DE102013212937A1 - Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine - Google Patents

Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine mit wenigstens einer Leitschaufel und wenigstens einem Hydrozylinder, der die wenigstens eine Leitschaufel öffnet und schließt, wobei wenigstens eine Konstantpumpe durch wenigstens einen drehzahlvariablen Antrieb angetrieben wird, und die wenigstens eine Konstantpumpe über einen Hydraulikkreislauf auf den wenigstens einen Hydrozylinder einwirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine, insbesondere eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer Wasserturbine oder einer Pumpturbine.
  • Vorrichtungen zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE2713867 eine solche Vorrichtung (siehe 3), die eine Druckölquelle, einen hydraulischen Stellmotor (Hydrozylinder) und Regelventile zur Dosierung der Energie zur Verstellung des Hydrozylinders umfasst. In der Regel handelt es sich bei der Druckölquelle um einen Speicher für das unter Überdruck stehende Hydraulikmedium. Der Speicher muss dabei mit Hilfe von Pumpen gefüllt und auf den notwendigen Arbeitsdruck gebracht und gehalten werden.
  • Als Nachteile des beschriebenen Stands der Technik ergeben sich, dass ein großes Volumen des Hydraulikmediums (z.B. Öl) benötigt wird, da einerseits der Speicher immer genug Hydraulikmedium enthalten muss, um eine definierte Zahl von Bewegungszyklen des Hydrozylinders ausführen zu können, und andererseits dass bei jeder Stellbewegung das aus dem Hydrozylinder austretende Medium in den Sumpf abfließt. Mithin werden auch ein großer Speicher und ein entsprechend dimensionierter Sumpf benötigt. Mit dem großen benötigten Volumen an Öl ergibt sich natürlich im Fehlerfall (Austritt von Öl) ein großes Risiko für die Umwelt. Weiterhin wird eine Vielzahl von Komponenten benötigt. Alles in allem ergibt sich ein großer Platzbedarf und hohe damit verbundene Kosten. Weiterhin muss die Pumpe zum Füllen des Speichers sehr oft laufen (in vielen Ausführungsformen befinden sie sich sogar im Dauerbetrieb), was einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt. Daran schließt sich wieder ein erhöhter Kühlungsbedarf an.
  • Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik deutlich zu verringern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen einer hydraulischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass sich diese Aufgabe dadurch lösen lässt, dass zum Betrieb des Hydrozylinders ein oder mehrere hydrostatische Konstantpumpen benutzt werden, die mit Hilfe von drehzahlvariablen elektrischen Antrieben betrieben werden.
  • Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
  • 1 Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 2 Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
  • 3 Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform
  • In der Darstellung der 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln in stark schematisierter Weise gezeigt. Dabei sind eine Konstantpumpe mit 10, ein drehzahlvariabler Antrieb mit 11, ein Hydrozylinder mit 12 und ein Speicher mit 13 bezeichnet. Der drehzahlvariable Antrieb besteht aus einem Motor und einem Frequenzumrichter. Wenn der Motor läuft pumpt die Konstantpumpe 10 das Hydraulikmedium aus dem unten angedeuteten Sumpf in den Hydrozylinders 12. Der Hydrozylinders 12 bewegt dann die Leitschaufeln (nicht in der Figur dargestellt). Gleichzeitig wird aus dem Hydrozylinder 12 Hydraulikmedium in den Speicher 13 gepresst. Bei der gezeigten Anordnung kann der Speicher 13 klein dimensioniert werden, da in der einen Bewegungsrichtung des Hydrozylinders 12 der Speicher 13 stets wieder gefüllt wird. Es genügt als Volumen für den Speicher 13 etwas mehr als das Volumen des Hydrozylinders 12 vorzusehen. Entsprechendes gilt für die Dimensionierung des Sumpfes.
  • Es werden für die Grundfunktion, d.h. das Öffnen und Schließen der Leitschaufeln, keine Regelventile benötigt. Es ist jedoch zu erwähnen, dass z.B. für die Realisierung von weiteren Funktionen, wie z.B. die Implementierung einer Notschlussfunktion durchaus Regelventile zum Einsatz kommen können. Weiterhin geht aus 1 hervor, dass die Pumpe nur dann arbeitet, wenn die Leitschaufeln bewegt werden sollen. Wenn die Pumpe eine Funktion zum Blockieren der Achse besitzt, dann wird auch kein Strom zum Halten der Position des Hydrozylinders 12 benötigt, was den Energieverbrauch zum Betrieb und zum Kühlen der Anlage weiter reduziert. Zur Erreichung desselben Zweckes können natürlich auch geeignete Absperrorgane (z.B. entsperrbare Rückschlagventile) an den Anschlüssen des Hydrozylinders 12 eingesetzt werden.
  • In der Darstellung der 2 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Dabei sind eine Konstantpumpe mit 20, ein drehzahlvariabler Antrieb mit 21 und ein Hydrozylinder mit 22 bezeichnet. Die Konstantpumpe 20 kann in dieser Ausführungsform in beide Richtungen Hydraulikmedium fördern. Entsprechend kann der drehzahlvariable Antrieb 21 die Konstantpumpe 20 in beide Richtungen antreiben. Der Hydrozylinder 22 besitzt zwei Stangen und die Kolbenfläche ist für beide Kammern des Hydrozylinders 22 gleich groß.
  • In der Ausführungsform aus 2 kann somit sowohl auf einen Speicher als auch auf einen Sumpf verzichtet werden, da es sich um einen geschlossenen Kreislauf des Hydraulikmediums handelt. Dadurch ist diese Ausführungsform besonders vorteilhaft.
  • In der Darstellung der 3 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Dabei sind eine Konstantpumpe mit 30 und eine weitere Konstantpumpe mit 34, ein drehzahlvariabler Antrieb mit 31, ein Hydrozylinder mit 32 und ein Speicher mit 33 bezeichnet. Die beiden Konstantpumpen 30 und 34 können in dieser Ausführungsform in beide Richtungen Hydraulikmedium fördern und werden über eine gemeinsame Welle durch den drehzahlvariablen Antrieb 31 angetrieben. Die beiden Pumpen 30 und 34 sind so mit dem Hydrozylinder 32 verbunden, dass wenn die eine Pumpe Hydraulikflüssigkeit in die eine Kammer des Hydrozylinders 32 hinein pumpt, die andere Pumpe Hydraulikflüssigkeit aus der anderen Kammer des Hydrozylinders 32 herausfördert. Das Verhältnis der Fördervolumina der beiden Pumpen 30 und 34 ist dabei an das Verhältnis der hydraulisch wirksamen Flächen (Kolbenflächen) des Hydrozylinders 32 angepasst. In der in 3 dargestellten Anordnung ist das Fördervolumen der Pumpe 34 größer als das Fördervolumen der Pumpe 30, da die Pumpe 34 mit der Kammer des Hydrozylinders verbunden ist, die eine größere hydraulisch wirksame Fläche aufweist. Beim Betreiben der Pumpen wird dann jeweils nur noch die Differenz der Fördervolumina in den Speicher 33 gedrückt bzw. aus dem Speicher 33 entnommen. Entsprechend klein kann so der Speicher 33 ausgelegt werden.
  • Es ist ferner zu erwähnen, dass die beschriebene Vorrichtung natürlich auch bei doppelt geregelten Wasserturbinen, wie z.B. bei einer Kaplan Turbine, zur Regelung der Stellung der Turbinenflügel eingesetzt werden kann. Dazu werden dann ein weiterer Hydrozylinder und wenigstens eine weitere Konstantpumpe samt drehzahlvariablem Antrieb benötigt.
  • Es gibt ferner auch Wasserkraftanlagen, bei denen nicht alle Leitschaufeln gemeinsam über den sogenannten Leitschaufelring geöffnet und geschlossen werden, sondern jede einzelne Leitschaufel separat. Es ist klar, dass in diesem Fall für jede einzelne Leitschaufel eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen werden kann. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß 1 kann dann auch ein einziger Speicher 13 für alle einzelnen Hydrozylinder der einzelnen Leitschaufeln gemeinsam vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform gemäß 3.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2713867 [0002]

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine mit wenigstens einer Leitschaufel und wenigstens einem Hydrozylinder, der die wenigstens eine Leitschaufel öffnet und schließt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Konstantpumpe durch wenigstens einen drehzahlvariablen Antrieb angetrieben wird, und die wenigstens eine Konstantpumpe über einen Hydraulikkreislauf auf den wenigstens einen Hydrozylinder einwirkt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine drehzahlvariable Antrieb aus einem Motor und einem Frequenzumrichter besteht.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher mit einer der Kammern des wenigstens einen Hydrozylinders verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Konstantpumpe in beide Richtungen Hydraulikmedium fördern kann, und dass der eine Anschluss der wenigstens einen Konstantpumpe mit der einen Kammer des wenigstens einen Hydrozylinders verbunden ist, und der andere Anschluss der wenigstens einen Konstantpumpe mit der anderen Kammer des wenigstens einen Hydrozylinders verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hydraulikkreislauf als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Konstantpumpen durch einen drehzahlvariablen Antrieb über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Konstantpumpen unterschiedliche Fördervolumina besitzen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fördervolumina der beiden Konstantpumpen, an das Verhältnis der beiden hydraulisch wirksamen Flächen der Kammern des wenigstens einen Hydrozylinders angepasst ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der einen Konstantpumpe mit dem einen Anschluss des Hydrozylinders verbunden ist, und dass ein Anschluss der anderen Konstantpumpe mit dem anderen Anschluss des Hydrozylinders verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Anschluss der beiden Konstantpumpen mit einem Speicher verbunden ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Konstantpumpe eine Funktion zum Blockieren der Achse besitzt.
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