DE102019117642B3

DE102019117642B3 - Wasserkraftanlage und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102019117642B3
Application number: DE102019117642.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Schabasser
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-07-02

Abstract

Wasserkraftanlage (1) umfassend eine hydraulische Maschine (2) mit einem Regelorgan (3) zum Regulieren der hydraulischen Maschine (2), einem Leitapparat mit einer Vielzahl von Leitschaufeln (4), welche mit dem Regelorgan (3) verbunden sind, und wenigstens einen elektrischen Aktuator (5) zum Betätigen des Regelorganes (3), wobei der elektrische Aktuator (5) mit dem Regelorgan (3) verbunden ist, und wobei der elektrische Aktuator (5) einen elektrischen Motor (6), einen Antriebsstrang (7) und eine Bremse (8) umfasst, wobei der elektrische Motor (6) mit dem Antriebsstrang (7) verbunden ist, und die Bremse (8) so gestaltet ist, dass dieselbe über eine erste sicher gehaltene Position verfügt, in welcher sie den Antriebsstrang (7) blockiert, ohne dass dafür Fremdenergie aufgewandt werden muss, wobei die Bremse über eine zweite sicher gehaltene Position verfügt, in welcher sie den Antriebsstrang (7) frei gibt, ohne dass dafür Fremdenergie aufgewandt werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer hydraulischen Maschine und wenigstens einem elektrischen Aktuator, wobei der Aktuator zum Regulieren der hydraulischen Maschine verwendet wird. Dazu umfasst die hydraulische Maschine eine Vielzahl von Schaufeln und ein Regelorgan zum Schwenken der Schaufeln, wobei der bzw. die Aktuatoren zum Betätigen des Regelorgans mit demselben verbunden sind. Bei dem Regelorgan handelt es sich um einen Regelring eines Leitapparates, wobei die hydraulische Maschine vom Typ Francis, Propeller oder Kaplan ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wasserkraftanlage.
Aus dem Stand der Technik sind Wasserkraftanlagen bekannt, bei denen am Regelring des Leitapparates zwei Servomotoren angreifen. Es sei hierzu beispielhaft auf die WO 2016/145541 A1 verwiesen. Diese Schrift offenbart auch die Verwendung von elektrischen Aktuatoren zum Regulieren einer hydraulischen Maschine.
Wasserkraftanlagen unterliegen strengen Sicherheitsbestimmungen. Daher muss in einem Notfall die Anlage zuverlässig stillgesetzt werden können. Dabei muss der Leitapparat geschlossen werden. Bei Verwendung von elektrischen Aktuatoren zur Betätigung des Regelringes kann ein Ausfall der normalen Stromversorgung oder eine Überflutung des Krafthauses dazu führen, dass der Regelring nicht mehr auf normale Weise geschlossen werden kann. Zur Lösung dieses Problems werden in der Regel zusätzliche Notsysteme vorgesehen, die auch in solchen Fällen in der Lage sind, den Leitapparat zu schließen. Die verwendeten elektrischen Aktuatoren umfassen normalerweise einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Gewindespindel. Dabei kann das Getriebe so ausgebildet sein, dass ein zusätzlicher Antrieb das Getriebe antreiben kann, so dass beim Ausfall des Elektromotors der zusätzliche Antrieb dafür sorgen kann, dass der Leitapparat geschlossen wird. Beim zusätzlichen Antrieb kann es sich beispielsweise um eine Wasserturbine oder um einen Gleichstrommotor handeln, wobei der Gleichstrommotor wasserdicht ausgeführt ist und von einer überflutungsgesicherten Gleichstromquelle gespeist wird. Solche Notsysteme sind zwar gut dafür geeignet, den Leitapparat zu schließen, aber weniger gut darin, die Geschlossen-Stellung permanent zu halten. Dies ist jedoch für ein sicheres Stillsetzen der Anlage absolut erforderlich, insbesondere weil Leitapparate oft die Eigenschaft haben, dass sie sich aus der Geschlossen-Stellung wegbewegen, da die Leitschaufeln ein entsprechendes hydraulisches Moment besitzen.
Die Verwendung von elektrischen Aktuatoren mit Selbsthemmung würde zwar dieses Problem lösen, hätte jedoch den Nachteil, dass bei Anlagen mit mehreren elektrischen Aktuatoren zur Betätigung des Regelringes, der Ausfall eines elektrischen Aktuators zu der Situation führen würde, dass die anderen noch funktionstüchtigen Aktuatoren, den Regelring nicht mehr bewegen könnten.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Wasserkraftanlage mit einen Leitapparat anzugeben, welche elektrische Aktuatoren zur Bedienung des Regelringes verwendet, wobei der Leitapparat sicher in der Geschlossen-Stellung gehalten werden kann. Die vorgeschlagene alternative Lösung kann dabei sowohl bei Wasserkraftanlagen mit einem oder mehreren elektrischen Aktuatoren verwendet werden, wobei die Verwendung bei Anlagen mit mehreren elektrischen Aktuatoren besonders vorteilhaft ist, da die erfindungsgemäße Lösung nicht das Problem aufweist, welches bei der Verwendung von Aktuatoren mit Selbsthemmung auftreten würde.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

1 Gattungsgemäße Wasserkraftanlage;
2 Ausschnitt einer gattungsgemäßen Wasserkraftanlage in Draufsicht;
3 Elektrischer Aktuator einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage;
4 Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine gattungsgemäße Wasserkraftanlage gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist die Wasserkraftanlage mit 1 bezeichnet. Die Wasserkraftanlage 1 umfasst eine hydraulische Maschine, welche mit 2 bezeichnet ist. Die hydraulische Maschine 2 umfasst wenigstens ein Regelorgan zum Regulieren der hydraulischen Maschine 2. Dabei ist das schematisch dargestellte Regelorgan mit 3 bezeichnet. Die hydraulische Maschine 2 umfasst eine Vielzahl von Schaufeln, von denen eine mit 4 bezeichnet ist, und welche mit dem Regelorgan 3 verbunden sind. Die hydraulische Maschine 2 umfasst ferner wenigstens einen elektrischen Aktuator zum Betätigen des Regelorganes 3, von denen einer mit 5 bezeichnet ist. Die elektrischen Aktuatoren 5 sind dabei mit dem Regelorgan 3 verbunden. Durch die Betätigung des Regelorganes 3 regulieren die Aktuatoren 5 die hydraulische Maschine 2, indem durch die Betätigung des Regelorgans 3 die Schaufeln 4 geschwenkt werden.
2 zeigt in sehr schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer Wasserkraftanlage gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht. Beim Regelorgan 3 handelt es sich um einen Regelring. Der Regelring 3 ist dabei mit den Leitschaufeln eines Leitapparates verbunden, wobei in 2 nur eine Leitschaufel dargestellt ist, welche mit 4 bezeichnet ist.
3 zeigt in sehr schematischer Darstellung einen elektrischen Aktuator einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Der Aktuator ist mit 5 bezeichnet und umfasst einen elektrischen Motor, welcher mit 6 bezeichnet ist, einen Antriebsstrang, welcher mit 7 bezeichnet ist, und eine Bremse, welche mit 8 bezeichnet ist. Der elektrische Motor 6 ist mit dem Antriebsstrang 7 verbunden und die Bremse 8 ist so gestaltet, dass sie in den Antriebsstrang 7 eingreifen kann, um diesen zu blockieren. Dabei kann das Eingreifen der Bremse 8 in den Antriebsstrang beispielsweise über einen Riegel oder auch über ein Reibelement erfolgen. In jedem Fall muss die Haltekraft der Bremse groß genug sein, um ein ungewolltes Öffnen des Leitapparates zu verhindern, d.h. die Bremse muss in der Halteposition stark genug sein, um den Leitapparat in der Geschlossen-Stellung zu halten. Die Bremse 8 ist ferner so ausgebildet, dass sie den Antriebsstrang 7 blockieren kann, ohne dass dafür Fremdenergie aufgewandt werden muss, d.h. die Bremse 8 verfügt über eine erste sicher gehaltene Position, in welcher sie den Antriebsstrang 7 blockiert.
Der Antriebsstrang 7 umfasst in der Regel ein Getriebe und eine Gewindespindel, welche mit dem Regelring verbunden ist, um denselben zu betätigen. Jedoch sind auch andere Ausführungsformen denkbar, beispielsweise könnte der Antriebsstrang mittels eines Zahnrades mit dem Regelring verbunden sein, um dasselbe zu betätigen. Es sei erwähnt, dass im Sprachgebrauch dieses Dokumentes auch die Welle des Motors 6 zum Antriebsstrang 7 gehört, d.h. die Bremse 8 kann auch in die Welle des Motors 6 eingreifen, um so den Antriebsstrang 7 zu blockieren.
Erfindungsgemäß verfügt die Bremse 8 über eine zweite sicher gehaltene Position, in welcher sie den Antriebsstrang 7 frei gibt. D.h. auch diese zweite Position kann von der Bremse 8 ohne die Aufwendung von Fremdenergie sicher permanent gehalten werden. Diese zweite sichere Position ermöglichet es, dass der Regelring auch nach einem Ausfall des elektrischen Aktuators 5 bewegbar bleibt, was nicht der Fall wäre, wenn die Bremse 8 nur eine sichere Position, nämlich die Halteposition aufweisen würde. Aus dem Gesagten ist auch klar, dass der Antriebsstrang 7 keine Selbsthemmung aufweisen darf.
Die Bereitstellung der beschriebenen Funktionalität der Bremse 8 mit zwei sicher gehaltenen Positionen kann beispielsweise mit Hilfe eines Gewichtes realisiert werden, welches sich in den beiden sicher gehaltenen Positionen der Bremse in einer abgesenkten Lage befindet, wobei das Gewicht beim Umschalten zwischen den beiden Positionen der Bremse über ein dazwischenliegendes „Hindernis“ gehoben werden muss. Eine andere alternative Ausführungsform ist ein Mechanismus, der durch Federkraft betätigt wird. Dazu umfasst die Bremse wenigstens ein Federelement. Dabei liegt zwischen den beiden Endstellungen (d.h. den sicher gehaltenen Positionen) ein instabiler Verzweigungspunkt, sobald dieser in die eine oder andere Richtung überschritten wird, fällt das System automatisch durch Federkraft in die jeweilige Endlage. Derartige Mechanismen werden beispielsweise bei manuellen Weichenantrieben verwendet. Aus dem Gesagten ist auch klar, dass zum Umschalten der Positionen entsprechende Mittel vorgesehen sein müssen, und dass zum Umschalten Fremdenergie aufgewendet werden muss.
4 zeigt das Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Im normalen Betriebszustand befindet sich die Bremse 8 in der zweiten sicheren Position, in der der Antriebsstrang 7 durch die Bremse 8 freigegeben wird. Dieser normale Betriebszustand ist mit V1 bezeichnet. Im Notbetrieb wird der Leitapparat geschlossen. Dieser Vorgang ist mit V2 bezeichnet. Auch während der Ausführung von V2 befindet sich die Bremse 8 in der zweiten sicheren Position. Nach Abschluss des Schließvorgangs V2 wird die Bremse 8 in die erste sichere Position überführt und dadurch der Antriebsstrang 7 blockiert. Dieser Vorgang ist mit V3 bezeichnet.
In seltenen Fällen kann es vorkommen, dass der Leitapparat nicht vollständig geschlossen werden kann, beispielsweise wenn ein eingeklemmter Fremdkörper das Schließen der Schaufeln verhindert. In diesem Fall gilt der Schließvorgang als beendet, wenn die Schaufeln so weit wie möglich geschlossen sind.

Claims

Wasserkraftanlage (1) umfassend eine hydraulische Maschine (2) mit einem Regelorgan (3) zum Regulieren der hydraulischen Maschine (2), einem Leitapparat mit einer Vielzahl von Leitschaufeln (4), welche mit dem Regelorgan (3) verbunden sind, und wenigstens einen elektrischen Aktuator (5) zum Betätigen des Regelorganes (3), wobei der elektrische Aktuator (5) mit dem Regelorgan (3) verbunden ist, und wobei der elektrische Aktuator (5) einen elektrischen Motor (6), einen Antriebsstrang (7) und eine Bremse (8) umfasst, wobei der elektrische Motor (6) mit dem Antriebsstrang (7) verbunden ist, und wobei die Bremse (8) so gestaltet ist, dass dieselbe über eine erste sicher gehaltene Position verfügt, in welcher sie den Antriebsstrang (7) blockiert, ohne dass dafür Fremdenergie aufgewandt werden muss, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse über eine zweite sicher gehaltene Position verfügt, in welcher sie den Antriebsstrang (7) frei gibt, ohne dass dafür Fremdenergie aufgewandt werden muss.
Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Bremse (8) einen Riegel umfasst, mit welchem dieselbe in der ersten sicher gehaltenen Position in den Antriebsstrang (7) eingreift, um denselben zu blockieren.
Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Bremse (8) ein Reibelement umfasst, mit welchem dieselbe in der ersten sicher gehaltenen Position in den Antriebsstrang (7) eingreift, um denselben zu blockieren.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bremse (8) so gestaltet ist, dass die beiden sicher gehaltenen Positionen mit Hilfe von Gewichtskraft realisiert werden.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bremse (8) so gestaltet ist, dass die beiden sicher gehaltenen Positionen mit Hilfe von Federkraft realisiert werden.
Verfahren zum Betrieb einer Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte V1, V2 und V3 umfasst, wobei sich die Wasserkraftanlage (1) im Schritt V1 im Normalbetrieb befindet, und wobei sich die Wasserkraftanlage (1) im Schritt V2 im Notbetrieb befindet, wobei im Schritt V2 der Leitapparat geschlossen wird, und wobei der Schritt V3 nach dem Abschluss des Schließvorgangs in V2 ausgeführt wird, und wobei sich die Bremse (8) während den Schritten V1 und V2 in der zweiten sicher gehaltenen Position befindet und wobei die Bremse (8) im Schritt V3 in die erste sicher gehaltene Position überführt wird.