НАСОСНО-ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
PUMP-TURBINE PLANT

Изобретение относится к насосно-турбинной установке, содержащей турбину с турбинным рабочим колесом, а также турбинным спиральным корпусом, а также насос с насосным рабочим колесом, а также насосным спиральным корпусом. Насос и турбина находятся в соединении с возможностью привода с электрической машиной или предназначены для такого соединения.
При этом в качестве турбины можно использовать радиально-осевые турбины (турбины Френсиса) или ковшовые турбины (турбины Пельтона). Кроме того, как насос, так и турбина могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, так что возможны комбинации одноступенчатой турбины с многоступенчатым насосом или многоступенчатой турбины с одноступенчатым или многоступенчатым насосом.
Насосно-турбинные установки гидроаккумулирующих (насосно-аккумулирующих) электростанций имеют два рабочих режима, а именно, турбинный режим и насосный режим. В насосном режиме насос нагнетает воду из нижнего бьефа в верхний бьеф и для этого приводится в действие с помощью электрической машины, соединенной с насосом. При этом электрическая машина питается из общей электросети, т.е. снабжается электрической энергией.
В противоположность этому, в турбинном режиме вода, которая протекает из верхнего водохранилища через турбину в нижний бьеф, приводит в действие турбину, которая передает соответствующую энергию в электрическую машину. Электрическая машина преобразует приводную энергию в электрическую энергию и подает ее в электросеть. Таким образом, электрическая машина работает один раз как генератор и один раз как двигатель. Поэтому она называется также двигателем-генератором.
В противоположность указанным насосным турбинным установкам, известны также реверсивные насосно-турбинные установки, в которых турбина и насос образованы с помощью общего рабочего колеса, так что в турбинном режиме общее рабочее колесо для создания электрической энергии нагружается водой из верхнего бьефа, а в насосном режиме приводится в действие с помощью электрической машины.
Поскольку такие гидроаккумулирующие электростанции используются для компенсации пиков нагрузки в электросети, то насосная турбина должна обеспечивать возможность быстрой отдачи мощности турбины для поддержки электросети, соответственно, быстрого выхода на насосную мощность, с целью использования для первичного регулирования сети. Поэтому желательно обеспечивать возможность возможно быстрого перехода насосной турбины гидроаккумулирующей электростанции из турбинного режима в насосный режим, и наоборот.
В таких установках часто происходят изменения объемного потока подаваемой в турбину воды. Объемный поток может иметь экстремальные значения вверх или вниз. Турбина имеет оптимальный коэффициент полезного действия, который получается при максимуме объемного потока. При небольшом объемном потоке коэффициент полезного действия турбин относительно небольшой. Это особенно справедливо для экстремальной частичной нагрузки. При частичной нагрузке становится хуже не только коэффициент полезного действия, но также ухудшаются кавитационные характеристики.
При переключении с турбинного режима в насосный режим и обратно имеются два экстремальных состояния: с одной стороны, может работать лишь турбина, а насос работает вхолостую. В этом случае турбина заполнена водой, а насос заполнен воздухом. В данном случае имеется стопроцентная мощность турбины.
В другом случае лишь насос заполнен водой, а турбина заполнена воздухом. В данном случае имеется стопроцентная мощность насоса.
Между этими двумя экстремальными состояниями имеется промежуточное состояние.
Во всех этих случаях важную роль играет уплотнение зазоров между рабочим колесом и корпусом соответствующей гидравлической машины.
В DE 1807443 приведено описание способа работы насосно-турбинной установки, которая работает временно без рабочей среды, т.е. воды. Для уплотнения потока утечки между рабочим колесом и всасывающей трубой насоса и турбины предлагаются ступенчатые лабиринты, в то время как для уплотнения между рабочим колесом и остальным корпусом применяются гладкие лабиринты. Для уменьшения потерь мощности насосно-турбинной установки, при исключительной работе насоса уменьшают до минимума ширину зазоров лабиринтных уплотнений насоса, в то время как ширина зазоров в турбине увеличивается до максимума. Затем рабочее колесо турбины вращается в воздухе. В турбинном режиме, наоборот, ширину зазоров лабиринтных уплотнений турбины уменьшают до минимума, а ширину зазоров в насосе увеличивают до максимума, при этом затем рабочее колесо насоса также вращается в воздухе. При переходе из насосного в турбинный режим или обратно, для этого сдвигают весь турбинный вал с насосным и турбинным рабочим колесом в осевом направлении.
В основу изобретения положена задача такого выполнения насосно-турбинной установки, что исключаются связанные с частичной нагрузкой проблемы. Таким образом, коэффициент полезного действия используемой машины, содержащей по меньшей мере одну турбину и по меньшей мере один насос, должен быть оптимальным в большом рабочем диапазоне по сравнению с известными используемыми машинами. Тем самым также при экстремальной частичной нагрузке коэффициент полезного действия должен быть еще приемлемым. Должны быть также улучшены кавитационные характеристики. Одновременно должны предотвращаться связанные с переключением проблемы. А именно, должна быть уменьшена потеря мощности и оптимировано охлаждение соответствующих уплотнений.
Задача решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Существенная идея изобретения состоит в увеличении номинальной (расчетной) мощности турбины выше номинальной (расчетной) мощности насоса. Кроме того, должна обеспечиваться возможность создания между турбиной и насосом гидравлического короткого замыкания.
Это имеет то преимущество, что турбина также при небольшом объемном потоке подаваемой воды может работать в оптимальном диапазоне. Хотя она и отдает меньшую мощность, однако с существенно более высоким коэффициентом полезного действия, чем в известных установках.
Для указанного расширения рабочего диапазона нет необходимости в дополнительных устройствах или мерах, таких как, например, стабилизация вращения посредством подачи стабилизирующего воздуха. Хотя такие дополнительные меры можно и применять.
Различие номинальной мощности турбины и насоса предпочтительно выбирается так, что коэффициент полезного действия турбины при определенной частичной нагрузке и коэффициент полезного действия гидравлического короткого замыкания являются оптимальными.
Турбина может иметь номинальную мощность, которая в 1-2 раза превышает номинальную мощность насоса, например, в 1,1; 1,2; 1,3 и т.д. до 2 раз.
Целесообразно снабжать обе гидравлические машины, т.е. турбину и насос, соответствующим регулируемым направляющим колесом. Это обеспечивает возможность регулируемого переключения из режима гидравлического короткого замыкания в турбинный режим, и наоборот.
Перед рабочим колесом турбины или рабочим колесом насоса может быть установлен запорный элемент (так называемый вертикальный кольцевой затвор или цилиндрический затвор). Запорный элемент может находиться между рабочим колесом и траверсным кольцом или между рабочим колесом и направляющим аппаратом турбины. Предпочтительно, он установлен непосредственно перед рабочим колесом.
Запорный элемент, предпочтительно дроссель, может быть также установлен после рабочего колеса турбины или рабочего колеса насоса, а именно, перед или после всасывающей трубы, в экстремальном случае также внутри всасывающей трубы.
Другая существенная идея изобретения состоит в том, что стационарный конструктивный элемент для регулирования ширины зазоров имеющих форму кольцевых щелей каналов в осевом направлении относительно вращающегося конструктивного элемента установлен с возможностью сдвига между рабочим положением и не рабочим положением в направлении потока утечки. Другими словами, стационарный конструктивный элемент сдвигается параллельно оси вращения гидравлической машины относительно вращающегося конструктивного элемента.
Когда в последующем речь идет лишь о гидравлической машине, то всегда подразумевается также водяная турбина или насосная турбина, согласно изобретению.
В качестве рабочего положения в смысле данного изобретения понимается положение стационарного конструктивного элемента относительно вращающегося конструктивного элемента, в котором в лабиринтном уплотнении проходит поток утечки для уплотнения и охлаждения. Это имеет место при работе гидравлической машины тогда, когда рабочая среда попадает на ее рабочие лопатки. В качестве не рабочего положения понимается такое положение, в котором лабиринтное уплотнение не уплотняет выход рабочей среды. Это имеет место, например, когда рабочая среда гидравлической машины спускается или выдувается, и тем самым ее рабочее колесо вращается в другой среде, чем рабочая среда, в частности, в воздухе.
Под шириной зазора понимается в данном случае (наименьшее возникающее) расстояние между обеими, лежащими противоположно в рабочем положении ограничительными поверхностями лабиринтного уплотнения, в частности, имеющих форму кольцевых щелей каналов. Другими словами, это является расстоянием между обращенными друг к другу ограничительными поверхностями, которое может быть измерено в осевом разрезе через ось вращения гидравлической машины перпендикулярно оси вращения в осевом направлении (радиальный зазор). В противоположность этому, под длиной зазора, также в том же осевом направлении, понимается осевая протяженность частей лежащих противоположно друг другу имеющих форму кольцевых щелей каналов (параллельно оси вращения гидравлической машины).
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - разрез двух выполненных в соответствии с конструкцией Френсиса гидравлических машин, одной в виде турбины и другой в виде насоса;
фиг. 2 - насосно-турбинная установка, согласно первому варианту выполнения, с проходящим в вертикальном направлении валом;
фиг. 3 - насосно-турбинная установка, согласно другому варианту выполнения, с расположенным в горизонтальном направлении валом;
фиг. 4 - третий вариант выполнения, в котором между обоими спиральными корпусами находится электрическая машина;
фиг. 5а и 5b - различные варианты выполнения лабиринтного уплотнения в рабочем положении и в не рабочем положении стационарного конструктивного элемента.
Показанная на фиг. 1 насосно-турбинная установка имеет следующую конструкцию: турбина 1 содержит турбинное рабочее колесо 1.1, содержащее множество рабочих лопаток. Турбинное рабочее колесо 1.1 соединено без возможности проворачивания с валом 3, и его ось 7 вращения установлена с возможностью вращения. Турбинное рабочее колесо 1.1 окружено турбинным спиральным корпусом 1.2. Кроме того, перед турбинным рабочим колесом 1.1 установлен венец направляющих лопаток.
Турбина 1 имеет турбинную всасывающую трубу 1.5. Она установлена после рабочих лопаток и содержит входной диффузор с примыкающим к нему коленом и примыкающим к нему в свою очередь трубопроводом, проточное поперечное сечение которого может расширяться в направлении потока воды.
В данном случае к турбине 1 непосредственно обращен насос 2. Это означает, что обе гидравлические машины расположены смежно в осевом направлении и между ними нет двигателя-генератора. Насос 2 расположен здесь под турбиной 1. Расположение может быть обратным, т.е. насос сверху, а турбина снизу.
Насос 2 имеет аналогичную турбине 1 конструкцию: насосное рабочее колесо 2.1 также соединено без возможности проворачивания с валом 3 и содержит множество рабочих лопаток. Насос 2 содержит отдельный, гидравлически отделенный от турбинного спирального корпуса 1.2 насосный спиральный корпус 2.2, который окружает насосное рабочее колесо 2.1. Перед насосным рабочим колесом предпочтительно также установлен венец направляющих лопаток 2.2.1.
Насос 2 также имеет насосную всасывающую трубу 2.5, которая может быть выполнена как всасывающая труба турбины 1.
T
P
Турбина 1 выполнена так, что ее номинальная мощность N больше номинальной мощности N насоса 2. В данном случае в 2,5 раза. Это означает, что номинальная мощность турбины в 2,5 раза больше номинальной мощности насоса. Возможны также еще большие различия, например, в 3 или 4 раза. Практически возможно любое значение между 1 и 4 или 5.
Конструктивно различие номинальной мощности достигается за счет величины насоса и турбины, а именно, относительно размеров и выбранных значений прочности. На фигурах соотношения показаны лишь схематично, без отражения различий номинальной мощности.
В данном случае оба спиральных корпуса 1.2 и 2.2 лежат непосредственно друг над другом на расстоянии друг от друга. Образованное ими промежуточное пространство 5 в данном случае не содержит электрической машины. Промежуточное пространство 5 ограничено в данном случае обращенными друг к другу спиральными корпусами 1.2 и 2.2. Оба спиральных корпуса 1.2 и 2.2 могут опираться друг на друга через опорный элемент.
Опорный элемент может иметь различную форму. В данном случае он выполнен в виде конической боковой поверхности 10.1. Коническая боковая поверхность опирается, с одной стороны, на траверсное кольцо 1.2.2 турбины и, с другой стороны, на траверсное кольцо 2.2.2 насоса. Другая опора 10.2, также в форме кольца, находится между спиральными корпусами 1.2 и 2.2. Возможны также опоры между спиральным корпусом одной машины и траверсным кольцом другой машины.
Перед турбинным рабочим колесом 1.1 установлен запорный элемент 1.2.3, и после насосного рабочего колеса 2.1 установлен запорный элемент 2.2.3, в обоих случаях так называемый вертикальный кольцевой затвор или цилиндрический затвор. Таким образом, вертикальный цилиндрический затвор в обеих гидравлических машинах расположен между рабочим колесом и направляющим колесом.
Другая опора 10.3 в форме цилиндра находится между турбинной крышкой и насосной крышкой. Опора 10.3 имеет то преимущество, что она обеспечивает компенсацию сил между обеими машинами. Возможна также опора между траверсным кольцом одной машины и крышкой другой машины.
Как показано на фигуре, вал 3 установлен в подшипнике 9. Подшипник 9 может быть интегрирован в одну из опор 10.1, соответственно, 10.3.
Следующие конструктивные элементы могут образовывать единый узел: турбинный спиральный корпус 1.2, насосный спиральный корпус 2.2, опорные элементы 10.1, 10.2, 10.3, возможно еще траверсные кольца 1.2.2 и 2.2.2, а также подшипник 9. Указанные опорные элементы 10.1, 10.2, 10.3 могут иметься все три или лишь один из опорных элементов, или два из опорных элементов.
На фиг. 2 показан первый вариант выполнения насосно-турбинной установки, согласно изобретению. Как показано на фиг. 2, к турбинному спиральному корпусу 1.2 примыкает напорный трубопровод 1.2, а также к насосному спиральному корпусу 2.2 примыкает напорный трубопровод 2.3. Оба напорных трубопровода 1.3, 2.3 входят (оканчиваются) в общий напорный трубопровод 6, в котором находится общий запорный элемент 6.1.
Общий запорный элемент 6.1 в напорном трубопроводе 6.1 остается предпочтительно всегда открытым и закрывается лишь в случае аварийного закрывания или с целью технического обслуживания. Это обеспечивает то преимущество, что оба спиральных корпуса 1.1 и 2.2 всегда нагружены одинаковым давлением, а именно, давлением воды верхнего водохранилища, и тем самым не подвергаются частой смене нагрузки.
К обеим всасывающим трубам 1.5 и 2.5 примыкают соответствующие всасывающие трубопроводы 1.4 и 2.4. В обоих всасывающих трубопроводах 1.4 и 2.4 расположен соответствующий отдельный запорный элемент 1.6 и 2.6. Оба всасывающих трубопровода 1.4 и 2.4 входят (оканчиваются) в общий всасывающий трубопровод 8.
С валом 3 находится в приводном соединении в данном случае электрическая машина 4, которая выполнена в виде двигателя-генератора. Он расположен над турбиной 1 и тем самым вне промежуточного пространства 5 в осевой близости к турбине 1. За счет этого обеспечивается возможность размещения в промежуточном пространстве 5, которое ограничено обоими спиральными корпусами 1.2 и 2.2, а также опорным элементом 10, подшипника 9, который служит, например, в качестве направляющего подшипника или комбинированного упорного и направляющего подшипника для опоры вала 3. За счет этого дополнительно улучшается плавность вращения вала 3.
На фиг. 3 показан другой вариант выполнения насосно-турбинной установки, согласно изобретению, по образцу фиг. 2, расположение в которой лишь повернуто на 90º влево, так что ось 3 вращения проходит в горизонтальном направлении, и электрическая машина 4 расположена сбоку от обеих гидравлических машин 1 и 2. При этом показаны по существу те же конструктивные элементы с теми же позициями, что и на фиг. 2.
На фиг. 4 показан другой вариант выполнения, в котором электрическая машина 4 расположена между обоими спиральными корпусами 1.2 и 2.2, а именно, на одной оси с ними. Расположение обоих спиральных корпусов 1.2 и 2.2, а также электрической машины 4 может быть строго симметричным.
Предпочтительно, независимо от положения вала 3 оба спиральных корпуса 1.2 и 2.2 могут быть полностью забетонированы или расположены свободно стоящими. Промежуточное пространство 5 может быть выполнено настолько большим, что обеспечивается свободный доступ к отверстию проверки для обслуживания, соответственно, монтажа и демонтажа обеих гидравлических машин.
Изобретение можно применять, среди прочего, в следующих конструкциях установки:
- одноступенчатая турбина с одноступенчатым насосом,
- одноступенчатая турбина с многоступенчатым насосом,
- многоступенчатая турбина с одноступенчатым насосом,
- многоступенчатая турбина с многоступенчатым насосом.
На фиг. 5а и 5b показано точное выполнение лабиринтного уплотнения, согласно изобретению, образованного из неподвижного конструктивного элемента 30 гидравлической машины, а также вращающегося конструктивного элемента 40 машины. В обоих конструктивных элементах 30 и 40 выполнены выемки. Ограничительные поверхности образуют кольцеобразные камеры 20.1, а также соединяющие эти камеры друг с другом имеющие форму кольцевой щели каналы 20.2.
На обоих фиг. 5а и 5b показана очень узкая щель. В правой части каждой из фиг. 5а и 5b щель значительно шире. Изменение происходит за счет осевого сдвига обоих конструктивных элементов 30 и 40.
При отключении рабочей среды ширина щели больше. Проходящий через нее поток воздуха обеспечивает, с одной стороны, предотвращение вентиляционных потерь, с другой стороны, лабиринтное уплотнение охлаждается в этом случае исключительно за счет движущегося таким образом воздуха.
Перечень позиций
1 Турбина
1.1 Турбинное рабочее колесо
1.2 Турбинный спиральный корпус
1.2.1 Направляющая лопатка
1.2.2 Траверсное кольцо
1.2.3 Запорный элемент
1.2.4 Сторона давления турбинной крышки
1.2.5 Сторона всасывания турбинной крышки
1.3 Напорный трубопровод
1.4 Всасывающий трубопровод
1.5 Турбинная всасывающая труба
1.6 Запорный элемент
2 Насос
2.1 Насосное рабочее колесо
2.2 Насосный спиральный корпус
2.2.1 Направляющая лопатка
2.2.2 Траверсное кольцо
2.2.3 Запорный элемент
2.2.4 Сторона всасывания насосной крышки
2.2.5 Сторона давления турбинной крышки
2.3 Напорный трубопровод
2.4 Всасывающий трубопровод
2.5 Насосная всасывающая труба
2.6 Запорный элемент
3 Вал
4 Электрическая машина
6 Напорный трубопровод
6.1 Запорный элемент
7 Ось вращения
8 Всасывающий трубопровод
9 Подшипник
10.1 Опорный элемент
10.2 Опорный элемент
10.3 Опорный элемент
20 Лабиринтное уплотнение
20.1 Камеры
20.2 Имеющий форму кольцевой щели канал
30 Неподвижный конструктивный элемент
40 Вращающийся конструктивный элемент