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Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Freistrahlturbine zum Erzeugen elektrischer Energie.
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Freistrahlturbinen sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Sie sind insbesondere für große Fallhöhen bei geringem Durchsatz geeignet. So zeigt beispielsweise die
DE 10 2010 024 475 A1 eine Freistrahlturbine, bei der ein Laufrad mit einer Vielzahl von Bechern aus mehreren Düsen mit Wasserstrahlen beaufschlagt wird. Düsen für Freistrahlturbinen zeigen beispielsweise die
JP H06-159 220 A und die
CH 366 012 A .
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Die Düsen einer Freistrahlturbine haben dabei die Aufgabe, jeweils einen Wasserstrahl mit regelbarem Wasserdurchfluss zur Verfügung zu stellen. Zur Erfüllung dieser Aufgabe besitzen die Düsen sogenannte Düsennadeln, die z. B. mit Hilfe von hydraulischen Servomotoren geöffnet und geschlossen werden können, und so den Wasserdurchfluss regeln.
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Des Weiteren sind die Düsen auch Sicherheitsorgane, die im Fehlerfall für eine sichere Unterbindung der Wasserzufuhr zu sorgen haben. Dieser sogenannte Notschluss muss auch dann noch funktionieren, wenn z. B. die Druckversorgung für die Servomotoren ausfällt. Daher werden in vielen Fällen Düsennadeln hydraulisch so ausgelegt, dass die Düsennadeln eine Schließtendenz aufweisen, d. h. dass der Wasserdurchfluss durch die Düsen allein ausreicht, um die Düsen vollständig zu schließen. Hierbei dürfen die Düsennadeln den Wasserdurchfluss jedoch nicht abrupt absperren, da sonst die Druckrohrleitung durch einen sich dann ausbildenden Druckstoß zerstört werden könnte.
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Die Erfindung der vorliegenden Schrift betrifft alle Arten von Düsen für Freistrahlturbinen, d. h. Düsen mit Düsennadeln, die eine Schließtendenz aufweisen, und Düsen mit Düsennadeln ohne Schließtendenz. Allerdings sind die Vorteile bei Düsennadeln mit Schließtendenz (Anspruch 3) größer als bei Düsennadeln ohne Schließtendenz. Die Gründe hierfür werden im Verlauf der weiteren Ausführungen dargelegt.
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Das Funktionsprinzip einer Düse für eine Freistrahlturbine soll anhand von 1 dargelegt werden. 1 zeigt eine Düse gemäß dem Stand der Technik. Der Wasserfluss durch diese Düse erfolgt in der Figur von rechts nach links. Die Düsennadel 10 ist mit einer Stange 11 mit dem Kolben 14 eines hydraulischen Servomotors verbunden. Das Gehäuse des Servomotors ist mit 17 bezeichnet. Die der Nadel zugewandte Seite des Kolbens 14 wird über die Zuführung 16 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt. Dabei wird Hydraulikflüssigkeit in die Kammer 13 gepresst. Die Kraft, die hierbei auf den Kolben 14 übertragen wird ist proportional zum in der Kammer 13 herrschenden Druck und proportional zu der hydraulisch wirksamen Fläche in Kammer 13. Da eine Erhöhung des Drucks in der Kammer 13 zu einer Verschiebung des Kolbens nach rechts führt, welche durch Vermittlung der Stange 11 zu einer Öffnung der Nadel 10 führt, nennt man diese Seite des Servomotors die Öffnen-Seite und entsprechend den in der Kammer 13 herrschenden Druck den Öffnen-Druck P_o und die hydraulisch wirksame Fläche die Öffnen-Fläche A_o. Die dabei auf die Nadel übertragene Kraft ergibt sich zu F_o = P_o·A_o. Analog bildet die Kammer 12 mit dem Kolben die Schließen-Seite, wobei Hydraulikflüssigkeit über die Zuführung 15 in die Kammer 12 gelangt. Für die von der Schließen-Seite auf die Nadel übertragene Kraft ergibt sich F_s = P_s·A_s, wobei P_s der in der Kammer 12 herrschende Druck ist und A_s die hydraulisch wirksame Fläche in Kammer 12 ist. Handelt es sich bei der Düsennadel um eine Düsennadel mit Schließtendenz, so wirkt zusätzlich auf die Nadel noch die Kraft, die sich aus der Schließtendenz der Nadel ergibt und letztlich aus dem Wasserfluss durch die Düse resultiert. Diese Kraft wird mit F_w bezeichnet. Es ergibt sich dann für die Kräfte im Gleichgewicht der Regelung F_o = F_s + F_w, da F_w und F_s gleichgerichtet sind (alle Kräfte sind positiv).
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Aus 1 ist direkt ersichtlich, dass die hydraulisch wirksame Fläche auf der Schließen-Seite A_s gleich der Querschnittsfläche des Kolbens 14 (A_k) ist (A_s = A_k), während die hydraulische wirksame Fläche auf der Öffnen-Seite A_o sich aus der Differenz zwischen der Querschnittsflächen von Kolben 14 und Stange 11 (A_r) ergibt: A_o = A_k – A_r. Stange 11 besitzt einen großen Querschnitt, da diese die Kräfte des Servomotors auf die Nadel übertragen muss. Somit ist A_o deutlich kleiner als A_s. Für den Fall einer Nadel mit Schließtendenz wirkt zusätzlich noch die Kraft F_w, die den Öffnen-Druck weiter vergrößtert. Daraus ergibt sich im Kräftegleichgewicht, dass der Öffnen-Druck P_o sehr viel größer ist als der Schließen-Druck P_s. Wenn die Hydraulikregelung fehlerfrei arbeitet, bereitet das kein großes Problem, da der Schließen-Druck P_s über die Ventile klein gehalten werden kann.
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Aus Sicherheitsgründen muss die Düse jedoch für alle denkbaren Fehlerfälle ausgelegt werden. Ein denkbar ungünstiger Fall ergibt sich, wenn als Schließ-Druck der maximale Druck des Hydrauliksystems anliegt, d. h. P_s = P_max. Es stellt sich in diesem Fall auf der Öffnen-Seite der Druck P_o = P_max·(A_s/A_o) + (F_w/A_o) ein (für den Fall einer Düsennadel mit Schließtendenz – ohne Schließtendenz entfällt der zweite Term der Summe). Aufgrund des ungünstigen Verhältnisses von A_s zu A_o und der zusätzlich wirkenden Kraft F_w ist P_o in diesem Fall sehr viel größer als P_max. Aus diesem Grund müssen alle Komponenten, die zur Öffnen-Seite des Servomotors gehören für einen Druck ausgelegt werden, der sehr viel höher ist als P_max. Die auf diese Weise aus dem genannten Fehlerfall resultierende Randbedingung führt zu hohen Kosten, zu einem sehr hohen Platzverbrauch und in letzter Konsequenz zu Einschränkungen in der Auslegung, die den Anwendungsbereich einer solchen Düse bzgl. der Fallhöhe deutlich einengen.
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Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik gemäß 1 ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass die Geschwindigkeit, mit der die Düse den Wasserfluss verringert, das ist die sogenannte Schließgeschwindigkeit, eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreiten darf, da sonst ein Druckstoß entstehen könnte, der die Druckrohrleitung zerstören würde. Die maximale Schließgeschwindigkeit wird über eine Drosselung des Flusses der Hydraulikflüssigkeit aus der Kammer 13 eingestellt. Auch für die Auslegung der Drosselung muss der ungünstigste Fall angenommen werden, der auch hier wie oben darin besteht, dass P_s = P_max ist. Wie oben ergibt sich wieder der hohe Druck auf der Öffnen Seite, was zu einer vergleichsweise kleinen Drosselöffnung führt. Als Nachteil aus der kleinen benötigten Drosselöffnung ergibt sich, dass auch die Geschwindigkeit für das Öffnen der Düse im Normalbetrieb durch diese kleine Drosselöffnung beschränkt wird. Dadurch können die spezifizierten Zeiten für das Öffnen der Düsen nur mit erhöhtem, zusätzlichem Aufwand und den damit verbundenen höheren Kosten erreicht werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Düse für eine Freistrahlturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Düse ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1 eine Düse für eine Freistrahlturbine gemäß dem Stand der Technik; und
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2 eine erfindungsgemäße Düse für eine Freistrahlturbine; und
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3 eine erfindungsgemäße Düse für eine Freistrahlturbine in anderer Ausführungsform
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In der Darstellung der 1 ist eine Düse für eine Freistrahlturbine gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Düse besitzt eine Düsennadel 10, die mit einer Stange 11 mit dem Kolben 14 des Servomotors verbunden ist. Dabei sind das Gehäuse des Servomotors mit 17, die Öffnen-seitige Kammer des Servomotors mit 13 und die Schließen-seitige Kammer des Servomotors mit 12 bezeichnet. Die Zuführung für die Hydraulikflüssigkeit für die Schließen-seitige Kammer ist mit 15 und die Zuführung für die Hydraulikflüssigkeit für die Öffnen-seitige Kammer ist mit 16 bezeichnet.
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In der Darstellung der 2 ist eine erfindungsgemäße Düse für eine Freistrahlturbine gezeigt. Die Bezeichnungen 10, 11, 13, 14, 15, 16 und 17 bezeichnen dieselben Elemente der Düse wie in 1 beschrieben. Der Kolben 14 ist in 2 jedoch mit einem zylindrischen Körper 20 gemäß Anspruch 1 verbunden. Dieser Körper 20 bildet zusammen mit dem Gehäuse 17 des Servomotors und dem Kolben 14 die Schließen-seitige Kammer 22 des Servomotors. Die Kammer 22 erstreckt sich in der in 2 dargestellten Ausprägung der erfindungsgemäßen Düse dabei gemäß Anspruch 4 um den zylindrischen Körper 20 herum, welcher eine kleinere Querschnittsfläche als der Kolben 14 besitzt. Die hydraulisch wirksame Fläche A_s der Schließen-Seite ergibt sich hierbei aus der Differenz der Querschnittsflächen von Kolben 14 und dem zylindrischen Körper 20.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass durch den zylindrischen Körper 20 die hydraulisch wirksame Fläche A_s auf der Schließen-Seite verringert wird. Es ist A_s = A_k – A_z, wobei A_z die Querschnittsfläche des zylindrischen Körpers darstellt. Damit ist A_s kleiner als A_k (Anspruch 1). Jede Verringerung von A_s unter den Wert von A_k stellt eine Verbesserung im Sinne der erfinderischen Aufgabe bzgl. der dem Stand der Technik dar, denn im Fehlerfall, d. h. wenn auf der Schließen-Seite der Druck P_max anliegt, stellt sich auf der Öffnen-Seite ein Druck ein, der durch die Formel P_o = (F_w/A_o) + P_max·(A_s/A_o) gegeben ist (für den Fall einer Düsennadel mit Schließtendenz – ohne Schließtendenz entfällt der erste Term der Summe). Diese Formel gilt sowohl für den Stand der Technik aus 1 als auch für die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 2. Im Stand der Technik war jedoch A_s = A_k und damit A_s > A_o und damit P_o deutlich größer als P_max. Wird A_s reduziert (im Vergleich mit dem Stand der Technik), so wird der Druck auf der Öffnen-Seite reduziert und die Auslegung bzgl. Druck und Drosselung kann mit geringerem Aufwand geschehen, als beim Stand der Technik.
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Eine besonders günstige Ausprägung der Erfindung liegt vor, wenn A_s kleiner oder gleich A_o wird (Anspruch 2). Im Fehlerfall, d. h. wenn auf der Schließen-Seite der Druck P_max anliegt, stellt sich auf der Öffnen-Seite ein Druck ein, der durch die Formel P_o = P_max·(A_s/A_o) gegeben ist (für den Fall einer Düsennadel ohne Schließtendenz). Das bedeutet, dass wenn A_s kleiner oder gleich A_o ist, ergibt sich auf der Öffnen-Seite ein Druck der kleiner oder gleich P_max ist. Das bedeutet, dass dann die Öffnen-Seite nur auf den Druck P_max ausgelegt werden muss, was aus Sicherheitserwägungen heraus ohnehin notwendig ist. D. h. es wird ein dem Stand der Technik gemäßer hoher Aufwand in der Druckauslegung der Öffnen-Seite vermieden. Analoge Überlegungen gelten für die Auslegung der Öffnen-seitigen Drosselung.
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Für Düsennadeln mit Schließtendenz ergibt sich eine besonders günstige Ausprägung der Erfindung, wenn A_s kleiner oder gleich A_o – (F_w/P_max) wird (Anspruch 3). Im Fehlerfall, d. h. wenn auf der Schließen-Seite der Druck P_max anliegt, stellt sich auf der Öffnen-Seite ein Druck ein, der durch die Formel P_o = (F_w/A_o) + P_max·(A_s/A_o) gegeben ist. Es ergibt sich somit auf der Öffnen-Seite ein Druck der kleiner oder gleich P_max ist, und es ergeben sich daraus die im vorigen Abschnitt dargelegten Vorteile.
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In der Darstellung der 2 ist ferner gezeigt, dass die Schließen-seitige Kammer 22 des Servomotors 20 durch geeignete Dichtungen zwischen dem Gehäuse des Servomotors 17 und dem zylindrischen Körper 20 abgedichtet ist.
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Der zylindrische Körper 20 wird beim Öffnen der Nadel in die Kammer 21 geschoben. Dabei wird die Kammer 21 auf Atmosphärendruck oder einem anderen konstanten Druck gehalten, was durch geeignete Kanäle im Düsengehäuse leicht realisiert werden kann. Dadurch wird vermieden, dass sich beim Einschieben des zylindrischen Körpers in die Kammer 21 dort eine Druckerhöhung aufbauen kann, die eine unerwünschte Rückstellkraft verursachen würde.
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Eine weitere günstige erfindungsgemäße Ausprägung ist in der Darstellung der 3 gezeigt. Hier ist der zylindrische Körper 20 hohl ausgeführt und die Schließen-seitige Kammer des Servomotors befindet sich in der Höhlung des zylindrischen Körpers 20 (Anspruch 5). Dazu werden die Dichtungen zwischen dem zylindrischen Körper 20 und dem Gehäuse 17 in die Höhlung verlegt und auch die Zuführung 15 der Hydraulikflüssigkeit muss in die Höhlung des zylindrischen Körpers münden. Auch diese Ausprägung löst, in analoger Weise wie oben beschrieben, die gestellt Aufgabe, d. h. durch eine entsprechende Auslegung der Fläche A_s gemäß den Ansprüchen 1 bis 3.
