-
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 Umdrehungen 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.
-
Hierzu ist aus der Schrift
EP 0 990 877 A2 ein Stromgenerator mit Durchflussmesser bekannt, bei welchem ein Volumenstrom einer Turbine zugeführt wird. Hierbei ist die Turbinenachse quer zum Volumenstrom ausgerichtet und kann somit beispielsweise in Art der Pelton-Turbine betrieben werden. Hierbei weist die Turbine einen Drehzahlsensor auf, welche ebenso wie Druck- und Temperatursensoren von einer elektronischen Einheit ausgewertet werden. Diese ermöglicht die Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit sowie des Volumenstroms.
-
In der Veröffentlichung
DE 32 42 057 A1 wird ein Durchflussmessgerät offenbart, welches in Art einer Kaplan-Turbine arbeitet. Hierbei kann neben der Erfassung der Drehzahl der Turbine zusätzlich über einen integrierten Generator Strom erzeugt werden, welcher das Messgerät autonom mit dem zum Betrieb erforderlichen Strom versorgt.
-
Es ist bekannt, dass die Strömungsmessgeräte in Abhängigkeit der Durchflussgeschwindigkeit unterschiedliche Genauigkeiten aufweisen, welche insbesondere bei einem großen Betriebsbereich ohne zusätzliche Maßnahmen keine zuverlässig genauen Werte liefern. Hierzu schlägt die Schrift
DE 694 29 129 T2 vor, eine Korrekturberechnung durchzuführen. Durch die Auswertung einer Mehrzahl von Informationen mit der Drehzahl, Drücken und Temperaturen kann unter Kenntnis der Kennlinie der Messturbine mit hinreichender Genauigkeit ein korrigierter Volumenstrom berechnet werden.
-
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.
-
Gattungsgemäß ist die Turbinenachse der Messturbine parallel zur Fließrichtung orientiert. Wichtigster bekannter Vertreter dieser Gruppe ist die Kaplan-Turbine. Sie besteht im Prinzip aus einem Schiffspropeller dessen Turbinenachse parallel zur Fließrichtung orientiert ist. Bei der Kaplan-Turbine verläuft gleichfalls wie bei der erfindungsgemäßen Ausführung 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.
-
Eine gattungsgemäße Messturbine kann gemäß dem bekannten Stand der Technik die erzeugte mechanische Energie auch mechanisch weitergeben. Dazu sind Getriebe, Wellen, Ketten und Riemen geeignet. Diese mechanische Weitergabe der Energie erfordert in aller Regel einen geringen Abstand zum Energieverbraucher. Hierbei erfordert die Erfindung einen elektrischen Generator, der mit der Turbinenachse mechanisch verbunden ist.
-
Weiterhin bedarf es zur gattungsgemäßen Lösung der Erfindung, 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.
-
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, anstelle der Kaplan-Turbine eine archimedische Schnecke einzusetzen. Wenn man die Wasserschaufeln der Kaplan-Turbine immer weiter verbreitert, bis sie sich in Richtung der Turbinenachse gesehen einander überlappen und sich um die Drehachse herum winden erhält man eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer archimedischen Schnecke.
-
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.
-
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 Turbinenrades, dem Messewert für den Volumenstrom als Korrekturgröße hinzugefügt.
-
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 vorn 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 Leitschaufeln zu justieren. Die jeweilige Stellung dieser Regeleinrichtungen 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.
-
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 an sich aus dem Stand der Technik bekannten Beispielen näher erläutert werden. 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.
