mittels einer Gelenkwelle 209 mit einer Stirnradlagereinrichtung 208 gekoppelt. Die Stirnradlagereinrichtung 208 weist eine Welle auf, an deren Ende, das der Welle des Maschinensatzes 200 zugewandt ist, ein Stirnrad 207 drehfest angeordnet ist. Das gegenüberliegenden Ende der Welle der Stirnradlagereinrichtung 208 ist drehfest mit der Gelenkwelle 209 gekoppelt. Im dargestellten Zustand kämmt das Stirnrad 207 mit dem Kronenrad 206, das mit der Welle des Maschinensatzes drehfest verbunden ist. Wie ausgeführt wurde, ist das Kronenrad 206 drehfest mit der Synchronmaschine 204 gekoppelt, diese drehfeste Kopplung kann aber unmittelbar oder auch mittelbar erfolgen, wenn zwischen dem Abschnitt der Welle, an dem das Kronenrad 206 befestigt ist und der Welle der Synchronmaschine 204 beispielsweise noch eine Kupplung oder dergleichen vorgesehen ist.
  • Im Zustand der Fig. 9 greift das Stirnrad 207 in die Verzahnung des Kronenrades 206 ein, das Stirnrad 207 kämmt also mit dem Kronenrad 206. Wenn sich die Abtriebswelle des Elektromotors 210 dreht, wird eine solche Drehung über die Gelenkwelle 209 auf das Stirnrad 207 übertragen und infolgedessen wird dann auch die Welle der Synchronmaschine 204 gedreht. Wenn die Synchronmaschine 204 mittels des Elektromotors 210 auf die gewünschte Startdrehzahl gebracht und beispielsweise elektrisch mit einem Versorgungsnetz verbunden ist, wird das Stirnrad 207 in linearer Richtung, in Fig. 9 nach oben, weg bewegt und dadurch außer Eingriff mit dem Kronenrad 206 bewegt.
  • Der Elektromotor 210 kann nun von der Gelenkwelle 209 gelöst werden oder die Gelenkwelle 209 kann von der Stirnradlagereinrichtung 208 gelöst werden. Der Elektromotor 210 kann dann wegbewegt werden und zum Starten eines zweiten, in Fig. 9 nicht dargestellten Maschinensatzes eingesetzt werden.
  • Ersichtlich benötigt die erfindungsgemäße Starteinrichtung 220 sehr wenig Raum zwischen den einzelnen Komponenten des Maschinensatzes 200. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Kronenrad 206 zwischen dem Synchronmaschinenlager 205b und der Anfahrkupplung 211 angeordnet. Das Kronenrad 206 ist vorteilhafterweise zweiteilig ausgebildet und wird an den Kupplungsbolzen der Anfahrkupplung 211 befestigt. Der Maschinensatz 200 muss hierzu nicht zerlegt werden und auch ein Abstand zwischen dem Synchronmaschinenlager 205b und der Anfahrkupplung 211 muss nicht verändert werden. Die erfindungsgemäße Starteinrichtung 220 kann dadurch an bestehenden Maschinensätzen 200 nachgerüstet werden.
  • Fig. 10 zeigt abschnittsweise den Maschinensatz 200 mit der erfindungsgemäßen Starteinrichtung 220. Das Stirnrad 207 ist in dem Zustand dargestellt, in dem es mit dem Kronenrad 206 kämmt. Es ist zu erkennen, dass das Stirnrad 207 auf einer Keilwelle 222 der Stirnradlagereinrichtung 208 angeordnet ist und zusammen mit der Keilwelle 222 in Richtung auf die Stirnradlagereinrichtung 208 zurückgezogen werden kann. Das Stirnrad 207 kann also mittels einer linearen Bewegung außer Eingriff mit dem Kronenrad 206 bewegt werden und durch eine Verschiebung in umgekehrter Richtung kann das Stirnrad 207 wieder in Eingriff mit dem Kronenrad 206 bewegt werden. Die Keilwelle 222 wird zusammen mit dem Stirnrad 207 mittels einer nicht dargestellten hydraulischen Einrichtung, beispielsweise ein Hydraulikzylinder, der Stirnradlagereinrichtung zurückgezogen und wieder vorgeschoben. Das Stirnrad 207 wird in der Regel immer nur dann in Eingriff mit dem Kronenrad 206 gebracht, wenn der Maschinensatz 200 steht und infolgedessen auch das Kronenrad 206 steht. Antriebsmomente werden zwischen dem Stirnrad 207 und dem Kronenrad 206 erst dann übertragen, wenn die Verzahnung des Stirnrades 207 vollständig in Eingriff mit der Verzahnung des Kronenrades 206 steht, das Stirnrad 207 also mit dem Kronenrad 206 kämmt. Die Stirnradlagereinrichtung 208 weist, wie ausgeführt, eine hydraulische Einrichtung auf, um das Stirnrad 207 zurückzuziehen beziehungsweise vorzuschieben. Alternativ kann die Stirnradlagereinrichtung 208 aber auch elektrische, elektromagnetische, mechanische oder sonstige Mittel aufweisen, um das Stirnrad 207 und die Keilwelle 222 linear zu verschieben.
  • Auf der, dem Stirnrad 207 gegenüberliegenden Seite der Stirnradlagereinrichtung 208 ist die Welle der Stirnradlagereinrichtung 208 mit der Gelenkwelle 209 drehfest verbunden, die dann wiederum mit der Abtriebswelle des Elektromotors 210 drehfest verbunden ist. Eine Drehung der Abtriebswelle des Elektromotors 210 führt in dem in Fig. 10 dargestellten Zustand der Starteinrichtung daher zu einer Drehung der Synchronmaschine 204.
  • Das Kronenrad 206 ist an nicht dargestellten Kupplungsbolzen der Anfahrkupplung 211 befestigt. Eine Welle 230 des Maschinensatzes ist nur abschnittsweise dargestellt, speziell durchtrennt dargestellt, so dass das Stirnrad 207 und die Stirnradlagereinrichtung 208 besser zu erkennen sind. Das Kronenrad 206 ist in zwei Hälften geteilt, die auf der Welle des Maschinensatzes 200 dann das umlaufende Kronenrad 206 mit einer umlaufenden Verzahnung bilden. Das Kronenrad 206 kann daher in einfacher Weise an dem bestehenden Maschinensatz 200 nachgerüstet werden, ohne dass dieser zerlegt werden muss.
  • Die Stirnradlagereinrichtung 208 ist an einem Lagerbügel 231 befestigt, der wiederum in nicht dargestellter Weise mit dem Maschinenrahmen 232 des Maschinensatzes 200 fest verbunden ist. Die Stirnradlagereinrichtung 208 und damit auch das Stirnrad 207 können somit exakt zu dem Kronenrad 206 ausgerichtet werden und auch beim Abkoppeln des Elektromotors 210 verändert sich diese Ausrichtung zwischen Stirnrad 207 und Kronenrad 206 nicht.
  • Wie Fig. 10 und vor allem Fig. 9 zu entnehmen ist, wird lediglich extrem wenig Platz zwischen der Anfahrkupplung 211 und dem Generatorlager 205b benötigt, da das Stirnrad 207 linear und in einer Richtung senkrecht zur Mittellängsachse der Welle 230 des Maschinensatzes 200 in Eingriff mit dem Kronenrad 206 oder außer Eingriff mit dem Kronenrad 206 bewegt wird. Indem die Stirnradlagereinrichtung 208 fest mit dem Maschinenrahmen 232 des Maschinensatzes 200 verbunden ist, wird beim Ankoppeln und Abkoppeln des Elektromotors 210 eine Ausrichtung des Stirnrades 207 relativ zum Kronenrad 206 nicht verändert. Der Elektromotor 210 kann dadurch abgekoppelt werden, zu einem zweiten Maschinensatz verfahren werden und dadurch zum Starten verschiedener Maschinensätze verwendet werden.
  • Die ineinander eingreifenden Verzahnungen des Stirnrades 207 und des Kronenrades 206 können mit einer nicht dargestellten Öleinspritzschmierung geschmiert werden. Das hierfür benötigte Öl kann von einer Lagerölversorgung für die Pumpenlager 213a, 213b, für die Synchronmaschinenlager 205a, 205b abgegriffen werden. An dem Lagerbügel 231 kann ein nicht dargestelltes Spritzschutz- und Ölauffanggehäuse befestigt sein, um abtropfendes Öl aufzufangen und abzuleiten.

Claims (15)

  1. Starteinrichtung (30) für einen Maschinensatz (10) eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz (10) eine Wasserturbine (14), eine Synchronmaschine (16) und eine Wasserpumpe (18) aufweist, wobei die Wasserturbine (14), die Synchronmaschine (16) und die Wasserpumpe (18) koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (30) einen Elektromotor (32) und eine Antriebsübertragungseinrichtung aufweist, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors (32) und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.
  2. Starteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Fixiermittel, um die Starteinrichtung (30) oder den Elektromotor (32) der Starteinrichtung (30) lösbar mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz (10) steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes (10) zu verbinden.
  3. Starteinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verfahrmittel, insbesondere Räder.
  4. Starteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwenkarm (32) vorgesehen ist, wobei der Schwenkarm (34) mit der Antriebsübertragungseinrichtung versehen ist, wobei der Schwenkarm (34) ausgebildet ist, von einer ausgerückten Position, in der die Antriebsübertragungseinrichtung nicht mit der Welle der Synchronmaschine (16) gekoppelt ist, in eine eingerückte Position verschwenkt zu werden, in der die Antriebsübertragungseinrichtung mit der Welle der Synchronmaschine (16) gekoppelt ist.
  5. Starteinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsübertragungseinrichtung ein drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbundenes erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad aufweist, das wahlweise in Eingriff mit dem ersten Zahnrad oder außer Eingriff mit dem ersten Zahnrad bewegt werden kann, und wobei das zweite Zahnrad mit der Abtriebswelle des Elektromotors gekoppelt werden kann.
  6. Starteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnrad als Kronenrad ausgebildet ist und das zweite Zahnrad als Stirnrad.
  7. Starteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnrad an einer Stirnradlagereinrichtung gelagert ist, wobei die Stirnradlagereinrichtung Mittel aufweist, um das Stirnrad in Eingriff mit dem Kronenrad und außer Eingriff mit dem Kronenrad zu bewegen.
  8. Starteinrichtung nach Anspruch 5. 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gelenkwelle vorgesehen ist, wobei die Gelenkwelle mit der Abtriebswelle des Elektromotors und dem zweiten Zahnrad gekoppelt werden kann.
  9. Maschinensatz (10) für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine (14), einer Synchronmaschine (16) und einer Wasserpumpe (18), wobei die Wasserturbine (14), die Synchronmaschine (16) und die Wasserpumpe (18) koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, sowie mit einer Starteinrichtung (30) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche.
  10. Maschinensatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (22) der Synchronmaschine (16) mit einem Antriebsrad versehen ist, wobei das Antriebsrad auf Welle der Synchronmaschine wenigstens zweiteilig ausgebildet ist.
  11. Maschinensatz nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (30) oder lediglich der Elektromotor (32) der Starteinrichtung (30) an einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes lösbar fixiert ist.
  12. Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes (10) für ein Pumpspeicherwerk nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit folgenden Schritten: Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors (32) mit der Welle der Synchronmaschine mittels der Antriebsübertragungseinrichtung, Antreiben der Welle (22) der Synchronmaschine (16) mittels des Elektromotors (32) bis zu einer vordefinierten Startdrehzahl und Starten der Synchronmaschine (16).
  13. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Schritte: Nach dem Starten der Synchronmaschine Entkoppeln der Antriebsübertragungseinrichtung von der Abtriebswelle des Elektromotors und/oder der Welle der Synchronmaschine.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch die Schritte: Bewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) in eine Position neben einem ersten Maschinensatz (10), Starten der Synchronmaschine (16) des ersten Maschinensatzes (10) und Wegbewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) aus der Position neben dem ersten Maschinensatz (10).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Schritte: Bewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) in eine Position neben einem zweiten Maschinensatz und Starten der Synchronmaschine des zweiten Maschinensatzes.
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