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Die Erfindung betrifft ein verstellbares Leitschaufelsystem einer Wasserturbine und/oder Wasserpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Viele Bauarten von Wasserturbine besitzen Leitschaufeln, mit denen das einlaufende Wasser in eine optimale Strömungsrichtung versetzt wird, um einen maximalen Wirkungsgrad an einem Läufer zu erreichen und/oder den Läufer auf eine gewünschte Drehzahl bzw. einen gewünschten Drehzahlbereich zu regeln. Dieser Läufer kann ebenfalls verstellbare Schaufeln aufweisen, wie beispielsweise bei einer Kaplanturbine, aber auch nicht verstellbar ausgeführt sein, wie beispielsweise bei einer Propellerturbine oder einer Francisturbine. Die über einen Kreisumfang der Zuleitung des Wassers angeordneten Leitschaufeln können dabei von einer weitgehend radialen Ausrichtung bis zu einer fast tangentialen Stellung verdreht werden, in der das durchströmende Wasser in maximale Rotation versetzt wird und zugleich durch diese Wirbelbildung und die Verengung des Querschnitts die zulaufende Wassermenge verringert wird. Dadurch kann der Läufer weiter mit geringer Leistung, aber dennoch hoher Drehzahl laufen, während die durchströmende Wassermenge verringert ist.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform nach dem Stand der Technik sind die Leitschaufeln im Wesentlichen mit ihrer Drehachse achsparallel zu der Drehachse des Läufers und des darüber angeordneten Generators ausgerichtet. Es gibt aber auch Ausführungsformen, bei denen die Leitschaufeln kegelig oder axial durchströmt werden. Die beschriebenen Leitschaufeln werden auch bei Wasserpumpen als Kreiselpumpen eingesetzt. Insbesondere gibt es Ausführungsformen von Wasserturbinen, die zugleich auch als Pumpen eingesetzt werden können unter Strömungsumkehr.
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Die Leitschaufeln sind dabei oftmals bis zu einem gewissen Maß balanciert aufgehängt, d. h. bei einer Montage an einer Drehwelle befindet sich ein Teil der Fläche der Leitschaufel vor dieser Welle und ein größerer Teil hinter dieser Welle. Bei nicht balancierten Schaufeln, aber auch bei nur teilweise balancierten nimmt mit zunehmender tangentialer Ausrichtung und einem Schließen der Leitschaufeln die durch das Wasser auf die Leitschaufeln wirkende Kraft erheblich zu. Dies trifft umso mehr für große Fallhöhen und hohe Wasserdrücke zu.
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Es ist bekannt, die Drehwellen der einzelnen Leitschaufeln gemeinsam über einen Verstellring anzusteuern, der konzentrisch außerhalb oder innerhalb der Drehwellen der Leitschaufeln angeordnet ist und jeweils über ein Hebelgetriebe mit den Drehwellen der Leitschaufeln verbunden ist.
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Um die großen Drehmomentkräfte der Vielzahl von Leitschaufeln sicher zu überwinden und beherrschen zu können, ist es bekannt, den Verstellring durch einen hydraulischen Antrieb zu verdrehen, beispielsweise indem ein Hydraulikzylinder im Wesentlichen tangential an dem Verstellring angreift und diesen betätigt. Weiterhin ist es bekannt, Drehkolben einzusetzen, die direkt mit dem Verstellring verbunden sind.
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Nachteilig ist jedoch, dass die Dichtigkeit gegenüber dem Hydrauliköl sichergestellt werden muss, damit dieses nicht in das Gewässer gelangen kann. Auch kann keine sehr genaue Steuerung erfolgen.
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Aus der
DE 11 100 99 B ist eine Leitschaufelverstelleinrichtung für Wasserturbinen und -pumpen mit radial oder kegelförmig durchströmten Leitschaufeln bekannt, bei der über Verstellhebel auf den Achsen der Leitschaufeln, Lenker und einen Verstellring die Leitschaufeln verstellt werden können.
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Eine ebensolche Verstellung ist aus der
CH 28 21 85 A bekannt, bei der der Verstellring über Drehkolbenabschnitte hydraulisch angetrieben wird.
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Aus der
AT 16094 B ist eine Leitschaufelverstelleinrichtung für Wasserturbinen mit auf den Achsen der Leitschaufeln angeordneten Verstellhebeln bekannt, die an ihrem Ende Gabeln aufweisen, die von Mitnehmern auf einem Verstellring bewegt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verstellbares Leitschaufelsystem einer Wasserturbine und/oder Wasserpumpe zur Verfügung zu stellen, das die zuvor genannten Nachteile vermeidet und mit dem eine genaue Kraftregelung mit kleinen Verstellschritten möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein verstellbares Leitschaufelsystem einer Wasserturbine und/oder Wasserpumpe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein verstellbares Leitschaufelsystem einer Wasserturbine und/oder Wasserpumpe, bei der Leitschaufeln jeweils mit einer Drehwelle gelagert sind und über einen konzentrisch zu einem Kreis der Drehwellen angeordneten Verstellring gemeinsam verdreht werden können, wenn der Verstellring gedreht wird, indem der Verstellring durch einen Elektromotor über einen Zahnradantrieb oder ein Hebelgetriebe verdreht werden kann.
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Mit einer entsprechenden Getriebeübersetzung kann ein solcher elektrischer Antrieb auch sehr große Drehmomente aufbringen bzw. moderne Motortechniken, beispielsweise asynchron angesteuerte Drehfeldmaschinen, können sehr hohe Drehmomente direkt aufbringen. Weitere Vorteile der vorgeschlagenen Lösung bzw. Pluspunkte sind die Hydraulikfreiheit, die Freiheitsgrade bei der Regelung (Vollwertige Achse) und die Möglichkeit infinitesimal kleiner Verstellschritte sowie einer Kraftregelung. Ein elektrischer Antrieb bietet die Möglichkeit einer viel genaueren Regelung.
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Vorteilhaft weisen die Drehwellen der Leitschaufeln jeweils einen Verstellhebel auf, der über einen Lenker mit dem Verstellring verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist in maximaler Schließstellung der Leitschaufeln der Lenker eine maximale radiale Stellung zu dem Verstellring auf bzw. senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Verstellrings orientierte Stellung auf und der Verstellhebel eine maximal senkrechte Stellung gegenüber dem Lenker.
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Vorteilhaft ist in dieser Position bei einer Bewegung des Verstellrings die Kraft maximal, die durch den Verstellring auf die Leitschaufeln ausgeübt werden kann.
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Der Elektromotor kann über ein Kniehebelgetriebe den Verstellring verdrehen, wobei ein von dem Elektromotor angetriebener Antriebshebel mit einem Antriebslenker verbunden ist, der drehbar mit dem Verstellring verbunden ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung nähert mit zunehmendem Erreichen der Schließstellung der Leitschaufeln das Kniehebelgetriebe sich der maximalen Streckung an, indem der Winkel zwischen Antriebshebel und Antriebslenker 180° zustrebt.
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Vorteilhaft ist es dabei möglich, die Geometrie so auszulegen, dass dieses Kniehebelgetriebe kurz vor der Schließstellung der Leitschaufeln den Verstellring tangential so antreibt, dass die Hebel des Kniehebelgetriebes kurz vor der vollständigen Streckung sind, somit Antriebshebel und Antriebslenker nahe an einer Ausrichtung in einer Linie sind. In diesem Bereich entsteht eine große Drehmomentübersetzung. Dies entspricht einem Kurbetrieb im oberen Totpunkt und wenn der Elektromotor einen großen Winkelbereich überstreicht, wird mit großer Kraftübersetzung nur ein kleiner Weg linear bzw. durch das tangentiale Angreifen ein kleiner Drehweg des Verstellrings erzeugt.
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Vorteilhaft ist der Elektromotor ein Schrittmotor.
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Der Elektromotor kann durch ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe untersetzt sein.
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Durch ein Getriebe in Kombination mit oder alternativ zu einem Schrittmotor können sehr kleine Verstellschritte umgesetzt werden bis hin zu infinitesimal kleinen Stellschritten.
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Die Leitschaufeln können radial durchströmt werden.
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Vorteilhaft kommt ein zuvor beschriebenes verstellbares Leitschaufelsystem bei einer Wasserturbine und/oder Wasserpumpe zum Einsatz, bei der ein Generator und/oder Antriebsmotor eine durch einen Permanentmagnet erregte Maschine ist.
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Basierend auf der Verbindung mit einem Generator des Turbinenläufers, insbesondere einem durch Permanentmagnete erregten, kann aus der elektrischen Maschine der Turbine auch ohne Netz stets Energie für die Regelung der Leitschaufeln entnommen werden. Bei einer freirotierende Maschine, die es beispielsweise nach einer Netztrennung zu drosseln gilt, ist diese immer verfügbar als Speicherenergielieferant, um auch ohne Netz den Leitapparat bzw. das verstellbare Leitschaufelsystem voll zu kontrollieren und zu verstellen.
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Zum Beispiel lässt sich so ein unstatthafter Sunk, ein zu starkes Absinken des Wasserstandes, und das Gegenteil, ein Schwall, vermeiden. Beide Störungen können bei einem Netzausfall bzw. einer unbeabsichtigten Netztrennung und einer frei rotierenden Turbine ohne Leistungsaufnahme unbeabsichtigt auftreten. Dies zu vermeiden ist oftmals erforderlich, um den Auflagen der Behörden zum Betrieb von Kleinwasserkraftwerken und Wasserkraftwerken nachkommen zu können. Vorteilhaft bietet die hier beschriebene Ausführung der Leitschaufeln eine Möglichkeit, auch in einem solchen Fall noch in vollem Umfang zu regeln.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines verstellbaren Leitschaufelsystems in der Hälfte angeschnitten und perspektivisch,
- 2 einen Ausschnitt mit Elektromotor aus der 1 in einer abweichenden Arbeitsstellung,
- 3 in Aufsicht einen Ausschnitt des Verstellrings mit Kniehebelgetriebe und
- 4 den Momenten-Verlauf der Leitschaufeln über den Betriebsbereich.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines verstellbaren Leitschaufelsystems in der Hälfte angeschnitten und perspektivisch. Die Leitschaufeln 1 sind an Drehwellen 2 gelagert, an deren Ende jeweils ein Verstellhebel 3 angeordnet ist. Der Verstellhebel 3 ist jeweils über einen Lenker 4 mit einem Verstellring 5 verbunden.
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Ein Elektromotor 6 verdreht den Verstellring 5 über ein Kniehebelgetriebe 7, das aus einem von dem Elektromotor 6 angetriebenen Antriebshebel 8 und einem Antriebslenker 9 besteht, der mit dem Antriebshebel 8 und an seiner anderen Seite mit einem Halter 10 verbunden ist, der mit dem Verstellring 5 verschraubt ist.
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Dargestellt ist hier eine Arbeitsstellung, in der der Antriebshebel 8 zu dem Antriebslenker 9 einen Winkel nahe im Bereich von 90° aufweist. In diesem Bereich wird zu jedem Stellweg des Elektromotors 6 ein großer Weg in der Verdrehung des Verstellring 5 erzeugt, wenn auch nicht mit maximaler Kraft.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt mit dem Elektromotor 6 aus der 1 in einer abweichenden Arbeitsstellung. Das Kniehebelgetriebe 7 mit dem Antriebshebel 8 und dem Antriebslenker 9 ist in einer gestreckteren Stellung dargestellt.
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Die 3 zeigt in Aufsicht einen Ausschnitt des Verstellrings 5 mit Kniehebelgetriebe 7. Dargestellt ist eine Stellung kurz vor dem maximalen Schließen der Leitschaufeln. Wenn eine Welle 11 des Elektromotors 6 in der 3 weiter im Uhrzeigersinn gedreht wird, strecken sich der Antriebshebel 8 auf der Welle 11 des Elektromotors 6 und der Antriebslenker 9 zu dem Verstellring 5 immer mehr durch. Der Winkel zwischen diesen wird immer näher an 180° und das Kniehebelgetriebe 7 erzeugt zu der Drehung des Elektromotors 6 daher eine immer größere Schubkraft auf den Verstellring 5 bei gleichem Drehmoment des Elektromotors 6.
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Zusätzlich, aber grundsätzlich auch unabhängig davon einsetzbar, erzeugen die Hebelantriebe der Drehwellen 2 der Leitschaufeln 1, von denen in der Aufsicht vier zu sehen sind, mit zunehmendem Weg eine größere Kraft. Wenn der Verstellring 5 durch die Drehung des Elektromotors 6 ebenfalls in der Darstellung der 3 im Uhrzeigersinn gedreht wird, stellt sich mit zunehmendem Weg der an dem Verstellring 5 angeordnete Lenker 4 bei jeder der Leitschaufeln immer mehr radial ein. D. h. der Verstellweg an der Drehwelle 2 der Leitschaufeln 1 wird relativ zu dem Verstellweg des Verstellrings 5 immer kleiner und es findet eine zusätzliche Kraftübersetzung statt. Dies ist jedoch grundsätzlich unabhängig von dem Antrieb des Verstellrings 5 zu sehen. Es wäre auch denkbar, beispielsweise über eine Verzahnung die Drehwellen 2 der Leitschaufeln 1 anzutreiben.
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Wenn der Elektromotor in der Darstellung jedoch gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird und die Leitschaufeln 1 aus der Extremposition des maximalen Schließens sich heraus bewegen, ergibt sich durch die Verdrehung des Verstellrings 5 relativ bald eine Position, in der der Antriebshebel auf der Welle 11 des Elektromotors 6 zu dem Antriebslenker 9 einen Winkel im Bereich von 90° aufweist. Hier kann die Verstellung sehr schnell erfolgen und sind auch die Kräfte auf die Leitschaufeln 1 und somit das erforderliche Drehmoment geringer. Im Extrempunkt des Schließens wird die Drehmoment-Übersetzung immer größer.
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Das Diagramm der 4 zeigt die je Betriebspunkt ausgewerteten hydraulisch wirkenden Leitschaufelmomente einer Ausführungsform in einer Simulationsrechnung. Die über das gesamte Leitschaufelsystem auftretenden Minimal- (mit Rechtecken markiert), und Maximalwerte (mit Dreiecken markiert) der Kräfte auf die verschiedenen Leitschaufeln 1. Ein Mittelwert für alle Leitschaufeln 1 (mit Romben markiert) ist zusätzlich eingezeichnet. Die Tatsache, dass die Minimal- und Maximalwerte nur geringfügig voneinander abweichen, spricht für eine gut ausgelegte Spirale. Das heißt, der Drall am Eintritt in das Leitschaufelsystem, bzw. im Zulauf zu den Leitschaufeln, ist gleichmäßig über den Umfang verteilt. In der Darstellung steht ein positives Vorzeichen für schließendes Moment der Leitschaufeln 1 und ein negatives Vorzeichen für ein die Leitschaufeln 1 öffnendes Moment.
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Das Bild zeigt den Momentenverlauf der Leitschaufeln 1 über den ganzen Betriebsbereich. Im oberen Leistungsbereich, also dem Bereich weit geöffneter Leitschaufeln und eines hohen Volumenstromes, ist teilweise eine Schließtendenz vorhanden und bei Minimallast, folglich bei fast geschlossenen Leitschaufeln das größte Moment erforderlich, um die Leitschaufeln 1 weiter in die Schließstellung zu bewegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1110099 B [0008]
- CH 282185 A [0009]
- AT 16094 B [0010]
