DE102014223859A1

DE102014223859A1 - Hydrostatisches Getriebe und regenerative Energiewandlungsanlage mit einem derartigen Getriebe

Info

Publication number: DE102014223859A1
Application number: DE102014223859.5A
Authority: DE
Inventors: Nik Scharmann; Matthias Lenssen; Benjamin Hagemann; Yukio Kamizuru; Jos Ritzen; Lambert Romijnders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatisches Getriebe zur Übertragung oder Wandlung einer insbesondere auf einer Naturkraft basierenden, insbesondere dynamischen Eingangsleistung mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen Hydromaschine, die über eine Arbeitsleitung fluidisch verbunden sind. Dabei ist eine mit der Arbeitsleitung fluidisch verbindbare, erste Hydromaschine mit verstellbaren Verdrängungsvolumen vorgesehen, über deren Verstellung ein Druck der Arbeitsleitung regelbar ist. Offenbart ist weiterhin eine regenerative Energiewandlungsanlage mit einem derartigen Getriebe.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe zur Wandlung einer insbesondere dynamischen Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine regenerative Energiewandlungsanlage mit einem derartigen Getriebe.
Die Bedeutung regenerativer Energien, beispielsweise der Windkraft, nimmt zu. Auch richtet sich der Fokus zunehmend auf die Nutzung insbesondere maritimer Wellenenergie. Die von solch natürlichen Energiequellen angebotene Eingangsleistung ist jedoch häufig von multichromatischer Qualität und somit nicht konstant, sondern kann einen unregelmäßigen Kraftverlauf aufweisen und in einem entsprechend unregelmäßigen Drehmomentverlauf resultieren. Die Eingangsleistung muss dabei einer ersten oder „Primärwandlung“ unterzogen werden, um sie beispielsweise als elektrische Energie in ein Netz einzuspeisen. Hierzu kommt ein hydrostatisches Getriebe zum Einsatz.
Dabei ist eine Herausforderung, das Eingangsdrehmoment durch Regelung an die unregelmäßige, multichromatische Leistung der Meereswelle anzupassen, um beispielsweise ein von einer Betriebsführung vorgegebenes, zeitliches Drehzahlprofil zu realisieren.
Es sind Lösungen bekannt, die für die Primärwandlung ausgangsseitig Hydromaschinen mit konstantem Verdrängungsvolumen vorsehen. Vorteilhaft ist dabei deren hoher, volumetrischer Wirkungsgrad. Die Regelung des Drehmomentes erfolgt dann über eine Drehzahlregelung der von den Hydromaschinen angetriebenen Elektrogeneratoren. Durch die mit der Regelung verbundenen, vergleichsweise starken Drehzahländerungen wird allerdings auch die Leistungselektronik stark belastet, was deren Lebensdauer senkt.
Andere Konzepte sehen für die Primärwandlung ausgangsseitig Hydromaschinen vor, von denen zumindest eine mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet ist. Über die Verstellung des Verdrängungsvolumens kann der Arbeitsdruck des hydrostatischen Getriebes, und dadurch das Eingangsdrehmoment, dynamisch gut geregelt werden. Hier ist jedoch der Wirkungsgrad bei einem hin zu kleinen Werten verstellten Verdrängungs- oder Schluckvolumen nicht optimal, wodurch diese Form der Regelung den Gesamtwirkungsgrad der Leistungsübertragung des Getriebes ungünstig beeinflussen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Getriebe zur Wandlung einer dynamischen Eingangsleistung zu schaffen, das insbesondere verbunden mit der Regelung eines Eingangsdrehmomentes, geringere Drehzahlschwankung am Ausgang des Getriebes aufweist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine regenerative Energiewandlungsanlage mit einem derartigen Getriebe zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein hydrostatisches Getriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine regenerative Energiewandlungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Getriebes und der regenerativen Energiewandlungsanlage sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 13 und 15 beschrieben.
Ein hydrostatisches Getriebe, insbesondere zum Einsatz in einem Windenergiekonverter, einer Windkraftanlage, einem Strömungskraftwerk (Fluss, Meer), einem Schiff, einer mobilen Anwendung, einer Presse oder einer Walze oder einem Schaufelradbagger oder einem Schaufelradlader, ist mit einer dynamischen, insbesondere auf einer Naturkraft basierenden Eingangsleistung antreibbar. Die Eingangsleistung resultiert dabei insbesondere aus einer mechanischen Eingangslast, wie beispielsweise einem Drehmoment, einer Kraft, einer Geschwindigkeit oder einer Drehzahl/Hubzahl, und wird dem hydrostatischen Getriebe vorzugsweise von einer Schnittstelle eines Primärenergiewandlers bereitgestellt. Diese Schnittstelle kann beispielsweise eine Rotorwelle eines Wind- oder Wellenenergiekonverters, eine Stange eines linear oszillierenden Wellenenergiekonverters, eine Rotorwelle einer Gezeitenströmungsanlage, eine Rotorwelle einer Windkraftanlage oder ähnliches sein. Das hydrostatische Getriebe hat dabei wenigstens eine eingangsseitige Hydromaschine, auf die die Eingangsleistung, oder zumindest ein Anteil davon, übertragbar ist. Zudem hat das Getriebe wenigstens eine ausgangsseitige Hydromaschine, die über eine Arbeitsleitung des Getriebes fluidisch mit der eingangsseitigen Hydromaschine verbindbar, insbesondere verbunden ist. Zur Übertragung einer Ausgangsleistung des Getriebes, oder zumindest eines Anteils davon, ist die ausgangsseitige Hydromaschine mit einer ausgangsseitigen Elektromaschine, insbesondere mit einem Elektrogenerator, koppelbar, insbesondere gekoppelt. Zudem ist eine mit der Arbeitsleitung fluidisch verbindbare, insbesondere verbundene, erste Hydromaschine mit einem verstellbaren Verdrängungsvolumen vorgesehen. Über diese Verstellung ist ein Druck der Arbeitsleitung regelbar. Erfindungsgemäß ist die erste Hydromaschine von den eingangs- und ausgangsseitigen Hydromaschinen mechanisch entkoppelt. Das heißt, dass zwischen ihnen keine mechanische Leistung übertragbar ist und sie beispielsweise getrennte Triebwellen aufweisen.
Durch die mechanische Entkopplung der für die Druckregelung vorgesehenen Hydromaschine von den für die Leistungsübertragung oder Primärwandlung vorgesehenen Hydromaschinen kann die Druckregelung unabhängig von der Leistungsübertragung / Primärwandlung konzipiert und betrieben werden. Daraus resultiert eine hohe Flexibilität für ein Druckregelkonzept und eine sehr dynamische Druckregelung wird ermöglicht. Da vom Druck ein Eingangsdrehmoment des Getriebes abhängt, kann auch dieses erfindungsgemäß mit hoher Flexibilität und Dynamik geregelt werden. Die erfindungsgemäße Regelung des Eingangsdrehmomentes führt so zu geringeren Drehzahlschwankungen am Ausgang des Getriebes und damit zur Schonung einer Leistungselektronik des Getriebes.
In einer Weiterbildung weist wenigstens eine der eingangs- und / oder ausgangsseitigen Hydromaschinen ein konstantes Verdrängungsvolumen auf, wodurch ein das Getriebe vorrichtungstechnisch einfach ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt weisen sowohl die eingangs- als auch die ausgangsseitigen Hydromaschinen das konstante Verdrängungsvolumen auf. Dadurch ist zum Einen zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Getriebes ein etwa konstantes Drehzahlverhältnis eingestellt und zum Anderen kann die Druckregelung über die erste Hydromaschine ungestört von Verdrängungsvolumenänderungen der eingangs- und / oder ausgangsseitigen Hydromaschinen erfolgen, so dass die Regelung einfach und stabil erfolgen kann.
In einer Weiterbildung sind die eingangs- und ausgangsseitigen Hydromaschinen über die Arbeitsleitung und eine Niederdruckleitung in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf fluidisch miteinander verbunden.
In einer davon abweichenden Weiterbildung, insbesondere bei einer Leistungsübertragung von der wenigstens einen eingangsseitigen hin zur wenigstens einen ausgangsseitigen Hydromaschine, also im generatorischen Betrieb des Getriebes, sind die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen über die Arbeitsleitung und eine offene oder vorbelastete Druckmittelsenke in einem offenen oder halboffenen hydraulischen Kreis fluidisch miteinander verbunden. Dabei bieten die beiden letztgenannten Varianten den Vorteil, dass das Druckmittel bei Niederdruck gefiltert und gekühlt werden kann. Dies stellt einen Wirkungsgradvorteil gegenüber der Variante im geschlossenen hydraulischen Kreis dar, da dieser stets zu spülen ist.
Im genannten geschlossenen hydraulischen Kreis ist ein Vier-Quadrantenbetrieb des Getriebes, das heißt ein generatorischer und motorischer Betrieb der wenigstens einen eingangsseitigen Hydromaschine in beiden Drehrichtungen, über eine Ventileinrichtung des Getriebes, insbesondere über eine Schaltventileinrichtung, realisierbar.
In einer Weiterbildung sind mehrere eingangsseitige Hydromaschinen, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr, fluidisch parallel mit der Arbeitsleitung verbunden. Dabei sind die mehreren eingangsseitigen Hydromaschinen bevorzugt über eine gemeinsame Eingangswelle des Getriebes gekoppelt. Auf diese Weise kann eine Ausfallsicherheit des Getriebes erhöht werden, da eine Redundanz der eingangsseitigen Hydromaschinen gegeben ist. Bei zwei eingangsseitigen Hydromaschinen sind diese dann vorzugsweise in Tandemanordnung vorgesehen.
In einer Weiterbildung sind mehrere ausgangsseitige Hydromaschinen, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr, fluidisch parallel mit der Arbeitsleitung verbunden, wodurch die Ausfallsicherheit des Getriebes erhöht ist, da die ausgangsseitigen Hydromaschinen redundant vorliegen.
In einer Weiterbildung sind die ausgangsseitigen Hydromaschinen jeweils mit einer Elektromaschine, insbesondere einem Elektrogenerator, koppelbar, insbesondere gekoppelt. Sie sind folglich voneinander mechanisch entkoppelt. So weisen auch die Elektrogeneratoren eine Redundanz auf, wodurch die Ausfallsicherheit des Getriebes erhöht ist.
Um auch Leistung und Drehmoment von den ausgangsseitigen Hydromaschinen auf die eingangsseitigen Hydromaschinen und damit den Eingang des Getriebes übertragen zu können, wodurch beispielsweise Drehzahlschwankungen am Eingang des Getriebes besonders effektiv ausgeglichen werden können, ist wenigstens eine Elektromaschine, die mit einer ausgangsseitigen Hydromaschine gekoppelt ist, zusätzlich als Elektromotor betreibbar ausgestaltet.
In einer Weiterbildung ist wenigstens eine der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen als Radialkolbenmaschine ausgebildet. Es können auch beide oder alle eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen derart ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung ist wenigstens eine der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen als Langsamläufer oder als Mittelschnellläufer ausgebildet. Derartige Bauformen weisen gegenüber Schnellläufern einen erhöhten Wirkungsgrad auf.
Um ein gestuftes Getriebe bereitstellen zu können, ist in einer bevorzugten Weiterbildung für wenigstens eine der eingangs- und ausgangsseitigen Hydromaschinen eine schaltbare oder steuerbare, insbesondere Niederdruck führende, Umgehungsleitung vorgesehen, über die ein Druckmitteleingang und ein Druckmittelausgang der betreffenden Hydromaschine fluidisch verbindbar sind. Auf diese Weise kann die betreffende Hydromaschine der Leistungsübertragung des Getriebes zugeschaltet oder davon weggeschaltet werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad des Getriebes – angepasst an die momentan verfügbare Eingangsleistung – verbesserbar, da das Getriebe angepasst an den Lastfall mit mehr oder mit weniger eingangsseitigen und / oder ausgangsseitigen Hydromaschinen betreibbar ist.
Die Regelung des Drucks erweist sich als effizient, wenn in einer Weiterbildung ein insbesondere maximales Verdrängungsvolumen der ersten Hydromaschine kleiner oder bedeutend kleiner ist als ein insbesondere maximales Verdrängungsvolumen der eingangsseitigen Hydromaschine und / oder der ausgangsseitigen Hydromaschine. Auf diese Weise ist eine Verlustleistung der ersten Hydromaschine gering und sie weist kurze Stellzeiten aufgrund einer geringen Massenträgheit auf.
Damit die Druckregelung stabil und dynamisch möglich ist, ist in einer Weiterbildung das insbesondere maximale Verdrängungsvolumen der ersten Hydromaschine gezielt auf eine Volumenkapazität der Arbeitsleitung ausgelegt. Mit zunehmender Volumenkapazität der Arbeitsleitung ist dieses Verdrängungsvolumen größer gewählt.
In einer Weiterbildung ist die erste Hydromaschine mit einer Elektromaschine gekoppelt, die generatorisch und / oder motorisch betreibbar ist. Der generatorische Betrieb der Elektromaschine entspricht einem motorischen Betrieb der ersten Hydromaschine, in welchem sie die Elektromaschine antreiben kann. Dies kann wiederum Elektrische Energie in ein Netz einspeisen. Ein Regeleingriff in Richtung einer Druckerhöhung in der Arbeitsleitung erfolgt dann beispielsweise über eine Verkleinerung des Verdrängungsvolumens der ersten Hydromaschine. In Abhängigkeit der Volumenkapazität der Arbeitsleitung und des Verdrängungsvolumens der ersten Hydromaschine stellt sich dann ein Druckgradient dp/dt des Drucks p der Arbeitsleitung ein. Ist die Elektromaschine darüber hinaus motorisch betreibbar, kann die erste Hydromaschine von der Elektromaschine angetrieben werden und ist im Pumpenbetrieb betreibbar. Dann ist eine höhere Dynamik der Druckregelung möglich, da die erste Hydromaschine Druckmittel in die Arbeitsleitung fördern kann oder zumindest ein Widerstand gegen einen Motorbetrieb der ersten Hydromaschine erhöht werden kann. Der so erzielbare Druckgradient dp/dt ist dann noch größer, die Druckregelung noch dynamischer.
Um die Flexibilität und Dynamik der Druckregelung zu erhöhen, ist in einer Weiterbildung die mit der ersten Hydromaschine gekoppelte Elektromaschine drehzahlvariabel betreibbar.
Eine Weiterbildung des Getriebes weist wenigstens einen elektrischen Hilfsantrieb auf, der von der mit der ersten Hydromaschine gekoppelten Elektromaschine mit elektrischer Energie versorgbar ist. Hilfsantriebe können beispielsweise Stellmotoren sein. Im Falle einer Wellenenergieanlage kann dies beispielsweise ein Azimuth- oder ein sonstiger Stellantrieb sein. Die Hilfsantriebe können beispielsweise translatorische, rotatorische oder schwenkend wirksame Antriebe sein.
In einer Weiterbildung hat das Getriebe eine insbesondere über eine Triebwelle mit der ersten Hydromaschine koppelbare, insbesondere gekoppelte, zweite Hydromaschine, die fluidisch mit einem Hydrospeicher des Getriebes verbindbar ist. So ist der Hydrospeicher in einem motorischen Betrieb der ersten Hydromaschine über die im Pumpenbetrieb arbeitende zweite Hydromaschine mit Druckmittel beschickbar. Auf diese Weise kann beispielsweise die Eingangsleistung bei einem Anstieg über einen oberen Grenzwert gekappt werden und der gekappte Anteil der Eingangsleistung ist im Hydrospeicher über die Zeit als Excess-Energie speicherbar.
In einer Weiterbildung weist das Getriebe wenigstens einen hydraulischen Hilfs- oder Sekundärantrieb auf, der vom Hydrospeicher oder einem von diesem gespeisten Speicherdrucknetz mit Druckmittel versorgbar ist. Dabei ist eine Ventil- oder Pumpensteuerung des Hilfs- oder Sekundärantriebs möglich. Hydraulische Hilfsantriebe können beispielsweise translatorisch, rotatorisch oder schwenkend wirksame Stellmotoren.
In einer Weiterbildung weist die zweite Hydromaschine ein verstellbares Verdrängungsvolumen aufweist, wodurch die Beschickung des Hydrospeichers mit Druckmittel über die zweite Hydromaschine und die damit verbundene Leistungskappung, sowie eine Entspannung des Druckmittels aus dem Hydrospeicher über die zweite Hydromaschine und eine damit verbundene generatorische Erzeugung elektrischer Energie noch flexibler und dynamischer erfolgen können.
Über die erste und zweite Hydromaschine und die damit gekoppelte Elektromaschine ist in einer Weiterbildung ein Hydrotransformator ausgebildet, über den Druckmittelenergie zwischen unterschiedlichen Druckniveaus der Arbeitsleitung und des Hydrospeichers transformierbar ist. So kann beispielsweise bei geeigneter Verstellung der Verdrängungsvolumina der ersten Hydromaschine (Verdrängungsvolumen groß) und zweiten Hydromaschine (Verdrängungsvolumen klein) mit dem Druckmittel der Arbeitsleitung, in der ein vergleichsweise niedriger Druck ansteht, Druckmittel gegen einen vergleichsweise hohen Speicherdruck in den Hydrospeicher gefördert werden.
In einer Weiterbildung ist wenigstens eine der beiden Hydromaschinen des Hydrotransformators als Schnelldreher ausgestaltet.
Die erste Hydromaschine dient in einer Weiterbildung insbesondere dem Ausregeln dynamischer Druckänderungen der ersten Arbeitsleitung.
Die zweite Hydromaschine dient in einer Weiterbildung insbesondere einer Leistungsglättung an der gekoppelten Elektromaschine und zur Speisung des Hydrospeichers und zur Rekuperation der dort gespeicherten Druckmittelenergie. Hierzu ist über die zweite Hydromaschine Druckmittel aus dem Hydrospeicher, insbesondere hin zu einer Druckmittelsenke des Getriebes, insbesondere in eine zumindest mit der ausgangsseitigen Hydromaschine verbundene Niederdruckleitung, entspannbar.
In einer Weiterbildung sind zumindest die erste Hydromaschine, die wenigstens eine eingangsseitige und die wenigstens eine ausgangsseitige Hydromaschine über die Arbeitsleitung und eine Druckmittelsenke des Getriebes fluidisch parallel verbindbar, insbesondere verbunden.
In einer Weiterbildung hat das Getriebe eine Druckbegrenzungseinheit, die auf verschiedene Sollwerte einstellbar oder voreinstellbar ist und / oder die im laufenden Betrieb auf verschiedene Sollwerte verstellbar ist, und die mit der Arbeitsleitung verbindbar, insbesondere verbunden ist.
In einer Weiterbildung hat das Getriebe eine Steuereinheit, über die das Verdrängungsvolumen und / oder eine Drehzahl der ersten Hydromaschine zur Regelung des Drucks oder eines Eingangsdrehmomentes verstellbar ist.
Um die Regelung des Drucks der Arbeitsleitung energetisch optimieren zu können, sind in einer Weiterbildung in der Steuereinheit ein Kennfeld eines Wirkungsgrades einer Rekuperationseinheit, die zumindest die erste Hydromaschine, die mit ihm gekoppelte Elektromaschine, die zweite Hydromaschine und den Hydrospeicher umfasst, und ein Kennfeld eines Wirkungsgrades der Druckbegrenzungseinheit abgelegt.
Um die Regelung des Drucks der Arbeitsleitung wirkungsgradoptimiert durchführen zu können, ist in einer Weiterbildung in der Steuereinheit eine Vergleichsprozedur der beiden Wirkungsgrade zur Ausführung gespeichert, wobei die Steuereinheit derart ausgestaltet ist, dass über sie in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Vergleichsprozedur der Druck oder das Eingangsdrehmoment über die Steuereinheit wahlweise über die Druckbegrenzungseinheit oder über die Rekuperationseinheit regelbar ist.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit der Druck oder das Eingangsdrehmoment in Abhängigkeit einer Ausgangsdrehzahl der wenigstens einen ausgangsseitigen Hydromaschine regelbar. Auf diese Weise kann eine statische und dynamische Überlastung der mit der wenigstens einen ausgangsseitigen Hydromaschine gekoppelten Elektromaschine vermieden werden.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit der Druck oder das Eingangsdrehmoment in Abhängigkeit einer Eingangsdrehzahl und / oder eines Eingangsdrehmomentes der wenigstens eingangsseitigen Hydromaschine regelbar. Auf diese Weise kann eine zu hohe Eingangsleistung erkannt und zum Schutz der ausgangsseitigen Elektromaschinen gegen statische oder dynamische Überlast ausgeregelt werden.
Eine regenerative Energiewandlungsanlage zur Wandlung einer auf einer Naturkraft basierenden Eingangsleistung, insbesondere eine Windenergieanlage, eine Wellenenergieanlage oder eine Strömungsenergieanlage, hat ein Getriebe, das gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche ausgestaltet ist. Durch die mechanische Entkopplung der für die Druckregelung vorgesehenen Hydromaschine von den für die Leistungsübertragung vorgesehenen Hydromaschinen kann die Druckregelung und damit die Regelung eines Eingangsdrehmomentes des Getriebes, unabhängig von der Leistungsübertragung konzipiert und betrieben werden. Dadurch ist das Eingangsdrehmomentes mit hoher Flexibilität und Dynamik regelbar.
In einer Weiterbildung ist die Energiewandlungsanlage als Wind- oder Wellenenergiekonverter, insbesondere als linear oszillierender Wellenenergiekonverter, als Gezeitenströmungsanlage oder als Windkraftanlage ausgestaltet. Auch möglich ist der Einsatz in einem Schaufelradbagger oder Schaufelradlader. Zur Übertragung der Eingangsleistung ans Getriebe ist dann eine Triebwelle der wenigstens einen eingangsseitigen Hydromaschine mit einer Rotorwelle des Wind- oder Wellenenergiekonverters oder mit einer Stange des linear oszillierenden Wellenenergiekonverters oder mit einer Rotorwelle der Gezeitenströmungsanlage oder mit einer Rotorwelle der Windkraftanlage gekoppelt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen regenerativen Energiewandlungsanlage mit einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe in einer Zeichnung näher erläutert.
Gemäß der Figur ist eine regenerative Energiewandlungsanlage 1 als Wellenenergiekonverter ausgestaltet. Der Wellenenergiekonverter 1 hat einen Rotor 2 mit Kopplungskörpern 4, die in ein Meeresgebiet unter Wasser getaucht sind. Der Wellenenergiekonverter 1 hat des Weiteren ein hydrostatisches Getriebe 6 mit einer Triebwelle oder Getriebeeingangswelle 8 und zwei Triebwellen oder Getriebeausgangswellen 10. Drehfest mit der Getriebeeingangswelle 8 verbunden sind zwei eingangsseitige Hydromaschinen 12. Drehfest mit jeder der Getriebeausgangswellen 10 ist jeweils eine der ausgangsseitigen Hydromaschinen 14. Die eingangsseitigen Hydromaschinen 12 sind in fluidischer Parallelschaltung über eine Arbeitsleitung 16 mit den ebenfalls fluidisch parallel geschalteten ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 verbunden. Entsprechend sind die ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 über eine Niederdruckleitung 18 des Getriebes 6 in einem hydraulischen Kreis mit den eingangsseitigen Hydromaschinen 12 verbunden.
Das Getriebe 6 hat eine Schaltventileinrichtung 20, über die die Hydromaschinen 12, 14 wahlweise in einem offenen oder einem geschlossen hydraulischen Kreislauf miteinander verbindbar sind. Die Schaltventileinrichtung 20 ist dabei in der Niederdruckleitung 18 angeordnet.
Die ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 sind über ihre jeweilige Triebwelle 10 mit einer generatorisch und motorisch betreibbaren Elektromaschine 22 gekoppelt, die mit einem Stromnetz 24 verbunden sind.
Zum Augleich von Leckage des hydrostatischen Getriebes 6 hat dieses eine motorisch antreibbare Speisepumpe 26. Über diese kann über ein 3/2-Wegeschaltventil 27 Druckmittel in die den Niederdruck führende der Leitungen 16, 18 eingespeist werden. Hierzu ist die Speisepumpe 26 mit einem geschlossenen Tank T als Druckmittelreservoir fluidisch verbunden.
Das hydrostatische Getriebe 6 weist des Weiteren Filter 28 und einen Kühler 30 auf, über die das von der Speisepumpe 26 geförderte Druckmittel gefiltert und zum Anderen rückgekühlt werden kann.
Des Weiteren hat das hydrostatische Getriebe 6 einen Hydrotransformator 32 mit einer erste Hydromaschine 34, die zusammen mit einer zweiten Hydromaschine 36 über eine Triebwelle 38 mit einer generatorisch und motorisch betreibbaren Elektromaschine 40 gekoppelt ist. Der Hydrotransformator 32 weist somit im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest die Hydromaschinen 34, 36, die Triebwelle 38 und die Elektromaschine 40 auf. Die Elektromaschine 40 ist wiederum an das Netz 24 angeschlossen.
Die erste Hydromaschine 34 ist zum Einen mit der Arbeitsleitung 16 und zum Anderen mit der Niederdruckleitung 18 verbunden. Die zweite Hydromaschine 36 ist zum Einen mit einem Hydrospeicher 42 und zum Anderen mit der Niederdruckleitung 18 verbunden. Beide Hydromaschinen 34, 36 sind mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet. Die Hydromaschinen 34, 36 sind durchschwenkbar ausgestaltet, und können jeweils im Vierquadrantenbetrieb betrieben werden. Die erste Hydromaschine 34 ist zu den eingangsseitige Hydromaschinen 12 und den ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 in fluidisch paralleler Schaltung mit der Arbeitsleitung 16 und der Niederdruckleitung 18 verbunden. Die Elektromaschine 40 ist drehzahlvariabel betreibbar.
Zwischen der Arbeitsleitung 16 und der ersten Hydromaschine 34 zweigt eine Druckmittelleitung 44 ab, die in eine die zweite Hydromaschine 36 und den Hydrospeicher 42 verbindende Druckmittelleitung 46 einmündet. In der Druckmittelleitung 44 ist ein verstellbares Druckbegrenzungsventil 56 angeordnet, über das ein Druck in der Arbeitsleitung 16 begrenzbar ist und Druckmittel aus der Druckmittelleitung 44 hin zum geschlossenen Tank T abführbar ist. Von der Druckmittelleitung 46 zweigt eine Druckmittelleitung 48 ab, über die hydraulische Hilfsantriebe (nicht dargestellt) des Wellenenergiekonverters 1 mit Druckmittel versorgbar sind. Das hydrostatische Getriebe 6 hat eine Druckmittelleitung 54, die zur Druckmittelleitung 48 als Rücklauf dient. Die Druckmittelleitung 54 mündet dabei in die Niederdruckleitung 18 ein.
Jede der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen 12, 14 weist eine Umgehungsleitung 50 auf, über die ihr Druckmitteleingang mit ihrem Druckmittelausgang fluidisch verbindbar ist. In der Umgehungsleitung 50 ist dabei eine Ventileinrichtung 52 vorgesehen, über die die genannte Druckmittelverbindung zu- und aufsteuerbar ist. Über die Umgehungsleitung 50 ist somit die betreffende Hydromaschine 12, 14 wahlweise in einen freien Umlauf schaltbar, und so von der Leistungsübertragung des hydrostatischen Getriebes 6 entkoppelbar.
Die Hydromaschinen 12, 14 sind jeweils als Radialkolbenmaschine mit konstantem Verdrängungsvolumen ausgestaltet. Dadurch ist ein Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes 6 durch die vorgegebenen Verdrängungsvolumina der Hydromaschinen 12, 14 vorgegeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt das Übersetzungsverhältnis etwa 20. Die Hydromaschinen 12 sind dementsprechend als Langsamläufer und die Hydromaschinen 14 als Mittelschnellläufer ausgestaltet, was gegenüber herkömmlichen, schnelllaufenden Axialkolbenmaschinen einen Wirkungsgradvorteil darstellt.
In einem Betrieb des Wellenenergiekonverters 1 ist der Rotor 2 mit den Kopplungskörpern 4 in die Meeresregion eingetaucht. Aus der bei vorhandener Dünung vorliegenden Orbitalströmung der Wasserpartikel resultiert eine Kraft an den Kopplungskörpern 4, die den Rotor 2 in Rotation versetzt. Dem entsprechend wird ein Eingangsdrehmoment M_E an die Getriebeeingangswelle 8 übertragen, wodurch über die eingangsseitigen, dann im Pumpenbetrieb arbeitenden, Hydromaschinen 12 Druckmittel aus der Niederdruckleitung 18 in die Arbeitsleitung 16 gefördert wird.
Über die Arbeitsleitung 16 strömt das Druckmittel zu den ausgangsseitigen, im Motorbetrieb arbeitenden Hydromaschinen 14 und wird über diese in die Niederdruckleitung 18 entspannt. Die dabei gewandelte hydraulische Leistung wird an den Getriebeausgangswellen 10 abgegriffen und versetzt die generatorisch arbeitenden Elektromaschinen 22 in Drehung. Entsprechend wird elektrische Energie in das elektrische Netz 24 eingespeist.
Naturgemäß ist aufgrund der unregelmäßigen Naturkraft der Meereswelle das Eingangsdrehmoment M_E an der Getriebeeingangswelle 8 variabel. Ungeregelt ergibt dies eine wiederkehrende Beschleunigung und Abbremsung des Rotors 2, was den Wirkungsgrad des Wellenenergiekonverters 1 negativ beeinflusst. Ziel des hydrostatischen Getriebes 6 ist es im gezeigten Ausführungsbeispiel daher, das Eingangsdrehmoment M_E an der Getriebeeingangswelle 8 gemäß der Vorgabe einer Betriebsführung einzuregeln. Je nach Betriebsstrategie und Betriebszustand kann die Regelung dabei beispielsweise das Ziel haben, das Eingangsdrehmoment M_E konstant zu halten oder es einem zeitlichen Sollprofil nachzuregeln.
Als Regelgröße dient hierzu der Druck in der Arbeitsleitung 16, da dieser das Drehmoment an der Getriebeeingangswelle 8 bestimmt. Zu diesem Zweck weist das hydrostatische Getriebe 6 die erste Hydromaschine 34 mit verstellbarem Verdrängungsvolumen auf.
Zur Erfüllung der Regelaufgabe weist das hydrostatische Getriebe 6 eine Steuereinheit 58 auf. Diese ist über eine Signalleitung 60 mit einer Verstelleinrichtung des Druckbegrenzungsventils 56 verbunden. Über aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich angedeutete Signalleitungen 62 und 64 ist die Steuereinheit 58 jeweils mit einer Verstelleinrichtung der ersten Hydromaschine 34 und der zweiten Hydromaschine 36 verbunden. Des Weiteren ist die Steuereinheit 58 über aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich angedeutete Signalleitungen 66 bis 72 jeweils mit einer der Ventileinrichtungen 52 verbunden. Über weitere Signalleitungen ist die Steuereinheit 58 mit der Schaltventileinrichtung 20 und den Elektromaschinen 22 und 40 verbunden.
In einem bestimmungsgemäßen Betrieb wird vom Rotor 2 das Eingangsdrehmoment M_E an die Getriebeeingangswelle 8 und damit an die eingangsseitigen Hydromaschinen 12 übertragen. Diese fördern aus der Niederdruckleitung 18 Druckmittel in die Arbeitsleitung 16 hin zu den ausgangsseitigen Hydromaschinen 14. Dementsprechend stellt sich in der Arbeitsleitung 16 ein Druck oder Arbeitsdruck p ein. Aufgrund der naturgemäßen Schwankung des Eingangsdrehmomentes M_E wird ohne Regeleingriff der Rotor 2 im Betrieb permanent beschleunigt und abgebremst, was die Energieausbeute des Wellenenergiekonverters 1 reduziert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel und zum momentanen Betriebszustand soll nun Ziel der Betriebsführung sein, das Eingangsdrehmoment M_E gemäß der Betriebsführung einzuregeln. Dies wird durch die Regelung des Druckes p in der Arbeitsleitung 16 erreicht.
Hierzu ist in der Steuereinheit 58 ein Sollwert für das Eingangsdrehmoment M_E und ein dem entsprechender Sollwert für den Arbeitsdruck p vorgegeben. Über eine nicht dargestellte Druckerfassungseinheit wird der Arbeitsdruck p permanent erfasst und an die Steuereinheit 58 gemeldet. Dort erfolgt ein Abgleich gegen den Sollwert und in Abhängigkeit des Ergebnisses wird das Verdrängungsvolumen der ersten Hydromaschine 34 verstellt. Wird das Verdrängungsvolumen oder Schluckvolumen der ersten Hydromaschine 34 im generatorischen Betrieb des Hydrotransformators 32 vergrößert, so sinkt dementsprechend der Druck p in der Arbeitsleitung 16. Umgekehrt, bei Verringerung des Verdrängungs- oder Schluckvolumens der ersten Hydromaschine 34, steigt der Druck p an. Die motorisch arbeitende erste Hydromaschine 34 treibt über die Triebwelle 38 die Elektromaschine 40 in generatorischer Weise an, so dass letztgenannte elektrische Energie in das Elektronetz 24 speist. Zudem kann die bei der derartigen Druckregelung abgeführte Druckmittelenergie genutzt werden, um Druckmittel aus der Niederdruckleitung 18 über die zweite Hydromaschine 36 in den Hydrospeicher 42 zu fördern. Ist dies gewünscht oder notwendig, so erfolgt dies über die Steuereinheit 58, die das Verdrängungsvolumen der zweiten Hydromaschine 36, in diesem Fall deren Fördervolumen, entsprechend einstellt. Dabei berücksichtig die Steuereinheit 58 den Umstand, dass der Druck p in der Arbeitsleitung 16 durchaus kleiner als der Speicherdruck im Hydrospeicher 42 sein kann. Dem entsprechend wird das Verdrängungsvolumen der zweiten Hydromaschine 36 kleiner oder bedeutend kleiner als dasjenige der ersten Hydromaschine 34 eingestellt.
Wird wie bereits erwähnt über die erste Hydromaschine 34 der Druck p in der ersten Arbeitsleitung 16 und damit das Eingangsdrehmoment M_E geregelt, so dient die zweite Hydromaschine 36 dem Speichern der dabei anfallenden Exzess-Druckmittelenergie.
Umgekehrt kann die im Hydrospeicher 42 gespeicherte Exzess-Druckmittelenergie wieder freigegeben werden, indem zum Einen Druckmittel über die Druckmittelleitung 48 hin zu den bereits erwähnten Hilfsantrieben des Wellenenergiekonverters 1 gefördert wird. Zum Anderen kann über die zweite Hydromaschine 36, indem diese in den Motorbetrieb übergeht, hydraulische Exzessenergie über die mit der zweiten Hydromaschine 36 gekoppelte Elektromaschine 40 im generatorischen Betrieb gewandelt und als elektrische Energie ins elektrische Netz 24 eingespeist werden.
Ein Regelfall ist beispielsweise, dass der Druck p in der Arbeitsleitung 16 bereits an seinem maximal zulässigen Wert ist. Dem entsprechend ist das Eingangsdrehmoment M_E auch maximal. Die Steuereinheit 58 muss nun verhindern, dass dieser Wert weiter überschritten wird. Aufgrund der Unberechenbarkeit der am Rotor 2 angreifenden Wellenkraft kommt es nun aber dennoch zu einer Erhöhung der Eingangsdrehzahl n_E des Rotors 2. Würde diese Drehzahlerhöhung über die Arbeitsleitung 16 ungehindert an die ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 weitergegeben, so könnte beispielsweise eine Nenndrehzahl oder Grenzdrehzahl der Elektromaschinen 22 überschritten und deren Überlast drohen. Ebenso kann sich als kritisch erweisen, wenn der Betrag der Drehzahländerung der Eingangsdrehzahl n_E einen zu großen zeitlichen Gradienten dn_E/dt aufweist, so dass die Elektromaschinen 22 übermäßig abgebremst oder beschleunigt und dadurch übermäßig belastet würden.
Der Drehzahlerhöhung des Rotors 2 und dem dabei auftretenden Exzessvolumenstrom Q_ex wird von der Steuereinheit 58 durch eine Vergrößerung des Verdrängungs- oder Schluckvolumens der ersten Hydromaschine 34 entgegengewirkt. Entsprechend wird der aus der erhöhten Drehzahl resultierende Exzessvolumenstrom Q_ex nicht auf die ausgangsseitigen Hydromaschinen 14 geleitet, sondern stellt einen Eingangsvolumenstrom für den Hydrotransformator 32 dar. Anders ausgedrückt, wird ein Exzessanteil P_ex der Eingangsleistung P_E vom von der Arbeitsleitung 16 gebildeten hydraulischen Kreis abgezweigt und zum Betrieb des Hydrotransformators 32 genutzt. Je nach Betriebskonzept des Wellenenergiekonverters 1 kann mit der so abgezweigten hydraulischen Leistung P_ex, wie bereits erwähnt, der Hydrospeicher 42 mit Druckmittel zur späteren Energieregeneration befüllt werden und/oder ins elektrische Netz 24 über die Elektromaschine 40 Energie eingespeist werden.
In der Steuereinheit 58 ist darüber hinaus eine Wirkungsgradbetrachtung zur Ausführung gespeichert, in Abhängigkeit von deren Ergebnis die Druckregelung entweder mittels dem Hydrotransformator 32 oder das Druckbegrenzungsventil 56 erfolgt. Dabei ist in der Steuereinheit 58 für den Hydrotransformator 32 in Zusammenwirken mit dem Hydrospeicher 42 einerseits und das Druckbegrenzungsventil 56 andererseits je ein Kennfeld eines mit der Wandlung der Exzessleistung P_ex verbundenen Wirkungsgrades hinterlegt. In Abhängigkeit des Ergebnisses erfolgt die Wandlung der Exzessleistung P_ex dann entweder über das Druckbegrenzungsventil 56 oder über den Hydrotransformator 32 in Zusammenwirken mit dem Hydrospeicher 42 (beide können als Rekuperationseinheit bezeichnet werden). Je nachdem welche Regelstrategie sich nach der Wirkungsgradbetrachtung für den Gesamtwirkungsgrad des Wellenenergiekonverters 1 als vorteilhaft erweist, wird die Exzessleitung P_ex also entweder über das Druckbegrenzungsventil 56 hin zum geschlossenen Tank T abgedrosselt oder über den Hydrotransformator 32 in elektrische Energie gewandelt und/oder als hydraulische Rekuperationsenergie im Hydrospeicher 42 gespeichert.
Offenbart ist ein hydrostatisches Getriebe zur Übertragung oder Wandlung einer insbesondere auf einer Naturkraft basierenden, insbesondere dynamischen Eingangsleistung mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen Hydromaschine, die über eine Arbeitsleitung fluidisch verbunden sind. Dabei ist eine mit der Arbeitsleitung fluidisch verbindbare, erste Hydromaschine mit verstellbaren Verdrängungsvolumen vorgesehen, über deren Verstellung ein Druck der Arbeitsleitung regelbar ist. Erfindungsgemäß ist die erste Hydromaschine von den eingangs- und ausgangsseitigen Hydromaschinen mechanisch entkoppelt.
Offenbart ist weiterhin eine regenerative Energiewandlungsanlage mit einem derartigen Getriebe.
Bezugszeichenliste

1: regenerative Energiewandlungsanlage
2: Rotor
4: Kopplungskörper
6: hydrostatisches Getriebe
8: Getriebeeingangswelle
10: Getriebeausgangswelle
12: eingangsseitige Hydromaschine
14: ausgangsseitige Hydromaschine
16: Arbeitsleitung
18: Niederdruckleitung
20: Schaltventileinrichtung
22: Elektromaschine
24: elektrisches Netz
26: Speisepumpe
27: 3/2-Wegeschaltventil
28: Filter
30: Kühler
32: Hydrotransformator
34: erste Hydromaschine
36: zweite Hydromaschine
38: Triebwelle
40: Elektromaschine
42: Hydrospeicher
44: Druckmittelleitung
46: Druckmittelleitung
48: Druckmittelleitung
50: Umgehungsleitung
52: Ventileinrichtung
54: Druckmittelleitung
56: Druckbegrenzungsventil
58: Steuereinheit
60: Signalleitung
62: Signalleitung
64: Signalleitung
66: Signalleitung
68: Signalleitung
70: Signalleitung
72: Signalleitung
P_E: Eingangsleistung
M_E: Eingangsdrehmoment
n_E: Eingangsdrehzahl
P_ex: Exzessleistung
Q_ex: Exzessvolumenstrom
p: Druck, Arbeitsdruck
P_A: Ausgangsleistung
n_A: Ausgangsdrehzahl

Claims

Hydrostatisches Getriebe zur Übertragung oder Wandlung einer insbesondere auf einer Naturkraft basierenden, insbesondere dynamischen Eingangsleistung (P_E), wobei das Getriebe (6) wenigstens eine eingangsseitige Hydromaschine (12) hat, auf die die Eingangsleistung (P_E), oder zumindest ein Anteil davon, übertragbar ist, und wobei das Getriebe (6) wenigstens eine ausgangsseitige Hydromaschine (14) hat, die über eine Arbeitsleitung (16) des Getriebes (6) fluidisch mit der eingangsseitigen Hydromaschine (12) verbindbar ist, und die zur Übertragung einer Ausgangsleistung (P_A) des Getriebes (6), oder zumindest eines Anteils davon, mit einer ausgangsseitigen Elektromaschine (22) koppelbar ist, wobei eine mit der Arbeitsleitung (16) fluidisch verbindbare, erste Hydromaschine (34) mit verstellbaren Verdrängungsvolumen vorgesehen ist, über deren Verstellung ein Druck (p) der Arbeitsleitung (16) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hydromaschine (34) von den eingangs- und ausgangsseitigen Hydromaschinen (12, 14) mechanisch entkoppelt ist.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Hydromaschinen (12, 14) ein konstantes Verdrängungsvolumen aufweist.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Hydromaschine (34) mit einer Elektromaschine (40) gekoppelt ist, die generatorisch und / oder motorisch betreibbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mit der ersten Hydromaschine (34) koppelbaren, zweiten Hydromaschine (36), die fluidisch mit einem Hydrospeicher (42) des Getriebes (6) verbindbar ist.
Getriebe nach Anspruch 4, wobei die zweite Hydromaschine (36) ein verstellbares Verdrängungsvolumen aufweist.
Getriebe nach Anspruch 4 oder 5, wobei über die zweite Hydromaschine (36) Druckmittel aus dem Hydrospeicher (42) entspannbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die erste (34), die wenigstens eine eingangsseitige (12) und die wenigstens eine ausgangsseitige Hydromaschine (14) über die Arbeitsleitung (16) und eine Druckmittelsenke (T) des Getriebes (6) fluidisch parallel verbindbar sind.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Druckbegrenzungseinheit (56), die einstellbar und / oder verstellbar ist, und die mit der Arbeitsleitung (16) verbindbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuereinheit (58), über die das Verdrängungsvolumen und / oder eine Drehzahl der ersten Hydromaschine (34) zur Regelung des Drucks (p) oder eines Eingangsdrehmomentes (M_E) verstellbar ist.
Getriebe nach den Ansprüchen 3, 4, 8 und 9, wobei in der Steuereinheit (58) ein Kennfeld eines Wirkungsgrades einer Rekuperationseinheit, die die erste Hydromaschine (34), die damit gekoppelte Elektromaschine (40), die zweite Hydromaschine (36) und den Hydrospeicher (42) umfasst, und ein Kennfeld eines Wirkungsgrades der Druckbegrenzungseinheit (56) abgelegt sind.
Getriebe nach Anspruch 10, wobei in der Steuereinheit (58) eine Vergleichsprozedur der beiden Wirkungsgrade zur Ausführung gespeichert ist, und wobei in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Vergleichsprozedur der Druck (p) oder das Eingangsdrehmoment (M_E) über die Steuereinheit (58) mittels der Druckbegrenzungseinheit (56) oder mittels der Rekuperationseinheit regelbar ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei über die Steuereinheit (58) der Druck (p) oder das Eingangsdrehmoment (M_E) in Abhängigkeit einer Ausgangsdrehzahl (n_A) der wenigstens einen ausgangsseitigen Hydromaschine (14) regelbar ist
Getriebe nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei über die Steuereinheit (58) der Druck (p) oder das Eingangsdrehmoment (M_E) in Abhängigkeit einer Eingangsdrehzahl (n_E) der wenigstens einen eingangsseitigen Hydromaschine (12) regelbar ist.
Regenerative Energiewandlungsanlage mit einem hydrostatischen Getriebe (6), das gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche ausgestaltet ist.
Energiewandlungsanlage nach Anspruch 14, wobei mit einer Triebwelle (8) der wenigstens einen eingangsseitigen Hydromaschine (14) ein Rotor eines Wind- oder Wellenenergiekonverters, eine Stange eines linear oszillierenden Wellenenergiekonverters, ein Rotor einer Gezeitenströmungsanlage oder ein Rotor einer Windkraftanlage gekoppelt ist.