水泵水輪機裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水泵水輪機裝置，包括：具有水輪機葉輪以及水輪機螺旋形殼體的水輪機；具有水泵葉輪以及水泵螺旋形殼體的水泵；處于與軸的傳動連接中或者能夠帶入與軸的傳動連接的電機；能夠在所述水輪機與所述水泵之間建立起液壓短路。本發(fā)明的特征在于以下特點：所述水輪機具有比所述水泵更高的額定功率。
【專利說明】水泵水輪機裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分中所詳盡定義的類型的水泵水輪機裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種在按照權(quán)利要求7的上位概念中所詳盡定義的類型的水輪機運行狀態(tài)下用于運行水泵水輪機裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]其中，考慮將弗朗西斯水輪機或者培爾頓水輪機作為所述水輪機。此外，無論是水泵，還是水輪機，均可被實施為是單級或者多級的，從而能夠考慮單級水輪機與多級水泵的組合，或者是多級水輪機與單級或多級水泵的組合。
[0003]抽水蓄能發(fā)電站的水泵水輪機裝置具有兩種運行模式，即一種水輪機運行狀態(tài)和一種水泵運行狀態(tài)。在后一種運行狀態(tài)下，水泵將水從下蓄水池泵入上蓄水池并且為此通過與該水泵處于傳動連接的電機驅(qū)動。其中，所述電機由公共電網(wǎng)供能，也就是說被供以電功率。
[0004]反之，在水輪機運行狀態(tài)下，由上蓄水池通過水輪機通入下蓄水池的水則驅(qū)動該水輪機，這就將相應的功率傳輸給電機。電機將驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換為電功率并且將其饋入電網(wǎng)。因此，所述電機一會兒充當發(fā)電機，一會兒充當電動機。因此，它也被稱作為電動發(fā)電機。
[0005]與上述這類水泵水輪機裝置相反，還已知可逆的水泵水輪機裝置，在這種裝置中，水泵和水輪機是由同一個葉輪構(gòu)成的，從而在水輪機運行狀態(tài)下，來自上蓄水池的水施壓給共用的葉輪以產(chǎn)生電功率并且在水泵運行狀態(tài)下通過電機來驅(qū)動。
[0006]因為這種抽水蓄能發(fā)電站必須被用來平衡電網(wǎng)內(nèi)的負荷峰值，因此，水泵水輪機必須盡快進入提供水輪機功率的狀態(tài)，以便支持電網(wǎng)或者說迅速地吸收水泵功率，進而被用于主網(wǎng)調(diào)節(jié)。因此值得期望的是，抽水蓄能發(fā)電站的水泵水輪機能夠盡快地由水輪機運行狀態(tài)進入水泵運行狀態(tài)以及反之亦然。
[0007]在這種裝置中，經(jīng)常會導致被導入水輪機的水的體積流量發(fā)生改變。體積流量可能具有向上或者向下的極值。水輪機具有最佳的效率，在體積流量達到最大時，近乎實現(xiàn)這一最佳效率。在較小的體積流量下，水輪機的效率相對較小。尤其是對于極端的部分負荷而言，是這種情況。在部分負荷時，不僅是效率更低，氣蝕特性也更差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的基本目的在于，設(shè)計一種水泵水輪機裝置，使得其避免了由部分負荷所帶來的問題。因此，相對于已知的機組而言，包括了至少一個水輪機和至少一個水泵的機組的效率需要在更大的運行范圍上達到最佳。因此，即便是在極端的部分負荷下，也仍然應該能夠達到不錯的效率。氣蝕特性也應該得到改進。此外，本發(fā)明的基本目的還在于，說明水泵水輪機裝置的一種在效率方面加以優(yōu)化的水輪機運行狀態(tài)。
[0009]上述目的通過權(quán)利要求1和7所述的特點得以實現(xiàn)。
[0010]本發(fā)明的主要構(gòu)想在于，設(shè)定所述水輪機的設(shè)計功率的大小大于所述水泵的設(shè)計功率。此外，應該在水輪機與水泵之間能夠建立液壓短路。這兩個機器具有對流設(shè)計的螺旋形殼體。兩個螺旋形殼體的壓力管路通入同一個壓力管路。
[0011]建立液壓短路具有這樣的優(yōu)點，即:即便是在所輸送的水的體積流量極小的條件下，水輪機也仍然能夠在最佳的范圍內(nèi)運行。其盡管釋放的功率極小，但是是在相對于已知的裝置而言得到本質(zhì)上更好的效率。
[0012]相應地，在根據(jù)本發(fā)明的方法中設(shè)置，水輪機和水泵在水輪機運行狀態(tài)下在部分負荷的條件下至少有時會在液壓短路的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。這種短路運行在所述水泵水輪機裝置的水輪機運行狀態(tài)下就能夠基于這種帶有具有高于水泵的額定功率的水輪機的設(shè)計實現(xiàn)超出所述水輪機的整個額定功率范圍的效率的優(yōu)化。那么，盡管供給功率更小，具有共同液壓短路的水輪機和水泵在部分負荷運行狀態(tài)下的效率也仍然要高于水輪機單獨在部分負荷運行狀態(tài)下的效率。因此，通過靈活地要么運用水輪機單獨的運行狀態(tài)要么運行水輪機和水泵處于液壓短路的運行狀態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)超出水泵水輪機裝置的整個額定功率范圍的、裝置在水輪機運行狀態(tài)下最佳的效率。
[0013]為了實現(xiàn)上述的運行范圍的拓展，同樣不需要任何額外的裝置或者措施，例如通過輸送穩(wěn)定氣體來穩(wěn)定這個進程。仍然也可以使用這些額外的措施。
[0014]最好這樣來選擇水輪機與水泵的設(shè)計功率之間的差異，使得水輪機在特定部分負荷下的效率以及液壓短路的效率達到最佳。
[0015]水輪機可具有這樣的設(shè)計功率，即為水泵的設(shè)計功率的I至2倍，例如為1.1倍、
1.2倍、1.3倍以及一直這樣繼續(xù)直至2倍。
[0016]符合目的的是，兩個液壓機器、即水輪機和水泵要分別設(shè)有一個能夠調(diào)控的導輪。這樣就能夠在水輪機運行狀態(tài)下可控地切換液壓短路運行狀態(tài)以及反之。
[0017]本發(fā)明能夠很好地應用于弗朗西斯式的液壓機器(水輪機和水泵)中。
[0018]這兩個液壓機器可分別具有一個唯一的葉輪，但也可具有多個葉輪。所述葉輪可被布置在同一個軸上或者被布置在不同的軸上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]借助附圖進一步闡述本發(fā)明。在其中如下詳細示出:
[0020]圖1以軸向剖面圖示出了兩個以弗朗西斯結(jié)構(gòu)類型實施的液壓機器，其中一個作為水輪機，另一個作為水泵；
[0021]圖2以示意圖示出了根據(jù)具有在垂直方向上運轉(zhuǎn)的軸的第一種實施方式的水泵水輪機裝置；
[0022]圖3以示意圖示出了具有布置在水平方向上的軸的水泵水輪機裝置的另一種實施方式；
[0023]圖4以示意圖示出了第三種實施方式，在其中電機位于兩個螺旋形殼體之間；
[0024]圖5示出了所述水輪機以及所述水輪機和所述水泵的效率在液壓短路下超過了所述水輪機的額定功率的示意性圖表。
【具體實施方式】
[0025]圖1所示的水泵水輪機裝置的結(jié)構(gòu)如下:水輪機I具有水輪機葉輪1.1，包括多個工作葉片。水輪機葉輪1.1以連同軸3 —起抗扭轉(zhuǎn)的方式實施，其旋轉(zhuǎn)軸7被布置為能夠旋轉(zhuǎn)的。水輪機葉輪1.1被水輪機螺旋形殼體1.2所圍繞。此外，在水輪機葉輪1.1上游連接工作葉片的輪緣。
[0026]水輪機I具有水輪機吸管1.5。其連接在工作葉片下游并且包括進口擴壓器，其具有連接到該進口擴壓器上的彎管以及又連接到該彎管上的管路(Rohrleitung)，管路可在水流方向上擴大水流的橫截面。
[0027]在此，水泵2直接朝向水輪機I。后者意味著，兩個液壓機器被布置為軸向相鄰并且在其間沒有任何電動發(fā)電機。水泵2在此被布置在水輪機I的下方。這種布置也可反之，即水泵位于上方并且水輪機位于下方。
[0028]水泵2包括與水輪機I相似的結(jié)構(gòu):水泵葉輪2.1同樣以連同軸3 —起抗扭轉(zhuǎn)的方式實施并且包括多個工作葉片。水泵2包括單獨的、與水輪機螺旋形殼體1.2液壓地分離的水泵螺旋形殼體2.2，所述水泵螺旋形殼體圍繞著水泵葉輪2.1。也優(yōu)選在水泵葉輪上游連接工作葉片的輪緣2.2.1。
[0029]水泵2也具有水泵吸管2.5，其也可被實施得像水輪機I的吸管一樣。
[0030]這樣來設(shè)置水輪機I，使得其額定功率Nt要大于水泵2的額定功率NP。在這種情況下，這個差別為2.5。這就是說，水輪機的額定功率為水泵額定功率的2.5倍。設(shè)置還可設(shè)想更大的差別，例如3或4。實際上可以考慮處于I至...4或5之間的任意值。
[0031]在設(shè)計上是通過水泵和水輪機的尺寸規(guī)格、更確切地說關(guān)于尺寸和所選擇的強度值方面的規(guī)格來引起額定功率的差別。附圖僅示意性地示出了比例關(guān)系，而不是表明額定功率_ Ho
[0032]在這種情況下，兩個螺旋形殼體1.2和2.2直接處于上下的相互的間隔。由其構(gòu)成的間隙5在此不受電機的影響。該間隙5在此由相互朝向的螺旋形殼體1.2和2.2來加以限定。兩個螺旋形殼體1.2和2.2可通過支承元件相對于彼此支承。
[0033]所述支承元件可具有不同的構(gòu)型。在這種情況下，其被實施為圓錐曲面10.1。所述圓錐曲面一方面支承水輪機的橫向環(huán)1.2.2，另一方面支承水泵的橫向環(huán)2.2.2。同樣呈圓環(huán)形的另一個支承件10.2位于螺旋形殼體1.2與2.2之間。還可考慮在一個機器的螺旋形殼體與另一個機器的橫向環(huán)之間的支承件。
[0034]另一個設(shè)計成圓柱體的支承件10.3位于水輪機蓋與水泵蓋之間。支承件10.3具有這樣的優(yōu)點，即:其引發(fā)了所述兩個機器之間的動力平衡。還可考慮在一個機器的橫向環(huán)與另一個機器的蓋之間的支承件。
[0035]如圖所示，軸3被安置在軸承9上。所述軸承9可被集成在支承10.1或者10.3其中一個內(nèi)。
[0036]以下組件可構(gòu)成唯一的結(jié)構(gòu)單元:水輪機螺旋形殼體1.2、水泵螺旋形殼體2.2、支承元件10.1、10.2、10.3、在某些情況下甚至包括橫向環(huán)1.2.2和2.2.2以及軸承9。上述支承元件10.1,10.2,10.3可全部三個均存在，或者僅存在支承元件的其中一個或者支承元件的其中兩個。
[0037]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的水泵水輪機裝置的第一種實施方式。如圖所示，壓力管路1.3連接到水輪機螺旋形殼體1.2上以及壓力管路2.3連接到水泵螺旋形殼體2.2上。兩個壓力管路1.3,2.3通入同一個壓力管路6，在該壓力管路內(nèi)存在一個共用的閉鎖裝置6.1。
[0038]所述共用的閉鎖裝置6.1在壓力管路6內(nèi)優(yōu)選始終保持打開，并且只有在緊急關(guān)閉的情況下或者為了維修的目的才被閉鎖。這就帶來了這種優(yōu)點，即:兩個螺旋形殼體1.1和2.2始終被加載相同的壓力、即處于上游的上游壓力，因而不會承受任何頻繁的負荷變化。
[0039]在兩個吸管1.5和2.5上分別連接有相應的吸入管路1.4和2.4。在兩個吸入管路1.4和2.4內(nèi)各自布置一個單獨的閉鎖裝置1.6和2.6。兩個吸入管路1.4和2.4通入同一個吸入管路8。
[0040]在此，處于與軸3傳動連接中的是被實施為電動發(fā)電機的電機4。后者被布置在水輪機I的上方，因而以與水輪機I軸向相鄰的方式被布置在間隙5的外部。因此，能夠在由兩個螺旋形殼體1.2和2.2以及由支承元件10加以限定的間隙5內(nèi)置入軸承9，所述軸承例如作為導向軸承或者組合的推力軸承和導向軸承用于支承軸3。由此再次改進了軸3的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
[0041]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的水泵水輪機裝置依據(jù)圖2的另一種實施方式，其布置僅向左旋轉(zhuǎn)了 90度，因此，旋轉(zhuǎn)軸3就在水平方向上延伸并且電機4就被布置在兩個液壓機器I和2旁邊的側(cè)面。其中，相同的組件基本以與圖2同樣的標注示出。
[0042]圖4示出了另一種實施方式，其中，電機4被布置在兩個螺旋形殼體1.2與2.2之間，更確切地說即與這兩個螺旋形殼體同軸(proaxial)。兩個螺旋形殼體1.2和2.2以及電機4的布置可以是嚴格的對稱布置。
[0043]優(yōu)選無論軸3的位置如何，兩個螺旋形殼體1.2和2.2可完全粘合(einbetoniert)或者甚至獨立式布置。間隙5可被設(shè)計得這樣大,使得能夠輕易到達翻修開口，以便兩個液壓機器的維修或者裝配和拆裝。
[0044]此外，本發(fā)明還可應用于以下結(jié)構(gòu)類型的裝置中:
[0045]-單級水輪機與單級水泵；
[0046]-單級水輪機與多級水泵；
[0047]-多級水輪機與單級水泵；
[0048]-多級水輪機與多級水泵。
[0049]下面來闡述所述水泵水輪機裝置的運行方法。其中，這種運行方法涉及到所述水泵水輪機裝置的水輪機運行狀態(tài)，參照圖5中的圖表來進一步加以闡述。圖5的圖解以直線示出在X軸上描繪的水輪機I的額定功率上Nt的水輪機I的效率U 10在該圖表內(nèi)，用虛線標示了水輪機I和水泵2在以液壓短路運行時的效率y2。在部分負荷的范圍內(nèi)，這個效率U 2明顯大于水輪機I單獨的效率U 10
[0050]由此這樣設(shè)置水泵水輪機裝置的優(yōu)化運行，即:在部分負荷的范圍內(nèi)、更確切地說即尤其是只要水泵2和水輪機I在具有液壓短路的運行狀態(tài)下的效率U 2大于水輪機I單獨的效率U i，水泵水輪機裝置就在水輪機I和水泵2處于液壓短路的水輪機運行期間進行運轉(zhuǎn)。自在該圖表中用Nt標示的、即在其中水輪機I單獨的效率ii I以及水輪機I和水泵2處于液壓短路的效率U2幾乎相等的范圍起，就切換至水輪機I的單獨運行。由此就通過水輪機I在水輪機運行狀態(tài)下的整個可用的功率范圍，達到極好的效率U以及在穩(wěn)定性和氣蝕性方面實現(xiàn)最佳的運行特性。[0051]其中，此外確切的范圍Nn (即在其中實現(xiàn)由水泵2和水輪機I處于液壓短路的部分負荷運行切換至純粹的水輪機I運行)除了取決于水輪機I的額定功率Nt與水泵2的額定功率Np的比例關(guān)系，同樣還取決于其他不同的邊界條件。其通常要小于水輪機I的額定功率Nt的約30%至60%。
[0052]附圖標記說明
[0053]I水輪機
[0054]1.1水輪機葉輪
[0055]1.2水輪機螺旋形殼體
[0056]1.2.1工作葉片
[0057]1.2.2 橫向環(huán)
[0058]1.3壓力管路
[0059]1.4吸入管路
[0060]1.5水輪機吸管
[0061]1.6閉鎖裝置
[0062]2 水泵
[0063]2.1水泵葉輪
[0064]2.2水泵螺旋形殼體
[0065]2.2.2 橫向環(huán)
[0066]2.2.1工作葉片
[0067]2.3壓力管路
[0068]2.4吸入管路
[0069]2.5水泵吸管
[0070]2.6閉鎖裝置
[0071]3 軸
[0072]4 電機
[0073]6壓力管路
[0074]6.1閉鎖裝置
[0075]7旋轉(zhuǎn)軸
[0076]8吸入管路
[0077]9 軸承
[0078]10.1支承元件
[0079]10.2支承元件
[0080]10.3支承元件。
【權(quán)利要求】
1.一種水泵水輪機裝置，包括: 1.1具有水輪機葉輪(1.1)以及水輪機螺旋形殼體(1.2)的水輪機(I)； 1.2具有水泵葉輪(2.1)以及水泵螺旋形殼體(2.2)的水泵(2)； 1.3電機(4),處于與軸(3)的傳動連接中或者能夠帶入與所述軸的所述傳動連接； 1.4能夠在所述水輪機(I)與所述水泵(2)之間建立起液壓短路； 其特征在于下述特征: 1.5所述水輪機(I)具有比所述水泵(2)更高的額定功率(Nt)； 1.6兩個機器其中的至少一個，即所述水輪機(I)或者所述水泵(2)具有能夠調(diào)控的導向裝置； 1.7所述水輪機(I)的所述額定功率(Nt)要比所述水泵的所述額定功率(Np)大直至5倍; 1.8兩個所述螺旋形殼體(1.2，2.2)彼此對流布置； 1.9兩個所述螺旋形殼體(1.2,2.2)的壓力管路(1.3,2.3)通入同一個壓力管路(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泵水輪機裝置，其特征在于，所述電機(4)位于兩個所述螺旋形殼體(I? 2，2.2 )之間的間隙(5 )內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泵水輪機裝置，其特征在于，所述電機(4)位于兩個所述螺旋形殼體(1.2，2.2)之間的間隙(5)的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的水泵水輪機裝置，其特征在于，借助支承元件、尤其是圓柱形的支承環(huán)或者支承圓錐來直接支承兩個所述螺旋形殼體(1.2,2.2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的水泵水輪機裝置，其特征在于，在所述壓力管路(6)內(nèi)布置共用的閉鎖裝置(6.1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的水泵水輪機裝置，其特征在于，兩個所述螺旋形殼體的壓力管路(1.3，2.3)通入唯一的、共用的壓力管路中。
7.用于在水輪機運行狀態(tài)下操作水泵水輪機裝置的方法，包括: 7.1具有水輪機葉輪(1.1)以及水輪機螺旋形殼體(1.2)的水輪機(I)； 7.2具有水泵葉輪(2.1)以及水泵螺旋形殼體(2.2)的水泵(2)； 7.3電機(4),處于與軸(3)的傳動連接中或者能夠帶入與所述軸的所述傳動連接； 7.4能夠在所述水輪機(I)與所述水泵(2)之間建立起液壓短路；其中， 7.5所述水輪機(I)具有比所述水泵(2)更高的額定功率(Nt);其特征在于， 7.6所述水輪機(I)和所述水泵(2)在部分負荷下至少有時在處于液壓短路的條件下運行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，當處于液壓短路條件下的所述水泵(2)和所述水輪機(I)的效率(U 2)大于所述水輪機(I)單獨的效率(U !>時，始終實現(xiàn)所述水輪機(I)和所述水泵(2)在處于液壓短路的條件下的運行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，按照權(quán)利要求1至6中任一項設(shè)計所述水泵水輪機裝置。
【文檔編號】F03B3/10GK103620210SQ201280030673
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月22日
【發(fā)明者】曼弗雷德·施圖默爾 申請人:沃依特專利有限責任公司