DE102006057518A1

DE102006057518A1 - Messturbine

Info

Publication number: DE102006057518A1
Application number: DE102006057518A
Authority: DE
Inventors: Alfred Schoepf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: DE102006057518B4

Abstract

Messturbine zur Messung des Durchflussvolumens in einem Kanal, bestehend aus einem Abflussstrom, in dem ein Turbinenrad drehbar gelagert ist, auf dessen Turbinenachse wenigstens eine flächige Wasserschaufel radial zur Turbinenachse und etwa senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist, wobei durch eine Auswertelektronik die Drehzahl des Turbinenrades erfassbar ist und ein Volumensignal berechenbar und abgebbar ist, das direkt proportional zum Volumen an Flüssigkeit ist, das die Messturbine durchfließt und Energie, die im Abflussstrom enthalten ist, durch die Messturbine in mechanische Energie umwandelbar ist, die über die Turbinenachse abgebbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messturbine zur Messung des Durchflussvolumens in einem Kanal, bestehend aus einem Abflussstrom, in dem ein Turbinenrad drehbar gelagert ist, auf dessen Turbinenachse wenigstens eine flächige Wasserschaufel radial zur Turbinenachse und etwa senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist.
Für den geregelten Abfluss von Regenwasser, für die Speicherung von zu klärenden Abwässern von Wohn- und Gewerbegebäuden und für die Speicherung von Kühlwasser und von Wasser aus industriellen Herstellungsprozessen existieren zahlreiche Flüssigkeitsbecken. Dazu zählen u. a. Klärbecken, die in die Flüsse entleert werden und Regenüberlaufbecken. Auch innerhalb von industriellen Anlagen und Klärwerken sind zahlreiche Flüssigkeitsbecken erforderlich. Allen Flüssigkeitsbecken ist gemeinsam, dass das ausfließende Volumen genau gemessen werden muss. Aus dem gemessenen Volumen berechnet die öffentliche Hand, z. B. bei Klärbecken und Regenüberlaufbecken Gebührenzahlungen, aus denen das Abwassersystem finanziert wird. In industriellen Fertigungsanlagen kann die Messung des genauen Wasservolumens auch zur Steuerung des Prozesses erforderlich werden.
Gemäß aktuellem Stand der Technik wird für diese Anwendungen im Auslass des Flüssigkeitsbeckens in einem Kanal mit möglichst laminarer Strömung ein kleiner Propeller eingesetzt, dessen Drehachse parallel zur Fließrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist. Bekannt sind auch Flügelräder, wie z. B. das Woltmann-Rad, deren Drehachse senkrecht zur Fließrichtung orientiert ist und radiale Flügel – ähnlich einem Wasserrad – trägt. Die Anzahl der Um drehungen dieses Messpropellers entspricht dem Volumen an Flüssigkeit, das durch die Messstrecke hindurchgeflossen ist. Zwar sind bei diesen Messgeräten im Prinzip alle Teile vorhanden, die auch eine Turbine zur Energiegewinnung erfordert, jedoch so klein dimensioniert, dass er lediglich das winzige Quantum an Energie abgegeben werden kann, das zur Steuerung von Messgeräten oder Auswerteelektroniken erforderlich ist.
Ebenso sind gemäß aktuellem Stand der Technik zahlreiche Typen von Wasserturbinen bekannt, die die Energie von fließendem Wasser in rotierende mechanische Energie umwandeln und in den meisten Fällen diese rotierende mechanische Energie weiter in elektrische Energie umformen, die in das Stromnetz eingespeist wird.
Dazu zählt das bereits seit Jahrtausenden bekannte Wasserrad und die daraus abgeleiteten Turbinen wie z. B. die Pelton-Turbine, die Kaplan-Turbine und die Francis-Turbine. Sie werden hier unter dem Sammelbegriff Turbine zusammengefasst und haben gemeinsam, dass im Wasserstrom ein Turbinenrad drehbar gelagert ist, auf dessen Turbinenachse wenigstens eine flächige Wasserschaufel radial zur Turbinenachse und senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit ausgerichtet ist. Mit dieser Definition ist auch eine archimedische Schraube abgedeckt, wenn die Schraube als eine flächige Wasserschaufel verstanden wird, die mehrfach und mit einer Steigung um die Turbinenachse herumgezogen ist.
Alle vorgenannten Turbinentypen sind darauf eingerichtet, dass die im Wasser gespeicherte Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Dabei ist jedes der genannten Prinzipien für bestimmte Anwendungsbereiche besonders gut geeignet. So bieten z. B. die Wasserräder bei langsam fließenden Gewässern und einer relativ geringen Fallhöhe den Vorteil eines einfachen Aufbaues und den Vorteil, auch ohne aufwändige Regeleinrichtungen sehr leicht an wechselnde Wasservolumina anpassbar zu sein.
Die Kaplan-Turbine gleicht einem Schiffspropeller. Falls die Wasserschaufeln auf der Turbinenachse nicht verstellbar sind, wird sie deshalb auch als Propeller-Turbine bezeichnet. In dieser Konfiguration ist ihr Nachteil, dass sie eine relativ konstante Wassermenge benötigt, da der Wirkungsgrad im Teillastbereich schnell abfällt. Einem deutlich reduzierten Wirkungsgrad entspricht eine sehr stark nichtlineare Kennlinie für die Beziehung zwischen Drehzahl und Durchflussmenge, was für ein Messgerät höchst nachteilig ist. Deshalb wird die Kaplan-Turbine i. d. R. mit verstellbaren Wasserschaufeln ausgerüstet. In dieser Konfiguration ist die Kaplan-Turbine als direkt, nur über die Drehzahl auszuwertendes Messinstrument ungeeignet.
Ein anderes, bekanntes Prinzip einer Turbine ist die Pelton-Turbine, die die kinetische Energie des Wassers ausnutzt. Die Wasserschaufeln sind bei einer Pelton-Turbine fächerartig ausgebildet. Der Abflussstrom wird in Düsen geleitet, die das Wasser in die Becher einspritzen. Weil dafür ein hoher Wasserdruck sinnvoll ist, ist die Pelton-Turbine vor allem für sehr hohe Fallhöhen des Wassers geeignet, was bei den hier relevanten Flüssigkeitsbecken nur selten der Fall sein wird.
Eine weitere, bekannte Bauart ist die Francis-Turbine. Hier durchströmt das Wasser ein schneckenförmiges Rohr und wird durch einen Ring mit feststehenden, jedoch verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Wasserschaufeln des Turbinenrades gelenkt. Die Francis-Turbine ist nicht ohne weiteres als eine Messturbine einsetzbar, da die tatsächliche Drehzahl durch den Anstellwinkel der feststehenden Leitschaufeln sehr deutlich und in nicht linearer Weise beeinflusst wird.
Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Messturbine zu entwickeln, die sowohl eine genaue Bestimmung der Wassermenge erlaubt, die durch die Turbine hindurchfließt als auch eine Umwandlung der im Wasser gespeicherten kinetischen Energie in mechanische und/oder elektrische Energie ermöglicht. Dabei sollen der Wirkungsgrad der Umwandlung sowie die Messgenauigkeit möglichst hoch liegen. Zur Anpassung an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten sollen alle bekannten Turbinenprinzipien nutzbar sein.
Als Lösung schlägt die Erfindung vor, dass durch eine Auswertelektronik die Drehzahl des Turbinenrades erfassbar ist und ein Volumensignal berechenbar und abgebbar ist, das direkt proportional zum Volumen an Flüssigkeit ist, dass die Messturbine durchfließt und Energie, die im Abflussstrom enthalten ist, durch die Messturbine in mechanische Energie umwandelbar ist, die über die Turbinenachse abgebbar ist.
Die Grundidee dieser Erfindung ist, dass die Messfehler für das durchfließende Volumen bei einer eigentlich auf Leistung optimierten Turbine erfasst und in Abhängigkeit von bestimmten Parametern jeweils als Korrekturfaktor in die Berechnung der tatsächlichen Volumenmenge einbezogen werden.
Als Beispiel für die möglichen Fehler und deren Korrektur soll ein oberschlächtiges Wasserrad mit zellenförmigen Wasserschaufeln erläutert werden. Mit dem Begriff „oberschlächtig" wird beschrieben, dass der Abflussstrom aus dem Flüssigkeitsbecken in eine Kanal geführt wird, der tangential zum höchsten Punkt des Wasserrades geführt wird und sich dort in das Wasserrad ergießt. Unter der Annahme, dass sämtliche Wasserschaufeln als Zeile ausgebildet sind, also als Behälter, der im obersten Punkt des Rades nach unten und an allen Seiten fest umschlossen ist und im weiteren Verlauf der Drehung noch über genügend hohe Seitenwände verfügt, um das Wasser auf dem größten Teil der Drehbewegung innerhalb des Behälters zu halten, wird die durchfließende Wassermenge vollständig und ohne Verluste erfasst, so dass mit sehr hoher Annäherung die Anzahl der Drehungen direkt proportional zur durchgeflossenen Wassermenge ist. Ferner ist in dieser Konfiguration auch ein recht hoher Wirkungsgrad im Bereich von 75% bis 85 % erreichbar.
Fehler treten dann ein, wenn die zugeführte Wassermenge stark absinkt. Dann werden die Behälter nicht mehr vollständig gefüllt und erst nach einem größeren Schwenkwinkel des Wasserrades wieder entleert. Zwar werden dann die Energieverluste aus der Verwirbelung von Wasser innerhalb einer Zelle geringer, jedoch wird der Anteil der konstanten Verlustenergie durch Reibung größer, so dass der Wirkungsgrad insgesamt absinkt. Dadurch entsteht ein anderer Messfehler als bei voller Auslastung.
Ebenso tritt ein Messfehler dann auf, wenn das Wasserrad mit einer Durchflussmenge betrieben wird, die oberhalb des Nennwertes liegt. In diesem Fall kann Wasser über die jeweils oberste Zelle hinweg in eine benachbarte Zelle hineinströmen, die eigentlich schon ausreichend befüllt ist. Diese überzählige Wassermenge wird das Wasserrad früher verlassen und daher nur zu einem ge ringeren Teil zur Drehung des Wasserrades beitragen. Daher sinkt auch in diesem Betriebszustand der Wirkungsgrad ab und der Messfehler nimmt zu. Diese Betrachtung erläutert, dass trotz des verlustfreien Weitertransportes des Wassers in den einzelnen Zellen des Wasserrades dennoch Effekte auftreten, die die Messung verfälschen.
Die Erfindung setzt voraus, dass die in den jeweiligen Belastungszuständen auftretenden Fehler bekannt sind, also z. B. durch den Vergleich mit einem reinen Durchflussmessgerät ermittelt werden können und in Korrekturkurven zusammenfassbar sind. Diese Korrekturkurven werden im Datenspeicher einer Auswerteelektronik niedergelegt und in Abhängigkeit von einer wesentlichen Bezugsgröße, wie hier z. B. der Drehzahl des Rades, dem Messewert für den Volumenstrom als Korrekturgröße hinzugefügt.
Als Alternative zum vorbeschriebenen, elektronischen Ausgleich der Messfehler sind auch mechanische Vorrichtungen denkbar, die die Ungenauigkeiten bei der Volumenmessung wenigstens teilweise ausgleichen. Als dafür sinnvolle Ausführungsvariante beschreibt die Erfindung, am Beispiel des Wasserrades, dass jede Wasserschaufel parallel zu dessen Hauptachse verschwenkbar gelagert ist. Um diese Schwenkbewegung mechanisch zu steuern, wird vorgeschlagen, dass jede Wasserschaufel im Wasserrad eine außen angesetzte Kurbel aufweist, deren Ende in einer ortsfesten Führungsbahn entlang gleitet. Dadurch sollen die Wasserschaufeln derart verschwenkt werden, dass sie ab dem höchsten Punkt bis kurz vor dem tiefsten Punkt mit ihren Öffnung stets senkrecht nach oben weisen. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Wasser vorschnell aus der Wasserschaufel abfließt. Erst kurz vor dem tiefsten Punkt sorgt die Führungsbahn dafür, dass über die Kurbel die Wasserschaufeln so verschwenkt werden, dass die Öffnung wenigstens zur Seite oder sogar nach unten weist. Dadurch entleert sich die Wasserschaufel sehr schnell. Durch die exakt definierte Verweildauer im Wasserrad wird die Messgenauigkeit weiter erhöht. Parallel dazu steigt auch der Wirkungsgrad an.
Als weitere Verfeinerung dieser Ausführungsvariante schlägt die Erfindung vor, dass die Wasserschaufeln quer zur Verschwenkachse einen kreisbogensegmentförmigen Querschnitt aufweisen. Damit wird während der Verschwenkbewegung der Wasserschaufel eine unnötige Verwirbelung des Wasserinhaltes vermieden.
In einer weiter verfeinerten Ausführung empfiehlt die Erfindung, dass die Wasserschaufeln senkrecht zur Verschwenkachse in mehrere Kammern aufgeteilt sind. Durch Absperreinrichtungen im Wasserzulauf kann erreicht werden, dass bei niedrigem Wasserdruck nur eine der Kammern in jeder Wasserschaufel befüllbar ist und erst beim höchsten Wasserdruck der Zufluss für sämtliche Kammern freigegeben wird.
Damit wird erreicht, dass auch bei niedrigem Wasserdruck sich in etwa die gleiche Drehzahl einstellt wie bei höherem Wasserdruck. Vorteilhaft ist, dass bei der Befüllung und bei der Entleerung einer jeden Kammer etwa konstante Verhältnisse herrschen. In diesem Fall ist es denkbar, einen wechselnden Wasserdruck als Korrekturgröße eventuell nicht erfassen zu müssen. Damit könnte eine der Korrekturkurven in der Auswerteelektronik entfallen.
Wie am Beispiel des oberschlächtigen Wasserrades erläutert, ergeben sich auch für die anderen Arten von Wasserturbinen entsprechende Korrekturkurven, die zum einen prinzipbedingt von der Bauart abhängen sowie zum zweiten von der Dimensionierung des jeweiligen Exemplars.
Für eine erfindungsgemäße Messturbine ist jede Art von Wasserrad oder Wasserturbine geeignet. Jedoch muss für jedes Prinzip eine jeweils andere Korrekturkurve in die Auswerteelektronik einprogrammiert werden.
Die Erfindung unterscheidet Messturbinen, deren Drehachse parallel und senkrecht zur Fließrichtung des Abflussstromes orientiert ist. Zu letzteren gehören Wasserräder, und zwar nicht nur das zuvor beschriebene, oberschlächtige sondern auch mittel- und unterschlächtige Wasserräder, bei denen das auftreffende Wasser auf die Mitte oder auf die Unterseite des Wasserrades trifft. In Abhängigkeit von der Form und der Anbringung der Schaufeln sind auch hier zahlreiche Unterarten bekannt, wie z. B. das Poncelet-Rad, das im Prinzip ein unterschlächtiges Wasserrad ist, welches auf einem Teil des Umfanges in einer zum Rad komplementären Rinne geführt wird und das Schaufeln aufweist, die – anders als das oberschlächtige Wasserrad – vor allem die kinetische Energie des Wassers nutzen.
Zu dieser Kategorie zählen auch die Francis-Turbine und die Pelton-Turbine. Die Francis-Turbine ist der am meisten verbreitete Turbinentyp bei Wasserkraftwerken. Sie kommt bei mittleren Fallhöhen des Wassers und mittleren Durchflussmengen zum Einsatz. Nach aktuellem Stand der Technik reicht ein typisches Leistungsspektrum von etwa 10 kW bis zu rund 700 MW. Die Francis-Turbine ist durch die feststehenden Leitschaufeln auf unterschiedliche Wassermengen anpassbar, indem der Anstellwinkel der Leitschaufeln verändert wird. Der Vorteil dieser Turbinenart ist, dass damit in weiten Grenzen eine konstante Abtriebsdrehzahl der Turbine erreicht wird. Dieses Beispiel zeigt, dass die Messung des Durchflussvolumens alleine durch die Anzahl der Umdrehungen nicht mehr möglich ist. Vielmehr muss die Stellung der Leitschaufeln mit in die Berechnung einbezogen werden. Daher ist es erforderlich, dass die Auswerteelektronik den jeweiligen Anstellwinkel der Leitschaufeln abfragen kann und in ihrem Datenspeicher eine Kurve vorfindet, die die tatsächlich durchfließende Wassermenge in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Leitschaufeln enthält.
Zur Gruppe der Turbinen, mit senkrecht zur Fließrichtung orientierter Drehachse zählt auch die Pelton-Turbine. Wie erwähnt, ist sie vor allem für extreme Fallhöhen geeignet. Nach aktuellem Stand der Technik werden Fallhöhen bis zu zwei Kilometer ausgenutzt. Auch dieser Turbinentyp ist zu einer erfindungsgemäßen Messturbine ausbaubar, jedoch wird in der Praxis wohl nur selten eine so große Höhendifferenz zwischen dem zu entleerenden Flüssigkeitsbecken und der Turbine auftreten.
Bei der zweiten Gruppe von Turbinen ist die Turbinenachse parallel zur Fließrichtung orientiert. Wichtigster Vertreter dieser Gruppe ist die Kaplan-Turbine. Sie besteht im Prinzip aus einem Schiffspropeller dessen Turbinenachse parallel zur Fließrichtung orientiert ist. Die Kaplan-Turbine entspricht in ihrem Wirkungsprinzip der als Fördereinrichtung häufig verwendeten archimedischen Schraube: Bei beiden verläuft die Drehachse parallel zur Fließrichtung der Flüssigkeit und bei beiden sind die Wasserschaufeln radial zur Turbinenachse und senkrecht zur Fließrichtung ausgerichtet. Bei beiden sind die Wasserschaufeln in der dritten Achse ihrer Ausrichtung gegenüber der Turbinenachse schräg angestellt.
Die prinzipielle Gleichheit im Aufbau wird deutlich, wenn man die Wasserschaufeln der Kaplan-Turbine immer weiter verbreitert, bis sie sich in Richtung der Turbinenachse gesehen einander überlappen. Wenn die Wasserschaufeln noch weiter verbreitert werden, winden sie sich um die Drehachse herum. Dann ist aus der Kaplanturbine eine archimedische Schnecke geworden. Ebenso kann aus einer archimedischen Schnecke durch Verkürzung der Wasserschaufel eine Kaplan-Turbine geformt werden.
Eine weitere, im Prinzip ebenfalls sehr ähnliche Anordnung ist eine Trommel, auf deren Innenfläche ein spiralförmig gewendelter Metallstreifen befestigt ist und die um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Die Flüssigkeit fließt parallel zur Drehachse durch die Trommel hindurch. Das Wirkungsprinzip gleicht einer archimedischen Schnecke, die im Wirkungsprinzip wiederum einer Kaplan-Turbine gleicht.
Deshalb gelten alle hier getroffenen Aussagen für die Kaplan-Turbine im Prinzip auch für eine archimedische Schnecke oder eine Trommel mit dem zuvor beschriebenen inneren Aufbau.
Sowohl die archimedische Schnecke als auch die Trommel sind vom Grundsatz her ebenfalls als Generator einsetzbar, gemäß dem aktuellem Stand der Technik jedoch nicht in großen Stückzahlen in der Verwendung als Turbine bekannt.
Kaplan-Turbinen mit konstantem Anstellwinkel der Wasserschaufel sind als Propeller-Turbinen bekannt, jedoch mit dem Problem, dass mit der Änderung der durchfließenden Wassermenge der Wirkungsgrad sehr schnell abfällt und damit auch die Messgenauigkeit sehr stark sinkt. Ein weiteres Problem der Propellerturbine ist die Kavitation (Luftblasenbildung) bei höherer Belastung. Deshalb ist es üblich, dass bei Kaplan-Turbinen der Anstellwinkel der Wasserschaufeln verstellbar ist, wodurch in weitesten Grenzen eine konstante Abtriebsdrehzahl erzielbar ist. Auch in diesem Fall ist daher der aktuelle Messwert des Anstellwinkels der Wasserschaufeln in die Auswerteelektronik einzuspeisen und dort anhand einer im Datenspeicher hinterlegten Korrekturkurve mit in die Berechnung des tatsächlichen Volumensignals zu integrieren.
Eine erfindungsgemäße Messturbine kann gemäß dem bekannten Stand der Technik die erzeugte mechanische Energie auch mechanisch weitergeben. Dazu sind Getriebe, Wellen, Ketten und Riemen geeignet. Prinzipiell denkbar sind ebenfalls Hydraulikpumpen und daran angeschlossene Druckleitungen. Denkbar wäre der Antrieb von Zentrifugen, Mischern und Reinigungsrechen im Klärwerk. Diese mechanische Weitergabe der Energie erfordert in aller Regel einen geringen Abstand zum Energieverbraucher.
Deshalb bevorzugt die Erfindung einen elektrischen Generator, der mit der Turbinenachse mechanisch verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist ein bürstenloser Generator, ein sogenannter Drehstromgenerator, da er fast verschleißfrei arbeitet und da auf diese Weise elektrische Energie erzeugbar ist, die in das weltweit übliche Drehstromnetz eingespeist werden kann.
Zur Einspeisung ist es erforderlich, dass die Drehzahl an die Frequenz des jeweiligen Wechselstromnetzes angepasst wird, wofür bei den einzelnen Turbinenarten entsprechende Verstellmechanismen beschrieben worden sind und als bekannter Stand der Technik damit auch Teil dieser Anmeldung sind.
Für die Verwendung dieser bekannten Turbinen als Messturbine mit einer bestimmten Genauigkeit wird in den meisten Fällen die exakte Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl erforderlich sein. Als Ausführungsvariante bevorzugt die Erfindung einen elektromechanischen Drehgeber, der auf der Turbinenachse gelagert ist und dessen Ausgangssignal mit der Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist. Besonders geeignet ist ein Drehimpulsgeber, also eine rotierende Scheibe, die auf der Turbinenachse angeordnet ist und mit radial angeordneten Stegen oder Marken versehen ist, die optisch, induktiv oder kapazitiv abgetastet werden und über eine Verstärkungs- und Anpasselektronik als Impulsfolge abgegeben werden. Damit ist unabhängig von der jeweiligen Belastung des elektrischen Generators die Bestimmung der Drehzahl mit hoher Genauigkeit möglich.
Da mit zunehmender Belastung des Turbinenrades auch die Drehzahl absinkt, ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteelektronik die aktuelle Energieabgabe des Generators messen kann und den Messwert als Kompensationsfaktor mit in die Berechnung des Volumensignals integriert. Zusätzlich kann dieses Signal zur Ansteuerung der Leitschaufeln oder anderer Leiteinrichtungen der Turbine eingesetzt werden, mit der die Drehzahl der Turbine konstant gehalten wird. Auch in diesem Fall ist der zuvor genannte Drehimpulsgeber eine sinnvolle Ausstattungsvariante für eine erhöhte Drehzahlkonstanz und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Energieabgabe der Turbine.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante schlägt die Erfindung vor, dass durch die Auswerteelektronik die Frequenz des elektrischen Feldes vom Generator erfassbar ist und mit dem Ausgangswert des Drehgebers vergleichbar ist. Daraus kann der Schlupf im Generator errechnet werden und als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals integriert werden, wodurch die Genauigkeit des Volumensignals weiter erhöht wird. In gleicher Weise können auch ein Sensor für den Wasserstand im Einlauf für die Turbine, ein Wasserdrucksensor und ein Wassertemperatursensor ausgewertet werden und für eine noch genauere Korrektur des Volumensignals bei noch höheren Ansprüchen eingesetzt werden.
Relevant für die Erfindung ist die vom Gesetzgeber vorgeschrieben Prüfung eines Messgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften, insbesondere der Eichfehlergrenzen. So beträgt z. B. laut EWG-Richtlinie vom 17.12.1974 (75/33/EWG) die Eichfehlergrenze +/– 5 % im unteren und +/– 2 % im oberen Belastungsbereich. Ein Beispiel für eine eichfähige Messturbine ist der sogenannte Woltmannzähler, der für große Durchflussmengen von 15 m³ pro Stunde bis über 600 m³ pro Stunde geeignet ist. Aus dieser oder einer anderen, im konkreten Fall zutreffenden Vorschrift leitet sich der erforderliche Aufwand für die Korrektur des Drehzahlmesswertes ab, um daraus ein Volumensignal zu errechnen.
Wie bereits mehrfach erwähnt, ist bei Turbinen, die Energie ins öffentliche Netz abgeben sollen, die bevorzugte Ausführungsart des Generators ein Wechselstromgenerator, der auch bei stark schwankenden Durchflussmengen eine konstante Frequenz abgeben soll und daher mit konstanter Drehzahl arbeitet. Um die Drehzahl stabil zu halten sind bei Turbinen die Anstellwinkel von Wasserschaufeln und/oder Leitschaufeln zu justieren und bei Wasserrädern Schütze zu verstellen, also Absperrplatten im Abflussstrom zu verschieben. Die jeweilige Stellung dieser Regelein richtungen muss der Auswerteelektronik bekannt sein, damit sie auch bei konstanter Abtriebsdrehzahl den tatsächlichen Wert des Volumensignals korrekt und im Rahmen der geforderten Messgenauigkeit berechnen kann.
Als weitere, sinnvolle Ausführungsvariante schlägt die Erfindung vor, dass die Auswerteelektronik zusätzlich den jeweils für die Einstellung des benötigen Anstellwinkels erforderlichen Soll-Wert berechnet und an einen externen Servoverstärker abgibt, der dann die Verstellbewegung ausführt. Zu dieser Verstellaufgabe zählt z. B. die Verstellung der Wasserschaufeln bei Kaplan-Turbinen.
In einer anderen Ausführungsform ist es denkbar, dass die Erregung des Generators verändert wird und dadurch der jeweiligen Lastabgabe angepasst wird. Auch dieser, sich ändernde Parameter muss in die Auswerteelektronik eingespeist werden und dort anhand einer im Datenspeicher abgelegten Korrekturtabelle zur korrekten Berechnung des Volumensignals verwendet werden.
In einer weiteren Variante steuert die Auswerteelektronik eine Volumenanzeige an. Alternativ kann das Volumensignal auch an eine externe Speichereinheit oder an einen externen Drucker oder an ein externes Datennetz weitergeben werden.
Eine weitere, interessante Variante ist die Ausbildung der Messturbine als eine kabellose Messeinheit, deren Energiebedarf durch den Abflussstrom gedeckt wird und die das Messergebnis, das Volumensignal, drahtlos versendet. In dieser Konfiguration wird der gesamte Energiebedarf der Messturbine selbst vom Generator erzeugt und das Volumensignal drahtlos, z.B. als Funksignal und/oder als Infrarotsignal ausgesendet.
Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Querschnitt durch eine Messturbine nach dem Kapplanprinzip
2 Querschnitt durch eine Messturbine in der Bauart eines Wasserrades
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
In 1 ist ein Querschnitt durch den Abflussstrom 1 mit der Fließrichtung 3 gezeichnet, der sich um die Kaplanturbine herum aufweitet. Die Kaplanturbine ähnelt einem Schiffspropeller, ihr Turbinenrad 2 weist auf dem Umfang mehrere Wasserschaufeln 22 auf, von denen im Querschnitt zwei zu sehen sind. Sie können auf der Schwenkachse 23 in einen anderen Anstellwinkel quer zur Fließrichtung 2 der Flüssigkeit geschwenkt werden. Das drehende Turbinenrad 2 trägt auf seiner Welle den Rotor des elektrischen Generators 6 der von der Erregung 61 einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Durch den Druck des Abflussstromes 1 auf die Wasserschaufeln 22 wird das Turbinenrad 2 in Drehung versetzt, womit sich auch der Generator 6 bewegt und Elektroenergie 62 erzeugt, die in 1 als dreiphasiger Wechselstrom eingetragen ist. Die Ableitung dieses Stromes erfolgt über Kabel, die durch einen Ständer vom Mittelpunkt des erweiterten Abflussrohres zu dessen Außenwand führen. Durch diesen Ständer hindurch führt ebenfalls das Ausgangssignal des Drehgebers 4, welcher auf der Turbinenachse 21 angeordnet ist. Als weiteres Signal wird der Wert 23s des Anstellwinkels der Schwenkachse 23 nach außen geführt. Zumindest diese Werte werden für jede Messturbine nach dem Kaplan-Prinzip in die Auswerteelektronik 5 übermittelt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl, die durch den Drehgeber 4 an die Auswertelektronik 5 übermittelt wird, sind in der Auswerteelektronik Korrekturkurven einlesbar und durch die Messsignale 23s – den Wert des Anstellwinkels der Schwenkachse 23 für die Wasserschaufel 22 – auslösbar.
Die Auswerteelektronik erfasst ebenfalls den aktuellen Wert 61s der Erregung 61 und, z. B. durch den eingezeichneten Übertrager im Ausgangskabel für die Elektroenergie 62 den aktuellen Wert 62s der Elektroenergie. Im gezeichneten Beispiel ist ein dreiphasiger Generator eingetragen. Wenn jede Phase messtechnisch erfasst wird, so ist daraus auch der elektrische Phasenwinkel zu ermitteln. Durch Vergleich mit dem Ausgangssignal 4s des Drehgebers 4 kann daraus der momentane Schlupf im Generator 6 ermittelt werden, also ein Maß für die tatsächliche Belastung des Generators 6 und dessen Auswirkung.
Als weitere Korrekturgrößen werden der Wassertemperatursensor 53 mit dem Ausgangssignal 53s, dem Wert der Wassertemperatur sowie der Wasserdrucksensor 52 mit dem Wert des Wasserdruckes 52s in die Auswerteelektronik eingelesen. Auch diese Größe können als weitere Korrekturfaktoren in der Auswerteelektronik 5 berücksichtigt werden. Mit allen vorgenannten Korrekturfaktoren berechnet die Auswerteelektronik 5 ein genaues Volumensignal 51. In 1 ist eingetragen, wie das Ausgangssignal 51 eine Volumenanzeige 7 ansteuert, die in diesem Beispiel 975 m³ als Messwert anzeigt.
Die in 1 dargestellt Ausführungsvariante einer Kaplanturbine ist unter der Bezeichnung Straight-Flo-Turbine bekannt. Ihr Vorteil ist der nahezu gradlinige, kaum abgewinkelte Fluss durch die Turbine, woraus ein noch besserer Wirkungsgrad und damit eine noch bessere Linearität der Messung folgen. Die sich daraus ergebende, vollständige Umschließung des Generators und des Drehgebers vom Wasser kann gemäß aktuellem Stand der Technik von Dichtungen abgefangen werden.
In 1 sind als weitere mögliche Korrekturgrößen ein Wasserdrucksensor 52 eingetragen, der den Wert des Wasserdruckes 52s ebenso in die Auswerteelektronik 5 einspeist, wie der Wassertemperatursensor 5 den Wert der Wassertemperatur 53s dort einliest. In Abhängigkeit von beiden Parametern können ebenfalls Korrekturkurven in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Einstellwinkel der Wasserschaufeln 22 hinterlegt sein und daraus ein Korrekturfaktor für den Volumenanzeige 7 korrekt berechnet werden.
In 2 ist die Seitenansicht einer Messturbine in Form eines Wasserrades gezeichnet. Das Turbinenrad 2 trägt in der dargestellten Ausführungsvariante 12 Stück Wasserschaufeln 22, die in diesem Beispiel als zellenartiger Behälter mit kreisbogensegmentförmigem Querschnitt ausgeführt sind. Alle Wasserschaufeln sind um die Schwenkachse 23 verschwenkbar. Dazu ist auf die Schwenkachse 23 an der Außenseite jedes Rades ein – hier nicht gezeichneter – Kurbelarm aufgesetzt, an dessen Ende sich eine – hier mit der Stirnseite dargestellte – Kurbel befindet. Das Ende dieser Kurbel gleitet in einer Führungsbahn, welche dafür sorgt, dass im oberen Punkt des Wasserrades bis kurz vor dessen unterem Punkt jede Wasserschaufel mit ihrer Oberseite 22 senkrecht nach oben weist. Erst kurz vor dem unteren Tiefpunkt werden die (hier weiß gezeichneten) Enden der Kurbeln so geführt, dass die Wasserschaufel 22 zur Seite schwenkt und ihren Inhalt schlagartig in die Abflussrinne ergießt.
Der prinzipielle Vorteil ist, dass die Wassermenge sehr viel länger in der schüsselförmigen Wasserschaufel 22 verbleibt, als bei bekannten Wasserrädern mit fest darauf angeschraubten Wasserschaufeln. Dadurch steigt nicht nur der Wirkungsgrad spürbar an, sondern auch die zu erwartende Messgenauigkeit als Messturbine.
In 2 ist leicht nachvollziehbar, dass durch den kreisbogensegmentförmigen Querschnitt der Wasserschaufel 22 beim Verschwenken sich die darin befindliche Wassermenge fast gar nicht verwirbelt, was den Wirkungsgrad des Wasserrades weiter erhöht.

1: Abflussstrom
11: Flüssigkeitsbecken
2: Turbinenrad
21: Turbinenachse des Turbinenrades
22: Wasserschaufel des Turbinenrades 2
23: Schwenkachse der Wasserschaufel 22
23s: Wert des Anstellwinkels der Schwenkachse 23
3: Fließrichtung der Flüssigkeit
4: Drehgeber, elektromechanisch, auf Turbinenachse
: 21
4s: Ausgangssignal des Drehgebers 4
5: Auswerteelektronik
51: Volumensignal, aus der Auswerteelektronik 5
52: Wasserdrucksensor
52s: Wert des Wasserdruckes
53: Wassertemperatursensor, verbunden mit Auswerte
: elektronik 5
53s: Wert der Wassertemperatur
6: Elektrischer Generator
61: Erregung des elektrischen Generators 6
61s: Aktueller Wert der Erregung 61
62: Elektroenergie aus Generator 6
62s: Aktueller Wert der Elektroenergie 62
7: Volumenanzeige

Claims

Messturbine zur Messung des Durchflussvolumens in einem Kanal 11, bestehend aus einem Abflussstrom 1, in dem ein Turbinenrad 2 drehbar gelagert ist, auf dessen Turbinenachse 21 wenigstens eine flächige Wasserschaufel 22 radial zur Turbinenachse 21 und etwa senkrecht zur Fließrichtung 3 der Flüssigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswertelektronik 5 – die Drehzahl des Turbinenrades 2 erfassbar ist und – ein Volumensignal 51 berechenbar und abgebbar ist, das direkt proportional zum Volumen an Flüssigkeit ist, dass die Messturbine durchfließt und Energie, die im Abflussstrom 1 enthalten ist, durch die Messturbine in mechanische Energie umwandelbar ist, die über die Turbinenachse 2 abgebbar ist.
Messturbine nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik 5 einen Datenspeicher 52 enthält, in den wenigstens eine Korrekturkurve einlesbar, darin speicherbar und daraus abrufbar ist, die aus den Korrekturfaktoren für das Volumensignal 51 bei der jeweiligen Drehzahl des Turbinenrades 2 besteht, und als Kompensationsgröße in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenachse 21 senkrecht zur Fließrichtung 3 orientiert ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als ober- oder mittel- oder unterschlächtiges Wasserrad ausgebildet ist
Messturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserschaufeln 22 als Zellen mit allseitiger Wandung geformt sind.
Messturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wasserschaufel 22 im Wasserrad parallel zu dessen Hauptachse verschwenkbar gelagert ist
Messturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wasserschaufel 22 im Wasserrad eine außen angesetzte Kurbel aufweist, die durch eine ortsfeste Führungsbahn verschwenkbar ist, wodurch die Öffnungen der Wasserschaufeln 22 ab dem höchsten Punkt bis kurz vor dem tiefsten Punkt senkrecht nach oben weisen und erst kurz vor dem tiefsten Punkt bis kurz nach dem tiefsten Punkt um wenigstens 90° verschwenkbar sind.
Messturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wasserschaufel 22 quer zur Verschwenkachse einen kreisbogensegmentförmigen Querschnitt aufweist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserschaufeln 22 senkrecht zur Verschwenkachse in mehrere Kammern aufgeteilt sind.
Messturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigem Wasserdruck nur eine der Kammern in jeder Wasserschaufeln 22 befüllbar ist und bei höchstem Wasserdruck alle Kammern in der Wasserschaufel 22 befüllbar sind
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenachse 21 parallel zur Fließrichtung 3 orientiert ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Turbinenachse 21 ein elektrischer Generator 6 verbunden ist, von welchem Elektroenergie 62 abgebbar ist.
Messturbine nach dem vorhergehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator 6 bürstenlos aufgebaut ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteelektronik 5 der aktuelle Betrag 62s der abgenommenen Elektroenergie 62 messbar ist und als Kompensationsfaktor mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteelektronik 5 die Frequenz des elektrischen Feldes vom Generator 6 erfassbar ist und mit dem Ausgangssignal 4s des Drehgebers 4 vergleichbar ist und daraus der Schlupf im Generator 6 errechenbar ist und als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserpegelsensor für die Höhe des Wasserstandes im Flüssigkeitsbecken 11 in der Nähe des Auslasses vorhanden ist, dessen aktueller Wert in die Auswerteelektronik 5 einspeisbar und dort als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Höhe der Turbine ein Wasserdrucksensor 52 vorhanden ist, durch den der aktuellen Wert 52s des Wasserdruckes in die Auswerteelektronik 5 einspeisbar und dort als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Turbine ein Wassertemperatursensor 53 vorhanden ist, durch den der aktuelle Wert 53s der Wassertemperatur in die Auswerteelektronik 5 einspeisbar und dort als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik 5, die Sensoren und der Drehimpulsgeber 4 eichfähig sind.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserschaufeln 22 in ihrem Anstellwinkel 23 gegenüber der Turbinenachse 21 verstellbar sind und der aktuelle Wert 23s des Anstellwinkels in die Auswerteelektronik 5 einspeisbar ist und dort als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abflussstrom 1 verstellbare Leitschaufeln angeordnet sind, von denen der aktuelle Wert des Anstellwinkels in die Auswerteelektronik 5 einspeisbar ist und dort als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung 61 des Generators 6 veränderbar ist und der aktuelle Wert 61s der Erregung von der Auswerteelektronik 5 erfassbar und als Kompensationsgröße mit in die Berechnung des Volumensignals 51 integrierbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Volumensignal 51 eine Volumenanzeige 7 ansteuerbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumensignal 51 an eine externe Speichereinheit oder an einen externen Drucker oder an ein externes Datennetz weitergebbar ist.
Messturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Generator 6 abgebbare Leistung auch bei der niedrigsten, definierten Durchflussmenge zur Versorgung der Auswerteelektronik 5, aller anderen elektronischen und elektrischen Elemente sowie der an den Ausgang für das Volumensignal angeschlossenen Empfänger und Verbraucher ausreicht.
Messturbine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Energiebedarf der Messturbine selbst vom Generator 6 abgebbar ist und das Volumensignal 51 als Funksignal und/oder als Infrarotsignal drahtlos aussendbar ist.