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Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine mit einem Leitapparat. Bei der Wasserkraftmaschine kann es sich um eine Turbine oder Pumpturbine vom Typ Francis oder Kaplan handeln.
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Leitapparate für Wasserkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine gewöhnliche Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von drehbar gelagerten Leitschaufeln, einen drehbar gelagerten Regelring und wenigstens einen Linearmotor zum Betätigen des Leitapparates. Dabei ist jede Leitschaufel mit jeweils einem Hebel und einem Lenker mit dem Regelring verbunden. Die Verstellung des Leitapparats erfolgt durch eine Drehung des Regelringes um dessen geometrische Achse, welche i.d.R. mit der Drehachse des Laufrades der Wasserkraftmaschine zusammenfällt. Dazu ist der wenigstens einen Linearmotor so mit dem Regelring verbunden, dass er tangential wirkende Kräfte auf den Regelring übertragen kann. Diese Ausführungsform ist auch für sehr große Wasserkraftmaschinen geeignet. Die Schrift
CH 624 734 B offenbart einen solchen Leitapparat, welcher mit nur einem Linearmotor betätigt wird.
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Eine andere bekannte Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von drehbar gelagerten Leitschaufeln, einen Regelring und einen Servomotor zum Betätigen des Leitapparates. Dabei ist jede Leitschaufel mit jeweils einem Hebel mit dem Regelring verbunden. Die Verstellung des Leitapparats erfolgt durch eine laterale Bewegung des Regelringes. Die Schrift
AT 130517 B offenbart einen solchen Leitapparat. Die Verstellung des Leitapparates erfolgt in der gezeigten Ausführungsform über die Verdrehung eines exzentrisch gelagerten Ringes welcher mit einem Balken verbunden ist, welcher entlang einem Durchmesser des Regelringes angeordnet und mit demselben an zwei gegenüberliegenden Punkten befestigt ist. Für die meisten Wasserkraftanlagen erweist sich die in der Schrift
AT 130517 B gezeigte Ausführungsform als nicht anwendbar, da die Anordnung mit exzentrisch gelagerten Ring und zentrisch angeordneten Balken aus Platzgründen nicht realisiert werden kann. Daher wird das Konzept dahingehend abgewandelt, dass die laterale Bewegung des Regelringes durch einen lateral angeordneten Linearmotor bewerkstelligt wird, welcher über eine Lasche an den Regelring angreift. Bei der Betätigung des Leitapparats folgt der Regelring jedenfalls einer Kreisbahn, wobei der Mittelpunkt der Kreisbahn nicht mit dem geometrischen Mittelpunkt des Regelringes zusammenfällt, und wobei der Radius der Kreisbahn durch die Länge der (identischen) Hebel gegeben ist. Dabei wird der Regelring auf der besagten Kreisbahn allein durch die Verbindung des Regelringes mit den Hebeln und dem Linearmotor geführt. Daher wird eine solche Ausführungsform auch als eine Ausführungsform mit „fliegendem“ Regelring bezeichnet. Es bleibt anzumerken, dass sowohl die Verbindung der Hebel als auch des Linearmotors mit dem Regelring über Drehlager erfolgt, da an den Verbindungspunkten der genannten Elemente eine relative Verdrehung dieser Elemente zueinander bei der Verstellung des Leitapparates erforderlich ist. Außerdem ist klar, dass in dieser Ausführungsform die Hebel in jeder Stellung des Leitapparates parallel zueinander ausgerichtet sind.
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In der praktischen Anwendung der Ausführungsform mit fliegendem Regelring hat sich gezeigt, dass sich die bekannte Ausführungsform nur bei relativ kleinen Wasserkraftwerken mit einer Leistung von maximal 20 MW einsetzen lässt. Der Grund für diese Beschränkung liegt darin, dass die Deformation des Regelringes, welche sich bei der Verstellung des Leitapparates einstellt, bei größeren Wasserkraftanlagen in einem nicht tolerierbaren Bereich fallen würde, da die Abmessungen und damit das Gewicht des Regelringes nicht in dem Maße vergrößert werden können, wie es die zu erwartenden Lastfälle erforderlich machen würden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausführungsform mit fliegendem Regelring anzugeben, welche auch für Wasserkraftanlagen mit einer Leistung von über 20 MW eingesetzt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Wasserkraftmaschine mit einem Leitapparat
- 2 Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
- 3 Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung
- 4 Weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung
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1 zeigt eine Wasserkraftmaschine mit einem Leitapparat in einer seitlichen Ansicht. Erfindungsgemäße Wasserkraftmaschinen haben eine Leistung von 20 MW oder mehr. Die in 1 dargestellte Wasserkraftmaschine ist vom Typ Francis. Genauso gut könnte es sich um eine Wasserkraftmaschine vom Typ Kaplan handeln. Ein Leitapparat umfasst eine Vielzahl von drehbar gelagerten Leitschaufeln, von denen eine mit 1 bezeichnet ist.
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2 zeigt eine schematische Detailansicht eines Leitapparates mit fliegendem Regelring in einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist der Leitapparat in einer Ansicht entlang der Drehachse der Wasserkraftmaschine dargestellt. Der Schnittpunkt dieser Drehachse mit der Zeichnungsebene ist in 2 mit einen kleinen Kreuz markiert (es ist das untere der beiden zentral gelegenen Kreuze). Die genannte Drehachse stellt dabei das geometrische Zentrum des Leitapparates dar. D.h. die Leitschaufeln sind um dieses Zentrum herum im gleichen Abstand angeordnet. Eine der Leitschaufeln ist mit 1 bezeichnet. Jede Leitschaufel 1 ist um eine Achse drehbar gelagert ausgeführt. Diese Achsen sind parallel zur Drehachse der Wasserkraftmaschine angeordnet. Diese Achsen liegen ferner auf einem Kreis um die Drehachse der Wasserkraftmaschine. In 2 sind die Achsen der Leitschaufeln 1 mit kleinen Kreuzen markiert. Die Darstellung der 2 zeigt die Leitschaufeln 1 in der geschlossenen Position. Mit jeder Leitschaufel 1 ist ein Hebel verbunden. In 2 sind die Hebel lediglich durch gestrichelte Linien angedeutet. Einer der Hebel ist mit 2 bezeichnet. Die Hebel 2 sind so mit den Leitschaufeln 1 verbunden, dass die Leitschaufeln 1 mit Hilfe der Hebel um die zugehörigen Achsen gedreht werden können. Alle Hebel 2 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet und haben die gleiche Länge. Dadurch liegen die Enden der Hebel 2 auf einem Kreis, welcher sich dadurch ergibt, dass der Kreis, auf dem die Achsen der Leitschaufeln 1 angeordnet sind, um die Hebellänge verschoben wird. Der Mittelpunkt dieses so verschobenen Kreises ist durch das zweite kleine Kreuz angedeutet, welches oberhalb des Kreuzes liegt, welches die Drehachse der Wasserkraftmaschine markiert.
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Zur Betätigung des Leitapparates müssen die Hebel simultan bewegt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Regelringes. In 2 ist der Regelring mit 3 bezeichnet. Die Enden der Hebel 2 sind dabei so mit dem Regelring 3 verbunden, dass sich die Hebel 2 bezüglich des Regelringes 3 verdrehen können. Diese Drehpunkte sind durch die entsprechenden kleinen Kreuze am Ende der Hebel 2 angedeutet. Es ist klar, dass das geometrische Zentrum des Regelringes 3 an der Stelle liegt, welche durch das zweite kleine Kreuz in der Mitte markiert ist.
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Bei der Betätigung des Leitapparates bewegt sich der Regelring 3 entlang einer Kreisbahn. Diese Kreisbahn ist durch den gestrichelten Pfeil angedeutet, welcher an dem geometrischen Zentrum des Regelringes 3 ansetzt. Durch eine Bewegung in Pfeilrichtung wird der Leitapparat geöffnet.
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Die zur Betätigung des Leitapparates notwendige Kraft wird durch einen Linearmotor aufgebracht, welcher mit 4 bezeichnet ist. Dazu ist der Linearmotor 4 auf der einen Seite mit dem Regelring 3 verbunden und stützt sich auf der anderen Seite gegen ein Fundament oder eine geeignete Wand ab. Dabei sind die Verbindungen an den beiden Seiten des Linearmotors 4 drehbar ausgeführt. In 2 greift der Linearmotor 4 mittels einer Lasche an den Regelring 3 an. Der Linearmotor 4 kann vorteilhaft als Hydraulikzylinder oder als elektrischer Linearmotor ausgeführt sein. Der Linearmotor 4 ist außerhalb des Regelringes 3 angeordnet. Im Prinzip könnte der Regelring 3 auch mit mehr als einem Linearmotor betätigt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf Wasserkraftmaschinen mit genau einem Linearmotor zur Betätigung des Leitapparates.
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Die Erfinder haben erkannt, dass das oben geschilderte Deformationsproblem u.a. dadurch verursacht wird, dass die Einleitung der zur Verstellung benötigten Kraft über die dargestellte Lasche zu stark inhomogenen Deformationen des Regelrings führt.
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3 zeigt eine Detailansicht eines Leitapparates mit fliegendem Regelring in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber wurden dabei die Leitschaufeln, die zugehörigen Hebel und der Linearmotor nicht dargestellt. Im Unterschied zur bekannten Ausführungsform gemäß 2 erfolgt die Übertragung der zur Verstellung benötigten Kraft auf den Regelring mittels einer Struktur, welcher mit 5 bezeichnet ist. Dabei ist diese Struktur seitlich vom Regelring 3 angeordnet. Die Phrase „seitlich vom Regelring angeordnet“ ist als „in senkrechter Richtung zur Drehachse der Wasserkraftmaschine lateral vom Regelring angeordnet“ zu verstehen. Die Struktur 5 zur Kraftübertragung ist zwischen dem Regelring 3 und dem Linearmotor 4 angeordnet.
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Die Struktur 5 zur Kraftübertragung umfasst zwei Schenkel, von denen in 3 einer mit 6 bezeichnet ist. Jeweils ein Ende der Schenkel 6 ist mit dem Regelring 3 verbunden. Die beiden anderen Enden der Schenkel 6 sind miteinander verbunden. In der in 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Verbindung der dem Regelring 3 abgewandten Enden der Schenkel 6 durch eine Art Holm, wodurch die Struktur 5 zur Kraftübertragung die Form einer zweizinkigen Gabel erhält. Der Angriffspunkt des Linearmotors an die Struktur 5 zur Kraftübertragung ist an der dem Regelring 3 abgewandten Seite der Struktur 5 zur Kraftübertragung angeordnet.
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Dadurch dass die Einleitung der Kraft über zwei Schenkel erfolgt, ergeben sich bereits geringere Deformationen im Regelring im Vergleich zu der Einleitung mit einer einzelnen Lasche. Damit die Deformationen aber klein genug werden, ist jedoch noch eine weitere Bedingung zu erfüllen. Diese betrifft eine Einflussgröße, welche durch den Abstand der beiden Schenkel in Relation zum Durchmesser des Regelringes gegeben ist. Für diese Einflussgröße können verschiedene Parameter definiert werden. Im Folgenden wird der ein Parameter verwendet, der durch das Verhältnis W/D gegeben ist. Dabei ist D der Durchmesser des Kreises, welcher durch die Drehachsen der Verbindungen zwischen den Hebeln 2 und dem Regelring 3 verläuft (sieh der gestrichelt gezeichnete Kreis in den 3 und 4). W ist der Abstand zwischen den beiden am weitesten außen liegenden Berührungspunkten zwischen den Schenkeln 6 und dem Regelring 3. Diese Punkte und der zugehörige Abstand W werden so gefunden: Man verbindet das geometrische Zentrum des Regelringes und dem Angriffspunkt des Linearmotors an der Struktur 5 zur Kraftübertragung mit einer ersten Linie. Man zeichnet zwei parallele Linien zur ersten Linie, welche durch die am weitesten außen liegenden Berührungspunkte der Schenkel 6 mit dem Regelring 3 gehen. W ist dann der (senkrechte) Abstand zwischen den beiden letztgenannten Linien (siehe gestrichelte Linien in den 3 und 4). Aus dem Gesagten geht hervor, dass W von der Lage des Angriffspunktes des Linearmotors an der Struktur 5 zur Kraftübertragung abhängt. W ist daher ein Maß für die wirksame Weite der Struktur 5 zur Kraftübertragung. Im Folgenden wird daher W als wirksame Weite der Struktur 5 zur Kraftübertragung bezeichnet.
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Die Erfinder haben erkannt, dass die Deformationen des Regelringes dann ausreichend klein werden, wenn das Verhältnis W/D größer oder gleich 0,5 ist.
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Es ist zu erwähnen, dass die Struktur zur Kraftübertragung auch mehr als zwei Schenkel umfassen kann. So könnte man in 3 einen weiteren mittleren Schenkel einfügen, so dass die Struktur 5 die Form einer dreizinkigen Gabel erhalten würde. Solche weiteren Schenkel tragen jedoch nicht erheblich zu einer Verringerung der Deformationen bei. Wesentlich effektiver erweist sich hierzu die wirksame Weite W, welche in jedem Fall durch die äußeren beiden Schenkel geben und damit unabhängig von weiteren optionalen zwischenliegenden Schenkeln ist.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung in analoger Darstellung wie in 3. Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 darin, dass die Struktur 5 weniger einer zweizinkigen Gebel gleicht. Vielmehr sind die Schenkel 6 so zueinander orientiert, dass sich eine V-Form ergibt. D.h. die beiden Schenkel 6 sind nicht parallel zueinander angeordnet sondern bilden einen Winkel. Aus 4 geht auch hervor, dass das Verhältnis W/D größer als 1 sein kann.
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Abschließend bleibt zu erwähnen, dass die Struktur 5 zur Kraftübertragung mit dem Regelring 3 aus einem Stück gefertigt sein kann, oder alternativ als separat gefertigtes Bauteil mit dem Regelring 3 durch Schweißen oder mit Bolzen, d.h. geschraubt, verbunden sein kann. Im zweiten Fall (separates Bauteil) kann die Struktur 5 selbst wiederum aus einem Stück gefertigt oder aus mehreren Stücken zusammengeschweißt bzw. zusammengeschraubt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitschaufel
- 2
- Hebel
- 3
- Regelring
- 4
- Linearmotor
- 5
- Struktur zur Kraftübertragung
- 6
- Schenkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 624734 B [0002]
- AT 130517 B [0003]
