EP4634511A1 - Wasserkraftmaschine mit einem laufrad mit verstellbaren schaufeln - Google Patents

Wasserkraftmaschine mit einem laufrad mit verstellbaren schaufeln

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EP4634511A1
EP4634511A1 EP23828364.2A EP23828364A EP4634511A1 EP 4634511 A1 EP4634511 A1 EP 4634511A1 EP 23828364 A EP23828364 A EP 23828364A EP 4634511 A1 EP4634511 A1 EP 4634511A1
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EP
European Patent Office
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shaft
radar system
rod
blades
machine according
Prior art date
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Granted
Application number
EP23828364.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4634511B1 (de
Inventor
Alexander Jung
Babette SCHWARZ
Thomas Aschenbrenner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP4634511A1 publication Critical patent/EP4634511A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4634511B1 publication Critical patent/EP4634511B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F03B3/06—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines with adjustable blades, e.g. Kaplan turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/14—Rotors having adjustable blades
    • F03B3/145—Mechanisms for adjusting the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/80—Diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05B2270/805—Radars

Definitions

  • the invention relates to a hydroelectric machine with an impeller with adjustable blades. Such impellers are also referred to as Kaplan impellers.
  • the invention relates in particular to the control and vibration monitoring of such a hydroelectric machine.
  • Such hydroelectric machines are known from the prior art.
  • DE 329 528 B discloses such a hydroelectric machine.
  • a gear arranged in the hub of the impeller is used to adjust the blade inclination.
  • the gear is operated via a push rod, which is driven by a power piston arranged above the electric machine.
  • a push rod is extended to form a feedback rod.
  • the feedback movement is diverted to the control parts of the controller.
  • the power piston is also arranged in the hub of the impeller and the control is carried out via a control device, which is usually referred to as a digital controller.
  • a control device which is usually referred to as a digital controller.
  • feedback of the blade position is still required to control the blade inclination.
  • Complicated mechanical structures are usually required to transmit this information to the control device.
  • the object of the invention is to provide a hydroelectric machine which is designed in such a way that the feedback information about the blade position can be transmitted to the control device with less mechanical effort.
  • the solution according to the invention also enables vibration monitoring of the shaft of the hydroelectric machine.
  • FIG.2 Detail of a hydroelectric machine according to the invention in a first embodiment
  • FIG.4 Section perpendicular to the axis of rotation of another embodiment
  • Fig.5 Section perpendicular to the axis of rotation of another embodiment
  • Fig.6 Embodiment according to Fig. 2 with rotating radar system
  • Fig.7 Embodiment according to Fig. 2 with stationary radar system
  • FIG 1 shows a generic hydroelectric machine in a schematic representation.
  • the hydroelectric machine comprises an impeller with a large number of adjustable blades, of which only one is shown and designated 1.
  • the blades 1 are arranged on a hub, which is designated 2.
  • the mechanism for adjusting the blades is arranged within the hub 2, which is only indicated in Figure 2.
  • the impeller is connected to the hub 2 with a shaft, which in turn is connected to the rotor of an electrical machine.
  • the shaft is designated 4 and the rotor 5.
  • the shaft 4 can be made of one piece. Usually, however, it consists of two partial shafts, which are designated 4.1 and 4.2 in Figure 1.
  • the partial shaft 4.1 is usually referred to as the turbine shaft or impeller shaft, and the partial shaft 4.2 is referred to as the generator shaft.
  • the impeller rotates in a piece of pipe, which is usually referred to as the impeller ring.
  • the impeller ring is designated 3.
  • the rotor 5 rotates in a stator, which is designated with 6.
  • the axis of rotation is indicated in the figure by the dashed line.
  • the hydroelectric machine comprises a control device, which is designated with 12.
  • the control device serves to regulate the blade inclination and can also be used to monitor the hydroelectric machine. These two functions can also be performed in separate units.
  • the control device 12 is considered as a superior unit, which may comprise two or more separate or interconnected sub-units.
  • the impeller ring 3, the stator 6 and the control device 12 belong to the stationary system of the hydroelectric machine, while all other components shown belong to the rotating system.
  • FIG. 2 shows a detail of a hydroelectric power plant according to the invention. This is the area where the two partial shafts 4.1 and 4.2 are connected to one another. At this point, the two partial shafts form a flange.
  • a rod that can be moved in the axial direction is arranged, which is designated with 7.
  • the rod 7 is connected to the mechanism for adjusting the blades (not shown in Figure 2) in such a way that adjusting the blades 1 leads to an axial movement of the rod 7. In the embodiment shown, this connection is realized by the thinner rod leading downwards into the hub.
  • the rod 7 moves up or down, depending on the direction in which the blades are adjusted. This is indicated in Figure 2 by the double arrow.
  • An extension arm is attached to the rod 7.
  • the extension arm 8 projects out from the interior of the impeller shaft 4.1 through a gap in the impeller shaft 4.1 to such an extent that it projects beyond the flange in a direction perpendicular to the axis of rotation.
  • the gap is designated 9.
  • the gap 9 is designed in such a way that the extension arm 8 can follow the movement of the rod 7.
  • the rod 7 and the gap 9 could also be arranged in the generator shaft 4.2.
  • a hydroelectric power plant according to the invention comprises at least one radar system, which is indicated in Figure 2 by the rectangle designated 10.
  • the radar system 10 is arranged in such a way that it can detect a part of the shaft 4 and the extension arm 8, ie that it can detect a distance to a part of the shaft 4 and a distance to the extension arm 8.
  • the dashed lines indicate the field of view of the radar system.
  • the part of the shaft 4 which is detected by the radar system is, in the embodiment shown, the top of the flange between the two partial shafts 4.1 and 4.2.
  • the Radar system 10 is connected to control device 12.
  • the radar system is designed so that it can transmit the detected distances to the control device. The difference between the distances represents the feedback information transmitted to control device 12.
  • the radar system 10 can be designed, for example, as a CW or as an FMCW radar system.
  • a CW or FMCW radar system usually comprises a transceiver with a transmitting and a receiving antenna and a control device.
  • the transmitting and receiving antennas can be designed separately as two individual antennas or integrally as one antenna that can perform both the transmitting and receiving functions.
  • the control device usually comprises a microprocessor that controls the transceiver, processes the received signal and ensures the connection to a computer that is also part of the radar system.
  • the arrangement of rod 7, extension arm 8, gap 9 and radar system 10 shown in Figure 2 does not have to be arranged on the flange between the partial shafts 4.1 and 4.2.
  • the elements mentioned could also be arranged on another part of the shaft 4. It is only important that the shaft 4 is designed at the relevant point in such a way that there is a defined distance between the part of the shaft 4 detected by the radar system 10 and the extension arm 8.
  • the shaft can have a shoulder or a projection. It could also be a recess in the shaft 4.
  • the arrangement according to the invention can thus also be implemented with a one-part shaft.
  • Figure 3 shows a section perpendicular to the axis of rotation through the embodiment shown in Figure 2 in the area of the extension arm 8.
  • the extension arm 8 optionally forms a platform at the outer end, which improves the detection of the extension arm 8 by the radar system 10.
  • Figure 4 shows the same view as Figure 3 of a further embodiment of the present invention. The embodiment shown differs from the embodiment shown in Figure 3 in that it comprises two extension arms 8. For this purpose, the shaft 4 must have a further gap 9.
  • Figure 5 shows the same view as Figure 3 of a further embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown differs from the embodiments shown in Figures 3 and 4 in that it comprises three extension arms 8 and three slots 9, and that a ring, designated 11, is attached to the outer end of the extension arms 8.
  • the ring 11 is considered to be part of the extension arms 8 in the context of this document.
  • Figure 6 shows the embodiment according to Figure 2.
  • the difference to Figure 2 is that Figure 6 shows that the radar system 10 is attached to the shaft 4. This means that in the embodiment shown in Figure 6, the radar system 10 is part of the rotating system and rotates with the shaft 4. This allows the radar system 10 to continuously detect the distances.
  • Figure 7 shows an embodiment in which the radar system 10 is part of the stationary system.
  • the extension arm 8 or the extension arms 8 move periodically through the field of view of the radar system 10 during operation of the hydroelectric machine. As a result, the distances are periodically recorded by the radar system.
  • the embodiment according to Figure 5 enables a continuous distance signal.
  • This combination is shown in Figure 8.
  • the embodiment shown comprises two radar systems 10 so that the distance is detected redundantly. The redundancy is to be considered optional.
  • Two radar systems 10 as shown in Figure 5 also enable the calculation of any wobbling movement of the ring 11.
  • the radar system or systems can be designed as a CW or as an FMCW radar system.
  • CW radar systems and FMCW radar systems enable the implementation of the methods according to the invention, which are described below.
  • the method according to the invention for controlling a hydroelectric machine comprises the following steps:
  • the method according to the invention for monitoring the vibration of a hydroelectric machine comprises the following steps:
  • the described arrangement according to the invention detects a vibration behavior of the shaft that exceeds a predefined level, it can generate a warning message and/or cause the hydroelectric machine to be shut down.
  • the predefined limit values can be, for example, vibration amplitude values in certain frequency ranges. It is clear that the predefined limit values for the shaft 4 and a cantilever arm 8 can be different.
  • the signal transmission between a rotating radar system can be wireless.
  • the radar system can be powered by slip rings or a battery. It is also conceivable to generate the required energy through induction processes.

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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

Wasserkraftmaschine mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln. Solche Laufräder werden auch als Kaplan-Laufräder bezeichnet. Die Erfindung betrifft insbesondere die Regelung und die Schwingungsüberwachung einer solchen Wasserkraftmaschine.
Solche Wasserkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 329 528 B 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:
Fig.1 Gattungsgemäße Wasserkraftmaschine;
Fig.2 Detail einer erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform;
Fig.3 Schnitt senkrecht zur Drehachse der Ausführungsform gemäß Fig. 2;
Fig.4 Schnitt senkrecht zur Drehachse einer weiteren Ausführungsform; Fig.5 Schnitt senkrecht zur Drehachse einer weiteren Ausführungsform; Fig.6 Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit mitdrehendem Radarsystem; Fig.7 Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit stationärem Radarsystem;
Fig.8 Ausführungsform gemäß Fig. 5 mit stationärem und redundantem Radarsystem;
Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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.
Figur 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 Figur 2 nichtdargestellten 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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.
Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Rotationsachse durch die in Figur 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. Figur 4 zeigt die gleiche Ansicht wie Figur 3 von einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass dieselbe zwei Auslegearme 8 umfasst. Dazu muss die Welle 4 einen weiteren Spalt 9 aufweisen.
Figur 5 zeigt die gleiche Ansicht wie Figur 3 von einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den in den Figuren 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 Figur 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 aufgezeigt.
Figur 6 zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 2. Der Unterschied zu Figur 2 besteht darin, dass in Figur 6 gezeigt wird, dass das Radarsystem 10 an der Welle 4 befestigt ist. D.h. in der in Figur 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.
Figur 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 mitrotiert. Dazu wird das Radarsystem 10 über oder genauso gut unter dem betreffenden Auslegearm 8 angeordnet. Bei einer Kombination mit der in Figur 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 Figur 5 ein kontinuierliches Abstandssignal. Diese Kombination ist in Figur 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 Figur 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 Laufradwelle
4.2 Generatorwelle
5 Rotor 6 Stator
7 Stange
8 Auslegearm
9 Spalt
10 Radarsystem 11 Ring
12 Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . 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.
2. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei die Wasserkraftmaschine ein stationäres System umfasst, und wobei das wenigstens eine Radarsystem (10) Teil des stationären Systems ist.
3. 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 nach einem der Ansprüche
1 bis 7 Radarsystem (10) 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.
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