DE102022133500B3

DE102022133500B3 - Wasserkraftmaschine mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln sowie Verfahren zu deren Regelung und Schwingungsüberwachung

Info

Publication number: DE102022133500B3
Application number: DE102022133500.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Jung; Babette Schwarz; Thomas Aschenbrenner
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2022-12-15
Filing date: 2022-12-15
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2042-12-16

Abstract

Wasserkraftmaschine umfassend eine in axialer Richtung bewegliche Stange (7), wenigstens einen Auslegearm (8), wenigstens einen Spalt (9) und wenigstens ein Radarsystem (10), wobei die Stange in einem Hohlraum der Welle (4) angeordnet ist, und wobei der wenigstens eine Auslegearm an der Stange befestigt ist, und wobei der wenigstens eine Auslegearm so durch den wenigstens einen Spalt auskragt, welcher in der Welle angeordnet ist, dass er in senkrechter Richtung zur Rotationsachse über die Welle hinausragt, und wobei die Stange so mit der Mechanik zum Verstellen der Schaufeln (1) verbunden ist, dass ein Verstellen der Schaufeln zu einer axialen Bewegung der Stange führt, und wobei das wenigstens eine Radarsystem so ausgebildet und angeordnet ist, dass es einen ersten Abstand zu einem Teil der Welle und einen zweiten Abstand zu dem wenigstens eine Auslegearm erfassen und an die Steuereinrichtung (12) übermitteln kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln. Solche Laufräder werden auch als Kaplan-Laufräder bezeichnet. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Regelung und zur Schwingungsüberwachung einer solchen Wasserkraftmaschine.
Solche Wasserkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 329 528 A eine solche Wasserkraftmaschine. Ein in der Nabe des Laufrades angeordnetes Getriebe dient zur Verstellung der Schaufelneigung. Das Getriebe wird über eine Schubstange betätigt, welche von einem oberhalb der elektrischen Maschine angeordneten Kraftkolben angetrieben wird. Oberhalb des Kraftkolbens ist eine Schubstange zu einer Rückführungsstange verlängert. Mit Hilfe dieser Rückführungsstange wird die Rückführungsbewegung zu den Steuerungsteilen des Reglers abgeleitet. Bei modernen gattungsgemäßen Wasserkraftmaschinen ist auch der Kraftkolben in der Nabe des Laufrades angeordnet und die Regelung erfolgt über eine Steuereinrichtung, welche üblicherweise als digitaler Regler bezeichnet wird. Für die Regelung der Schaufelneigung wird aber nach wie vor eine Rückführung der Schaufelstellung (engl. feedback) benötigt. Zur Übertragung dieser Information an die Steuereinrichtung sind üblicherweise komplizierte mechanische Konstrukte erforderlich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasserkraftmaschine anzugeben, welche so ausgebildet ist, dass die Feedback-Information über die Schaufelstellung mit geringerem mechanischem Aufwand an die Steuereinrichtung übermittelt werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht zudem die Schwingungsüberwachung der Welle der Wasserkraftmaschine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Gattungsgemäße Wasserkraftmaschine;
2 Detail einer erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform;
3 Schnitt senkrecht zur Drehachse der Ausführungsform gemäß 2;
4 Schnitt senkrecht zur Drehachse einer weiteren Ausführungsform;
5 Schnitt senkrecht zur Drehachse einer weiteren Ausführungsform;
6 Ausführungsform gemäß 2 mit mitdrehendem Radarsystem;
7 Ausführungsform gemäß 2 mit stationärem Radarsystem;
8 Ausführungsform gemäß 5 mit stationärem und redundantem Radarsystem;

1 zeigt eine gattungsgemäße Wasserkraftmaschine in schematischer Darstellung. Die Wasserkraftmaschine umfasst ein Laufrad mit einer Vielzahl von verstellbaren Schaufeln, von denen nur eine dargestellt und mit 1 bezeichnet ist. Die Schaufeln 1 sind an einer Nabe angeordnet, welche mit 2 bezeichnet ist. Innerhalb der Nabe 2 ist die Mechanik zum Verstellen der Schaufeln angeordnet, welche in 2 nur angedeutet wird. Das Laufrad ist an der Nabe 2 mit einer Welle verbunden, welche wiederum mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden ist. Dabei ist die Welle mit 4 und der Rotor mit 5 bezeichnet. Die Welle 4 kann aus einem Stück sein. Gewöhnlich besteht sie jedoch aus zwei Teilwellen, welche in 1 mit 4.1 und 4.2 bezeichnet sind. Dabei wird die Teilwelle 4.1 gewöhnlich als Turbinenwelle oder Laufradwelle, und die Teilwelle 4.2 als Generatorwelle bezeichnet. Das Laufrad rotiert in einem Rohrstück, welches gewöhnlich als Laufradring bezeichnet wird. In 1 ist der Laufradring mit 3 bezeichnet. Der Rotor 5 rotiert in einem Stator, welcher mit 6 bezeichnet ist. Die Rotationsachse ist in Figur durch die gestrichelte Linie angedeutet. Ferner umfasst die Wasserkraftmaschine eine Steuereinrichtung, welche mit 12 bezeichnet ist. Die Steuereinrichtung dient zur Regelung der Schaufelneigung und kann auch zur Überwachung der Wasserkraftmaschine verwendet werden. Diese beiden Funktionen können auch in getrennten Einheiten wahrgenommen werden. Im Rahmen dieses Dokuments wird die Steuereinrichtung 12 als eine übergeordnete Einheit betrachtet, die ggf. zwei oder mehr getrennte oder miteinander verbundene Untereinheiten umfassen kann. Der Laufradring 3, der Stator 6 und die Steuereinrichtung 12 gehören zum stationären System der Wasserkraftmaschine, während alle anderen dargestellten Komponenten zum rotierenden System gehören.
2 zeigt ein Detail einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Es handelt sich um den Bereich, an dem die beiden Teilwellen 4.1 und 4.2 miteinander verbunden sind. An dieser Stelle bilden die beiden Teilwellen einen Flansch. Im hohlen Inneren der Laufradwelle 4.1 ist eine in axialer Richtung bewegliche Stange angeordnet, welche mit 7 bezeichnet ist. Die Stange 7 ist mit der in 2 nicht dargestellten Mechanik zum Verstellen der Schaufeln so verbunden, dass ein Verstellen der Schaufeln 1 zu einer axialen Bewegung der Stange 7 führt. In der dargestellten Ausführungsform ist diese Verbindung durch die nach unten in die Nabe führende dünnere Stange realisiert. Wenn die Schaufeln verstellt werden, bewegt sich die Stange 7 nach oben oder nach unten, je nachdem in welche Richtung die Schaufeln verstellt werden. Dies ist in 2 durch den Doppelpfeil angedeutet. An der Stange 7 ist ein Auslegearm befestigt, welcher mit 8 bezeichnet ist. Der Auslegearm 8 kragt aus dem Innenraum der Laufradwelle 4.1 durch einen Spalt in der Laufradwelle 4.1 so weit aus, dass er in senkrechter Richtung zur Rotationsachse über den Flansch hinausragt. Der Spalt ist mit 9 bezeichnet. Dabei ist der Spalt 9 so ausgeführt, dass der Auslegearm 8 der Bewegung der Stange 7 folgen kann. Die Stange 7 und der Spalt 9 könnten auch in der Generatorwelle 4.2 angeordnet sein.
Eine erfindungsgemäße Wasserkraftanlage umfasst wenigstens ein Radarsystem, welches in 2 durch das mit 10 bezeichnete Rechteck angedeutet ist. Das Radarsystem 10 ist dabei so angeordnet, dass es einen Teil der Welle 4 und den Auslegearm 8 erfassen kann, d.h. dass es einen Abstand zu einem Teil der Welle 4 und einen Abstand zu dem Auslegearm 8 erfassen kann. Die gestrichelten Linien deuten dabei das Sichtfeld des Radarsystems an. Bei dem Teil der Welle 4, welcher vom Radarsystem erfasst wird, handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um die Oberseite des Flansches zwischen den beiden Teilwellen 4.1 und 4.2. Das Radarsystem 10 ist mit der Steuereinrichtung 12 verbunden. Das Radarsystem ist so ausgebildet, dass es die erfassten Abstände an die Steuereinrichtung übermitteln kann. Die Differenz der Abstände stellt die an die Steuereinrichtung 12 übermittelte Feedback-Information dar.
Das Radarsystem 10 kann beispielsweise als CW oder als FMCW-Radarsystem ausgebildet sein. Ein CW bzw. FMCW-Radarsystem umfasst üblicherweise einen Transceiver mit einer Sende- und einer Empfangsantenne und eine Steuereinrichtung. Dabei kann die Sende- und die Empfangsantenne separat als zwei einzelne Antennen oder integral als eine Antenne ausgeführt sein, die sowohl die Sende- als auch die Empfangsfunktion ausführen kann. Die Steuereinrichtung umfasst üblicherweise einen Mikroprozessor, der den Transceiver steuert, das Empfangssignal verarbeitet und die Verbindung zu einem Computer sicherstellt, der ebenfalls Teil des Radarsystems ist.
Es sei erwähnt, dass die in 2 gezeigte Anordnung von Stange 7, Auslegearm 8, Spalt 9 und Radarsystem 10 nicht am Flansch zwischen den Teilwellen 4.1 und 4.2 angeordnet sein muss. Die genannten Elemente könnten auch an einen anderen Teil der Welle 4 angeordnet sein. Wichtig ist nur, dass die Welle 4 an der betreffenden Stelle so ausgebildet ist, dass sich ein definierter Abstand zwischen dem von Radarsystem 10 erfassten Teil der Welle 4 und dem Auslegearm 8 ergibt. Dazu kann die Welle einen Absatz oder eine Auskragung aufweisen. Es könnte sich auch um eine Eintiefung in die Welle 4 handeln. So kann die erfindungsgemäße Anordnung auch bei einer einteiligen Welle realisiert werden. Am Flansch einer zweiteiligen Welle zwischen den Teilwellen 4.1 und 4.2 ist diese Anforderung ohne weiteren Aufwand erfüllt, da der Flansch einen geeigneten Absatz darstellt. Außerdem muss eine Verbindung der Stange 7 mit der Mechanik zum Verstellen der Schaufeln möglich sein. D.h. die Welle muss von der betreffenden Stelle an bis zur Nabe hohl sein.
3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Rotationsachse durch die in 2 dargestellte Ausführungsform im Bereich des Auslegearms 8. Der Auslegearm 8 bildet am äußeren Ende optional eine Plattform, welche die Detektion des Auslegearms 8 durch das Radarsystem 10 verbessert.
4 zeigt die gleiche Ansicht wie 3 von einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass dieselbe zwei Auslegearme 8 umfasst. Dazu muss die Welle 4 einen weiteren Spalt 9 aufweisen.
5 zeigt die gleiche Ansicht wie 3 von einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den in den 3 bzw. 4 gezeigten Ausführungsformen dadurch, dass dieselbe drei Auslegearme 8 und drei Spalte 9 umfasst, und dass am äußeren Ende der Auslegearme 8 ein Ring befestigt ist, welcher mit 11 bezeichnet ist. Um die Formulierung der Ansprüche nicht unnötig zu komplizieren, wird der Ring 11 im Rahmen dieses Dokumentes als Teil der Auslegearme 8 betrachtet.
Die Vorteile der in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den 6 und 7 aufgezeigt.
6 zeigt die Ausführungsform gemäß 2. Der Unterschied zu 2 besteht darin, dass in 6 gezeigt wird, dass das Radarsystem 10 an der Welle 4 befestigt ist. D.h. in der in 6 dargestellten Ausführungsform ist das Radarsystem 10 Teil des rotierenden Systems und rotiert mit der Welle 4 mit. Dadurch kann das Radarsystem 10 die Abstände kontinuierlich erfassen.
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Radarsystem 10 Teil des stationären Systems ist. Bei dieser Ausführungsform bewegt sich der Auslegearm 8 bzw. die Auslegearme 8 während des Betriebes der Wasserkraftmaschine periodisch durch das Blickfeld des Radarsystems 10. Dadurch werden die Abstände periodisch vom Radarsystem erfasst.
Es ist klar, dass eine kontinuierliche Erfassung des Abstandes die Signalauswertung und die Regelung erleichtert. Dieser Vorteil ergibt sich in jedem Fall, wenn das Radarsystem 10 m itrotiert. Dazu wird das Radarsystem 10 über oder genauso gut unter dem betreffenden Auslegearm 8 angeordnet. Bei einer Kombination mit der in 4 gezeigten Ausführungsform kommen dann zwei Radarsysteme 10 zum Einsatz, so dass die Erfassung der Abstände und damit die Übermittlung der Feedback-Information redundant erfolgt. Die Redundanz kann durch eine Vervielfältigung der Auslegearme 8 und Radarsysteme 10 beliebig erhöht werden.
Wenn das Radarsystem 10 Teil des stationären Systems ist, dann ermöglicht die Ausführungsform gemäß 5 ein kontinuierliches Abstandssignal. Diese Kombination ist in 8 dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform umfasst dabei zwei Radarsysteme 10, so dass der Abstand redundant erfasst wird. Die Redundanz ist dabei als optional zu betrachten. Zwei Radarsysteme 10 wie in 5 dargestellt ermöglichen außerdem die Herausrechnung einer eventuell vorliegenden Taumelbewegung des Ringes 11.
Wie oben erwähnt kann das Radarsystem bzw. können die Radarsysteme als CW oder als FMCW-Radarsystem ausgebildet sein. CW-Radarsysteme und FMCW-Radarsysteme ermöglichen die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren, welche im Folgenden beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Wasserkraftmaschine umfasst folgende Schritte:

- Messen eines Abstandes zum erfassten Teil der Welle 4
- Messen eines Abstandes zu einem Auslegearm 8
- Vergleich der Differenz der gemessenen Abstände mit einem Sollwert
- Wenn sich zwischen der Differenz und dem Sollwert ein signifikanter Unterschied ergibt: Verstellen der Schaufeln, um die Differenz an den Sollwert anzugleichen

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schwingungsüberwachung einer Wasserkraftmaschine umfasst folgende Schritte:

- Messen einer Schwingung der Welle 4 und/oder eines Auslegearms 8 mit Hilfe des Radarsystems 10
- Vergleich der gemessenen Schwingungswerte mit vordefinierten Grenzwerten

Wenn die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung auf diese Weise ein Schwingungsverhalten der Welle erfasst, welches ein vordefiniertes Maß überschreitet, dann kann dieselbe eine Warnungsmeldung erzeugen und/oder das Stillsetzen der Wasserkraftmaschine veranlassen. Dabei können die vordefinierten Grenzwerte beispielsweise Schwingungsamplitudenwerte in bestimmten Frequenzbereichen sein. Es ist klar, dass die vordefinierten Grenzwerte für die Welle 4 und einem Auslegearm 8 unterschiedlich sein können.
Abschließend sei erwähnt, dass die Signalübertragung zwischen einem mitrotierenden Radarsystem drahtlos erfolgen kann. Die Stromversorgung der Radaranlage kann dabei über Schleifringe oder durch eine Batterie erfolgen. Ebenfalls ist denkbar die benötigte Energie über Induktionsvorgänge zu gewinnen.
Bezugszeichenliste

1: Schaufel
2: Nabe
3: Laufradring
4: Welle
4.1: Teilwelle (Laufradwelle)
4.2: Teilwelle (Generatorwelle)
5: Rotor
6: Stator
7: Stange
8: Auslegearm
9: Spalt
10: Radarsystem
11: Ring
12: Steuereinrichtung

Claims

Wasserkraftmaschine umfassend ein um eine Rotationsachse rotierbares Laufrad mit einer Vielzahl von verstellbaren Schaufeln (1), welche an einer Nabe (2) angeordnet sind, und wobei die Wasserkraftmaschine eine Welle (4) und eine Mechanik zum Verstellen der Schaufeln (1) umfasst, und wobei die Welle (4) mit der Nabe (2) verbunden ist, und wobei die Mechanik zum Verstellen der Schaufeln (1) in der Nabe (2) angeordnet ist, und wobei die Wasserkraftmaschine eine Steuereinrichtung (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftmaschine eine in axialer Richtung bewegliche Stange (7), wenigstens einen Auslegearm (8), wenigstens einen Spalt (9) und wenigstens ein Radarsystem (10) umfasst, und wobei die Stange (7) in einem Hohlraum der Welle (4) angeordnet ist, und wobei der wenigstens eine Auslegearm (8) an der Stange (7) befestigt ist, und wobei der wenigstens eine Auslegearm (8) so durch den wenigstens einen Spalt (9) auskragt, welcher in der Welle (4) angeordnet ist, dass er in senkrechter Richtung zur Rotationsachse über die Welle (4) hinausragt, und wobei die Stange (7) so mit der Mechanik zum Verstellen der Schaufeln (1) verbunden ist, dass ein Verstellen der Schaufeln (1) zu einer axialen Bewegung der Stange (7) führt, und wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) so ausgebildet und angeordnet ist, dass es einen ersten Abstand zu einem Teil der Welle (4) und einen zweiten Abstand zu dem wenigstens einen Auslegearm (8) erfassen und an die Steuereinrichtung (12) übermitteln kann.
Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Wasserkraftmaschine ein stationäres System umfasst, und wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) Teil des stationären Systems ist.
Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Wasserkraftmaschine ein rotierendes System umfasst, und wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) Teil des rotierenden Systems ist.
Wasserkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Welle (4) zwei Teilwellen (4.1, 4.2) umfasst, und wobei die Teilwellen (4.1, 4.2) mit einem Flansch verbunden sind, und wobei der wenigstens eine Spalt (9) im Flansch angeordnet ist, und wobei der Teil der Welle (4), von welchem der Abstand vom wenigstens einen Radarsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erfasst wird, ein Teil des Flansches ist.
Wasserkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wasserkraftmaschine drei Auslegearme (8) und einen Ring (11) umfasst, und wobei die Auslegearme (8) an ihrem äußeren Ende mit dem Ring (11) verbunden sind.
Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) als CW-Radarsystem ausgebildet ist.
Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) als FMCW-Radarsystem ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung einer Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Messen eines ersten Abstandes zu einem Teil der Welle (4); - Messen eines zweiten Abstandes zu dem wenigstens einen Auslegearm (8); - Vergleich der Differenz der gemessenen Abstände mit einem Sollwert; - Wenn sich zwischen der Differenz und dem Sollwert ein signifikanter Unterschied ergibt: Verstellen der Schaufeln (1), um die Differenz an den Sollwert anzugleichen.
Verfahren zur Schwingungsüberwachung einer Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Messen einer Schwingung der Welle (4) und/oder eines Auslegearms (8) mit Hilfe des Radarsystems (10); - Vergleich der gemessenen Schwingungswerte mit vordefinierten Grenzwerten.