DE102014215367B3 - Device for adjusting the distributor for a bi-directional axial turbine - Google Patents

Device for adjusting the distributor for a bi-directional axial turbine Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates einer bi-direktionalen hydraulischen Axialturbine, mit einem Regelring und einem Fundament, wobei die Verstellung des Leitapparates durch eine Drehung des Regelringes relativ zum Fundament erfolgt, und wobei sich zwischen Regelring und Fundament zwei miteinander verbundene Servomotoren befinden, wobei ein erster Servomotor einem Kolben, eine Stange und Anschlüsse für Hydraulikflüssigkeit aufweist und ein zweiter Servomotor einen Kolben, eine Stange und Anschlüsse für Hydraulikflüssigkeit aufweist, wobei die Kraft auf die Stange des ersten Servomotors in jedem Betriebszustand kleiner ist als die Kraft auf die Stange des zweiten Servomotors und der Kraftunterschied wenigstens 10% beträgt.Device for adjusting the distributor of a bi-directional hydraulic axial turbine, with a control ring and a foundation, wherein the adjustment of the distributor by a rotation of the control ring relative to the foundation, and wherein between control ring and foundation two interconnected servomotors are, wherein a first Servomotor comprises a piston, a rod and connections for hydraulic fluid and a second servomotor having a piston, a rod and connections for hydraulic fluid, wherein the force on the rod of the first servomotor in each operating condition is less than the force on the rod of the second servomotor and the difference in force is at least 10%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparats von einer bi-direktionalen Axialturbine, wie sie z.B. in einem Gezeiten-Kraftwerk verwendet wird. The present invention relates to a device for adjusting the nozzle of a bi-directional axial turbine, as e.g. used in a tidal power plant.

Da sich bei einem Gezeiten-Kraftwerk die Fließrichtung des Wassers im Rhythmus der Gezeiten ständig umkehrt, ist es vorteilhaft, wenn ein und dasselbe Laufrad für beide Fließrichtungen benutzt werden kann. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades ist es notwendig, dass das hydraulische Profil der Laufschaufeln bezüglich der Fließrichtung des Wassers relativ zur Laufschaufel optimiert wird. Das bedeutet, dass die Vorder- und Rückseite der Laufschaufeln ein unterschiedliches Profil aufweisen, und impliziert, dass nur dann für beide Fließrichtungen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die Laufschaufeln um wenigstens 180° gedreht werden können, so dass im Betrieb immer ein und dieselbe Seite der Laufschaufeln entgegen der Fließrichtung des Wasser zeigt. Kehrt sich die Fließrichtung um, so werden auch die Laufschaufeln umgekehrt. Since in a tidal power plant, the flow direction of the water constantly reverses in the rhythm of the tides, it is advantageous if one and the same impeller can be used for both directions of flow. To achieve the highest possible efficiency, it is necessary that the hydraulic profile of the blades with respect to the flow direction of the water is optimized relative to the blade. This means that the front and back of the blades have a different profile, and implies that high efficiency can only be achieved for both flow directions if the blades can be rotated at least 180 °, so that in operation always on and the same side of the blades opposite to the direction of flow of the water shows. If the flow direction reverses, then the blades are reversed.

Außerdem werden in modernen bi-direktionalen Gezeiten-Kraftwerken die verwendeten Axialturbinen während bestimmter Phasen des Tiden-Zyklus auch als Pumpen betrieben, da so die Gesamtenergieausbeute weiter gesteigert werden kann. In addition, in modern bi-directional tidal power plants, the axial turbines used are also operated as pumps during certain phases of the tidal cycle, as this further increases the overall energy yield.

Die genannten Bedingungen führen dazu, dass auch die Leitschaufeln des Leitapparates für eine solche bi-direktionalen Axialturbine in einem Gezeitenkraftwerk über einen größeren Winkelbereich geschwenkt werden müssen, als dies in einem konventionellen Laufwasserkraftwerk der Fall ist. So beträgt der Schwenkbereich der Leitschaufeln in einem bi-direktionalen Gezeitenkraftwerk beispielsweise etwa 120° während der Schwenkbereich in einem konventionellen Laufwasserkraftwerk gewöhnlich im Bereich von <=90° liegt. The conditions mentioned lead to the fact that the guide vanes for such a bi-directional axial turbine in a tidal power plant must be pivoted over a larger angular range, as is the case in a conventional run-of-river power plant. For example, the pivoting range of the vanes in a bi-directional tidal power plant is about 120 ° while the swing range in a conventional run-of-river power plant is usually in the range of <= 90 °.

Die Funktion des Leitapparates besteht einerseits darin, die Wasserstrom von und zu den Laufschaufeln des Turbinenrades so zu lenken, dass für jeden Betriebszustand ein möglichst optimaler Wirkungsgrad erzielt wird (Regelbetrieb), und andererseits den Wasserstrom durch die Turbine im Fehlerfall zu unterbrechen (Schließen des Leitapparates). Eine gattungsgemäße Leitapparat-Verstelleinrichtung beschreibt beispielsweise die DE 38 27 743 A1 .The function of the diffuser is on the one hand, to direct the flow of water to and from the blades of the turbine wheel so that optimum efficiency is achieved for each operating condition (control mode), and on the other hand interrupt the flow of water through the turbine in case of failure (closing the diffuser ). A generic diffuser adjustment describes, for example, the DE 38 27 743 A1 ,

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates für eine bi-direktionale Axialturbine bereitzustellen, die robust im Regelbetrieb arbeitet und ein zuverlässiges Schließen des Leitapparates im Fehlerfall gewährleistet. The object of the present invention is to provide a device for adjusting the diffuser for a bi-directional axial turbine, which operates robustly in the control mode and ensures reliable closing of the diffuser in case of failure.

Der Erfinder hat erkannt, dass es im Regelbetrieb für die beiden Strömungsrichtungen zwei unterschiedliche Winkelbereiche der Leitschaufeln gibt. Für alle sinnvollen Betriebszustände im Vorwärtsbetrieb erstreckt sich der Winkel der Leitschaufeln von einem Winkel alpha_v_min bis zu einen Winkel alpha_v_max. Für alle sinnvollen Betriebszustände im Rückwärtsbetrieb erstreckt sich der Winkel der Leitschaufeln von einem Winkel alpha_r_min bis zu einem Winkel alpha_r_max. Für diese beiden Winkelbereiche erhält man jeweils zwei mittlere Winkel: alpha_v_mean = (alpha_v_max + alpha_v_min)/2 und entsprechend alpha_r_mean = (alpha_r_max + alpha_r_min)/2. Die Bandbreite der beiden Winkelbereiche ergibt sich zu Δ_alpha_v = (alpha_v_max – alpha_v_min) und zu Δ_alpha_r = (alpha_r_max – alpha_r_min). Der Erfinder hat erkannt, dass sich alpha_v_mean und alpha_r_mean deutlich unterscheiden, während die beiden Bandbreiten Δ_alpha_v und Δ_alpha_r in der Regel annähernd gleich groß sind. The inventor has recognized that in normal operation there are two different angular ranges of the guide vanes for the two flow directions. For all meaningful operating conditions in forward operation, the angle of the vanes extends from an angle alpha_v_min to an angle alpha_v_max. For all meaningful operating states in reverse operation, the angle of the guide vanes extends from an angle alpha_r_min up to an angle alpha_r_max. For each of these two angular ranges, two average angles are obtained: alpha_v_mean = (alpha_v_max + alpha_v_min) / 2 and correspondingly alpha_r_mean = (alpha_r_max + alpha_r_min) / 2. The bandwidth of the two angular ranges is given by Δ_alpha_v = (alpha_v_max - alpha_v_min) and Δ_alpha_r = (alpha_r_max - alpha_r_min). The inventor has recognized that alpha_v_mean and alpha_r_mean differ significantly, while the two bandwidths Δ_alpha_v and Δ_alpha_r are generally approximately the same size.

Der Erfinder hat sich von dem Gedanken leiten lassen, dass eine Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates einer bi-direktionalen Axialturbine dann besonders robust arbeitet, wenn bereits die mechanische Ausgestaltung diesen beiden Winkelbereichen Rechnung trägt. The inventor has been guided by the idea that a device for adjusting the diffuser of a bi-directional axial turbine then works particularly robust if the mechanical design already accommodates these two angular ranges.

Der Erfinder hat erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen befinden sich in den davon abhängigen Ansprüchen. The inventor has recognized that the stated object can be achieved by a device for adjusting the guide vanes with the characterizing features of claim 1. Further advantageous embodiments are in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von einer Figur erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: The solution according to the invention will be explained below with reference to a figure. The following is shown in detail:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates einer bi-direktionalen Axialturbine 1 an inventive device for adjusting the diffuser of a bi-directional axial turbine

In der Darstellung der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates einer bi-direktionalen Axialturbine in schematischer Form gezeigt. Es handelt sich dabei gewissermaßen um einen doppelten Servomotor. Dieser doppelte Servomotor besitzt ein Gehäuse, das mit 1 bezeichnet ist. Das Gehäuse besitzt zwei Kammern. In der ersten Kammer bewegt sich der Kolben 2, der mit der Stange 3 verbunden ist. In der zweiten Kammer befindet sich der Kolben 4, der mit der Stange 5 verbunden ist. Die erste Kammer besitzt die Anschlüsse 6 und 7 für die Hydraulikflüssigkeit und die zweite Kammer die Anschlüsse 8 und 9. In the presentation of the 1 a device according to the invention for adjusting the diffuser of a bi-directional axial turbine is shown in schematic form. It is, as it were, a double servomotor. This double servo motor has a housing that with 1 is designated. The housing has two chambers. In the first chamber, the piston moves 2 that with the rod 3 connected is. In the second chamber is the piston 4 that with the rod 5 connected is. The first chamber has the connections 6 and 7 for the hydraulic fluid and the second chamber the connections 8th and 9 ,

Damit mit diesem doppelten Servomotor der Leitapparat verstellt werden kann, wird beispielsweise die Stange 3 mit dem Regelring des Leitapparats verbunden und die Stange 5 gegen das Fundament abgestützt. Genauso gut kann der Servomotor auch anders herum eingebaut werden. Auf weitere äquivalente Ausführungsformen wird am Ende der Beschreibung noch weiter eingegangen. Thus, with this double servo motor, the nozzle can be adjusted, for example, the rod 3 connected to the control ring of the distributor and the rod 5 supported against the foundation. Just as well, the servomotor can be installed the other way around. Other equivalent embodiments will be discussed further at the end of the description.

Die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt es, den beiden Winkelbereichen beim Verstellen der Leitschaufeln Rechnung zu tragen. So dient einer der beiden Servomotoren dazu, gewissermaßen zwischen den einzelnen Winkelbereichen „umzuschalten“, während der andere Servomotor für die Verstellung innerhalb des jeweiligen Winkelbereichs zuständig ist. So kann z.B. der in 1 durch den Kolben 4 und die Stange 5 gebildete Servomotor diese Umschaltfunktion erfüllen, indem er nur zwischen den beiden Endlagen hin und her bewegt wird. Die Zwischenpositionen werden zwar beim „Umschalten“ temporär durchlaufen, diese werden aber nicht gezielt angefahren und entsprechen somit auch keinem gewollten Betriebszustand. Der durch den Kolben 2 und die Stange 3 gebildete Servomotor übernimmt dann die Verstellung innerhalb des jeweiligen Winkelbereichs, indem er in jede mögliche Position zwischen seinen beiden Endlagen eingestellt wird. The arrangement of the device according to the invention makes it possible to take into account the two angular ranges when adjusting the guide vanes. Thus, one of the two servomotors serves to "switch over" between the individual angular ranges, while the other servomotor is responsible for the adjustment within the respective angular range. For example, the in 1 through the piston 4 and the pole 5 formed servomotor fulfill this switching function by being moved back and forth only between the two end positions. Although the intermediate positions are temporarily traversed during "switching", they are not targeted and therefore do not correspond to a desired operating state. The one by the piston 2 and the pole 3 formed servo motor then takes over the adjustment within the respective angular range by being set in any position between its two end positions.

Damit die Betriebsweise, wie beschrieben, funktionieren kann, muss die Kraft, die auf die Stange 5 wirkt, größer sein, als die Kraft, die auf die Stange 3 wirkt. Dann wird beim Verstellen des Kolbens 2 und der Stange 3 der Kolben 4 und die Stange 5 nicht aus der jeweils eingenommenen Endlage bewegt, da die höhere Kraft auf die Stange 5 eine Veränderung der Position des Kobens 4 und der Stange 5 nicht erlaubt, d.h. der Kolben 4 wird immer in der angefahrenen Endlage verharren. In order for the operation to work as described, the force acting on the pole must be 5 works, be greater than the force on the pole 3 acts. Then, when adjusting the piston 2 and the pole 3 The piston 4 and the pole 5 not moved from the respectively taken end position, because the higher force on the rod 5 a change in the position of the Kobens 4 and the pole 5 not allowed, ie the piston 4 will always remain in the approached end position.

Diese Bedingung kann erfüllt werden, wenn der hydraulische Druck an den Anschlüssen 8 bzw. 9 deutlich größer ist als der hydraulische Druck an den Anschlüssen 6 und 7. Der Druckunterschied sollte wenigsten 10% betragen. This condition can be met when the hydraulic pressure at the connections 8th respectively. 9 significantly greater than the hydraulic pressure at the ports 6 and 7 , The pressure difference should be at least 10%.

Alternativ kann diese Bedingung auch dadurch erreicht werden, dass die Kolbenfläche des Kolbens 4 deutlich größer als die Kolbenfläche des Kolbens 2 ist. Die Anordnung wird dann natürlich von der in 1 gezeigten Anordnung abweichen. Der Unterschied der Flächen sollte auch hier wenigsten 10% betragen. Alternatively, this condition can also be achieved in that the piston surface of the piston 4 significantly larger than the piston area of the piston 2 is. The arrangement will then of course be in 1 deviate shown arrangement. The difference of the surfaces should also be at least 10% here.

Die Drücke an den Anschlüssen 6, 7, 8 und 9 können dann in etwa gleich groß sein, so dass man z.B. eine einzige Druckquelle für alle Anschlüsse benutzen kann. The pressures at the connections 6 . 7 . 8th and 9 can then be about the same size, so that you can use eg a single pressure source for all connections.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn einer der Anschlüsse 8 oder 9 an einen hydraulischen Druckspeicher angeschlossen wird. Der Druck in diesem Speicher muss dann größer sein, als der maximale Druck, der an den Anschlüssen 6 und 7 anliegen kann, falls die Kolbenflächen der Kolben 4 und 2 gleich groß sind. Der genannte Druckunterschied muss dann wenigsten 10% betragen. Falls die Kolbenfläche des Kolbens 4 größer ist als die Kolbenfläche des Kolbens 2, so gilt das im letzten Abschnitt gesagte. A particularly advantageous embodiment of the device according to the invention results when one of the connections 8th or 9 is connected to a hydraulic pressure accumulator. The pressure in this reservoir must then be greater than the maximum pressure at the ports 6 and 7 can abut, if the piston surfaces of the piston 4 and 2 are the same size. The said pressure difference must then be at least 10%. If the piston surface of the piston 4 larger than the piston area of the piston 2 , so said in the last section.

Abschließend ist zu erwähnen, dass die erfindungsgemäße Anordnung auch dann vorliegt, wenn die beiden Kammern des doppelten Servomotors sich nicht in einem gemeinsamen Gehäuse 1 befinden, sondern separate Gehäuse aufweisen, die miteinander verbunden sind. Genauso gut kann natürlich auch einer oder beide der Servomotoren umgekehrt sein, d.h. dass dann seine Stange nicht mit dem Fundament oder dem Regelring des Leitapparates verbunden ist, sondern mit dem Gehäuse oder auch der Stange des zweiten Servomotors. Finally, it should be mentioned that the arrangement according to the invention is also present when the two chambers of the double servo motor are not in a common housing 1 but have separate housing, which are interconnected. Of course, one or both of the servo motors can just as well be reversed, ie that then his rod is not connected to the foundation or the control ring of the distributor, but with the housing or the rod of the second servomotor.

Claims (5)

Vorrichtung zum Verstellen des Leitapparates einer bi-direktionalen hydraulischen Axialturbine, mit einem Regelring und einem Fundament, wobei die Verstellung des Leitapparates durch eine Drehung des Regelringes relativ zum Fundament erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Regelring und Fundament zwei miteinander verbundene Servomotoren befinden, wobei ein erster Servomotor einen Kolben (2), eine Stange (3) und Anschlüsse (6, 7) für Hydraulikflüssigkeit aufweist und der zweite Servomotor einen Kolben (4), eine Stange (5) und Anschlüsse (8, 9) für Hydraulikflüssigkeit aufweist, wobei die Kraft auf die Stange (3) des ersten Servomotors in jedem Betriebszustand kleiner ist als die Kraft auf die Stange (5) des zweiten Servomotors und der Kraftunterschied wenigstens 10% beträgt. Device for adjusting the distributor of a bi-directional hydraulic axial turbine, with a control ring and a foundation, wherein the adjustment of the distributor by a rotation of the control ring relative to the foundation, characterized in that between the control ring and the foundation two interconnected servomotors are, wherein a first servomotor a piston ( 2 ), a pole ( 3 ) and connections ( 6 . 7 ) for hydraulic fluid and the second servomotor has a piston ( 4 ), a pole ( 5 ) and connections ( 8th . 9 ) for hydraulic fluid, wherein the force on the rod ( 3 ) of the first servomotor in each operating state is less than the force on the rod ( 5 ) of the second servomotor and the difference in force is at least 10%. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Servomotoren ein gemeinsames Gehäuse (1) aufweisen. Device according to claim 1, characterized in that the two servomotors form a common housing ( 1 ) exhibit. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf die Anschlüsse (6, 7) des ersten Servomotors wenigstens 10% kleiner ist, als der Druck auf die Anschlüsse (8, 9) des zweiten Servomotors. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure on the connections ( 6 . 7 ) of the first servo motor is at least 10% smaller than the pressure on the terminals ( 8th . 9 ) of the second servomotor. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Kolbens (2) des ersten Servomotors wenigstens 10% kleiner ist, als die Fläche des Kolbens (4) des zweiten Servomotors. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the surface of the piston ( 2 ) of the first servomotor is at least 10% smaller than the area of the piston ( 4 ) of the second servomotor. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Anschlüsse (8, 9) des zweiten Servomotors mit einem Druckspeicher für Hydraulikflüssigkeit verbunden ist. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of Connections ( 8th . 9 ) of the second servomotor is connected to a pressure accumulator for hydraulic fluid.
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