WO2000047890A1 - Verfahren zur optimierung des betriebspunkts einer strömungsmaschine - Google Patents

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WO2000047890A1
WO2000047890A1 PCT/EP2000/000937 EP0000937W WO0047890A1 WO 2000047890 A1 WO2000047890 A1 WO 2000047890A1 EP 0000937 W EP0000937 W EP 0000937W WO 0047890 A1 WO0047890 A1 WO 0047890A1
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flow
hydraulic
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hydraulic machine
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PCT/EP2000/000937
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Rudolf Schilling
Eberhard Kopf
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Voith Siemens Hydro Power Generation Gmbh&Co.Kg
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    • F03B11/04—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator for diminishing cavitation or vibration, e.g. balancing
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a method for enlarging the working range or the deflection of guided flows, in particular in hydraulic fluid flow machines, and a hydraulic machine, in particular a turbine with at least one blade, to which a liquid medium is directed, and a control or regulating method for setting a working point hydraulic machine.
  • Francis turbines are used for larger heads.
  • the impeller is flowed from the outside to the inside, the outflow always taking place axially.
  • Kaplan turbines are suitable for relatively low and fluctuating head.
  • the main axis of a Kaplan turbine runs vertically.
  • the setting of the rotor blades can be adjusted from a maximum opening at which the
  • Buckets run almost parallel to the main axis of the turbine, up to one minimal opening at which they are substantially perpendicular to the turbine axis; the blades are essentially horizontal and immediately perpendicular to the main flow direction of the water flowing through the turbine.
  • Kaplan turbines that have an upstream hub that is not fully spherical. If the blades in such a turbine are only opened very slightly, a gap is formed between the hub and the flowed edge of the individual blades, that is to say upstream of the axis of rotation of the blade relative to the hub.
  • the control is carried out by adjusting the guide vanes via a handlebar using the actuating forces of two (in special cases also four) hydraulic servomotors. Individual servomotors are also used for each guide vane. If the operating conditions change due to fluctuations in head and / or volume flow, the swirl in front of the impeller is regulated by adjusting the guide vanes to the extent that
  • the number of running wheels remains constant depending on the drive power of the generator. In the extreme operating positions, the guide vanes create an almost free or almost closed flow cross-section.
  • both stator and rotor blades are adjustable, i.e. the operating point is determined by an optimal assignment of the guide vane to the rotor blade position.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a hydraulic machine with which the working range and the efficiency can be increased considerably.
  • this is achieved in that, in order to enlarge the working area or the flow deflection of a hydraulic machine in the deflection area of the flow, the unsteadiness in the same is increased.
  • the unsteadiness in the flow is preferably increased by supplying energy to the flow.
  • the energy is supplied to the flow from the outside.
  • the energy is supplied by converting mechanical energy, for example by stimulating vibrations of the guide vane.
  • the entire component is not excited to vibrate, but rather only local changes over time of the surface of the deflecting component are induced.
  • the invention also provides a device itself which is characterized by such an enlarged working area.
  • the hydraulic machine according to the invention has means for generating instationarities in the deflection area of the flow.
  • the means for generating instationarities comprise means for converting mechanical energy into hydraulic energy or flow energy.
  • Such means are particularly preferably designed as oscillating and / or pulsating blades or parts of blades of the hydraulic machine.
  • the means for converting mechanical energy further comprise pulsators and / or oscillators which are arranged on the walls of the feed line in front of or in the deflection area.
  • pulsators and / or oscillators can also be arranged on the surface of the deflecting component.
  • Means for converting hydraulic energy into flow energy or acoustic energy into flow energy are provided.
  • the invention also provides a control and regulating method for controlling the supply of energy into the flow of the hydraulic machine, in which, at a given hydraulic operating point, in the case of control using a map and in the case of regulation using feedback power. and / or loss indicators, the amplitude and / or frequency for the means for generating instationarities are set in such a way that predetermined hydraulic operating point of the machine results in optimal efficiency.
  • Fig. 1 shows a water turbine with adjustable blades in elevation and partially in section.
  • Fig. 2 shows a schematic view of the deflection of the
  • 3 a-c show exemplary embodiments of mechanical oscillators.
  • Fig. 4b shows the flow diagram of an inventive
  • FIG. 1 shows a special hydraulic system, namely a Kaplan turbine or a propeller with adjustable blades.
  • the invention is not restricted to use in this type of turbomachine, but is generally applicable to any type of hydraulic machine.
  • the hydraulic system 10 shown in FIG. 1 comprises a flow channel 12, in which water flows from an upper level to the upstream end of the system 10 and arrives at a downstream discharge area 16.
  • the system 10 comprises a turbine 18 with a
  • Hub 20 which has a longitudinal axis 22, also a plurality of Blades 24, which are adjustably arranged on the hub 20.
  • Each blade 24 can be rotated about an axis of rotation 26 which extends essentially perpendicular to the longitudinal axis 22.
  • the turbine 18 is shown vertically in the present case. The He indung is also applicable to turbines whose longitudinal axis and an angle to the vertical is inclined, for example with a horizontal longitudinal axis, depending on the design of the flow channel 12.
  • the axes of rotation 26 can also be inclined relative to the longitudinal axis 22, so not necessarily run perpendicular to the longitudinal axis.
  • the system 10 comprises numerous inlet vanes or guide vanes 28 which can be rotated in order to direct the water flow directed to the flow channel 12, as well as fixed vanes 30 which serve to carry the part of the system 10 located above the turbine 18, namely a thrust bearing 32, a generator 34, an associated control system and components which are usually arranged in the power plant and some of which are generally referred to as controllers.
  • Blades 24 of the impeller causes.
  • the efficiency and operating range of the hydraulic machine is essentially determined by the fact that the deflection of the flow 100 and the angle ⁇ onto the impeller 24 is as complete as possible.
  • the inventors have now recognized that the problem of stabilizing the deflection is that the profile of the flow tends to detach. Stabilization and thus improvement of the deflection can be achieved by striving for a more stable application behavior of the profile. According to the invention, this is achieved in that in the boundary layer in the deflection area or in the vicinity of the deflection means, in the present case the guide vane
  • Positions 106, 108 executes.
  • the guide vane 28, as shown in FIG. 3b is not excited to oscillate but to pulsate.
  • the outer circumference 110 of the guide vane changes, for example, due to the periodic supply and removal of working medium, for example water, or due to the surface change periodically.
  • the guide vane 28 in addition to mechanical vibration excitation, as shown in FIGS. 3a and 3b, it is also possible for the guide vane 28, as shown in FIG. 3c, to dispense liquid through openings 112 made in the vane.
  • the liquid can also be dispensed periodically, so that hydraulic energy is supplied by introducing a further flow in the deflection area.
  • An energetic enrichment of the boundary layer in the deflection area is also possible by converting energy acoustically supplied energy or electromagnetically supplied energy.
  • energy acoustically supplied energy microwave generators, for example, should be considered.
  • the mechanical oscillators and / or pulsators are conceivable not only on the guide vane itself, but also on the walls of the feed line in front of or in the deflection area. Such embodiments are not shown in the figures shown.
  • the invention also provides a control and regulating method for controlling the supply of energy into the flow of the hydraulic machine according to the invention.
  • FIG. 4a shows the flow diagram of a control according to the invention.
  • the hydraulic operating point of the machine which is determined by one or more of the drop height, opening and underwater level, given as an example in FIG. 4a, is specified.
  • the controller 200 uses an characteristics map 202, in which the relationship between the hydraulic operating point and the amplitude / frequency values is stored, to determine an amplitude and / or frequency value for the energy feed of the means for generating instationarities in the deflection area of the flow, so that the optimum efficiency results in the predetermined hydraulic operating point of the machine 204.
  • the map of the hydraulic machine 204 which is stored in the controller 200, is obtained from measurements and / or calculations.
  • FIG. 4b shows a control method for controlling the supply of energy into the flow of a hydraulic machine according to the invention, in which the optimization of the efficiency takes place in a self-adapted process.
  • the hydraulic operating point of the machine is specified based on characteristic variables such as the head, the opening, the underwater level or the stator position.
  • Loss indicators and / or the power output of the hydraulic machine measured are understood to be flow phenomena that indicate losses, such as cavitation, vibration and pressure pulsations. These metrologically recorded quantities or the power output are used to in a closed
  • Control loop with the aid of the control device 300 and a control algorithm implemented there to set the frequency and / or amplitude of the energy feed with the aid of the means for generating instationarities independently of the external boundary conditions in such a way that an optimal efficiency of the machine 302 occurs in the predetermined hydraulic operating point

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrösserung des Arbeitsbereiches oder der Umlenkung von geführten Strömungen insbesondere bei hydraulischen Strömungsmaschinen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung des Arbeitsbereiches oder der Umlenkung im Umlenkbereich die Instationarität in der Strömung vergrössert wird.

Description

VERFAHREN ZUR OPTIMIERUNG DES BETRIEBSPUNKTS EINER STROMUNGSMASCHINE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder der Umlenkung von geführten Strömungen, insbesondere bei hydraulischen Strömungsmaschinen sowie eine hydraulische Maschine, insbesondere Turbine mit mindestens einer Schaufel, auf die ein flüssiges Medium gelenkt wird sowie ein Steuer- oder Regelverfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes einer hydraulischen Maschine.
Die Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie bspw. in Wasserturbinen gehört zu den umweltfreundlichen Energietechniken. Es ist daher wünschenswert, den Wirkungsgrad derartiger Energieerzeuger zu vergrößern, beispielsweise durch einen möglichst großen Arbeitsbereich.
Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise von Wasserturbinen ist in "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag 1995, Seiten R31-R36", deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mit aufgenommen wird, ausführlich beschrieben.
Francis-Turbinen werden bei größeren Fallhöhen eingesetzt. Das Laufrad wird von außen nach innen durchströmt, wobei die Abströmung stets axial erfolgt.
Kaplanturbinen sind für relativ niedrige und stark schwankende Fallhöhen geeignet.
Die Hauptachse einer Kaplanturbine verläuft vertikal. Die Anstellung der Rotorschaufeln läßt sich einstellen von einer maximalen Öffnung, bei der die
Schaufeln fast parallel zur Hauptachse der Turbine verlaufen, bis zu einer minimalen Öffnung, bei der sie im wesentlichen senkrecht zur Turbinenachse stehen; damit stehen die Schaufeln im wesentlichen horizontal und sogleich senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des die Turbine durchströmenden Wassers. Es gibt Kaplanturbinen, die eine nicht voll-sphärische, stromaufwärtige Nabe haben. Sind die Schaufeln bei einer solchen Turbine nur sehr wenig geöffnet, so entsteht zwischen der Nabe und der angeströmten Kante der einzelnen Schaufel ein Spalt, das heißt stromaufwärts der Drehachse der Schaufel relativ zur Nabe.
Bei Francis-Turbinen erfolgt die Regelung durch Verstellen der Leitschaufeln über Lenker mittels Stellkräften von zwei (in Sonderfällen auch vier) hydraulischen Servomotoren. Angewendet werden auch Einzelservomotoren für jede Leitschaufel. Bei einer Änderung der Betriebsverhältnisse aufgrund von Fallhöhen- und/oder Volumenstromschwankungen wird der Drall vor dem Laufrad durch Leitschaufelverstellung in dem Maße reguliert, daß die
Lauf radd rehzahl je nach abgenommener Antriebsleistung des Generators konstant bleibt. Die Leitschaufeln bewirken in den extremen Betriebsstellungen einen fast freien oder nahezu geschlossenen Durchflußquerschnitt.
Bei Kaplan-Turbinen sind sowohl Leitrad- wie Laufschaufeln verstellbar, d.h. der Arbeitspunkt wird durch eine optimale Zuordnung von Leitschaufel- zur Laufschaufelstellung bestimmt.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern.
Durch sämtliche bisher bekannten Maßnahmen gelang es nicht, den Wirkungsgrad und Arbeitsbereich einer hydraulischen Maschine mit gelenkter
Strömung zu steigern. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hydraulische Maschine anzugeben, mit der der Arbeitsbereich und der Wirkungsgrad erheblich vergrößert werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder der Strömungsumlenkung einer hydraulischen Maschine im Umlenkbereich der Strömung die Instationärität in derselben vergrößert wird. Bevorzugt wird die Instationärität in der Strömung durch Energiezufuhr in die Strömung vergrößert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Energiezufuhr zur Strömung von außen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Energiezufuhr durch Umwandlung mechanischer Energie erfolgt, beispielsweise dadurch, daß Schwingungen der Leitschaufel angeregt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn nicht das gesamte Bauteil zu Schwingungen angeregt wird, sondern lediglich lokale zeitliche Änderungen der Oberfläche des umlenkenden Bauteiles induziert werden.
Alternativ hierzu wäre es möglich, eine Energiezufuhr in die Strömung mit Hilfe von hydraulischer Energie, beispielsweise durch Einspeisen eines zusätzlichen Volumenstromes in die umzulenkende Hauptströmung und/oder akustischer Energie, beispielsweise mit Hilfe von Mikrowellengeneratoren zuzuführen.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Instationärität der Strömung im Umlenkbereich mit Hilfe von Turbulenzerzeugern, die vor dem Umlenkbereich angeordnet sind, zu erhöhen und somit den Arbeitsbereich zu vergrößern. Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches einer hydraulischen Strömungsmaschine stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung selbst zur Verfügung, die sich durch einen derart vergrößerten Arbeitsbereich auszeichnet.
Die erfindungsgemäße hydraulische Maschine weist Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten im Umlenkbereich der Strömung auf.
In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie in hydraulische Energie bzw. Strömungsenergie umfassen. Besonders bevorzugt sind derartige Mittel als oszillierende und/oder pulsierende Schaufeln oder Teile von Schaufeln der hydraulischen Maschine ausgebildet. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie des weiteren Pulsatoren und/oder Oszillatoren umfassen, die an den Wänden der Zufuhrleitung vor oder im Umlenkbereich angeordnet sind. Alternativ können Pulsatoren und/oder Oszillatoren auch auf der Oberfläche des umlenkenden Bauteiles angeordnet sein.
Weitere Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten in der Strömung umfassen
Mittel zur Umwandlung hydraulischer Energie in Strömungsenergie oder akustischer Energie in Strömungsenergie.
Neben dem Verfahren und der Vorrichtung stellt die Erfindung auch ein Steuer- und Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung der hydraulischen Maschine zur Verfügung, bei dem bei vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt im Falle einer Steuerung anhand eines Kennfeldes und im Falle der Regelung anhand rückkoppelter Leistungs- und/oder Verlustindikatoren die Amplitude und/oder Frequenz für die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten derart eingestellt werden, daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Umlenkung der
Strömung im Bereich der Leitschaufeln.
Fig. 3 a-c zeigen Ausführungsbeispiele mechanischer Oszillatoren.
Fig.4a zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen
Steuerungsverfahrens.
Fig. 4b zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen
Regelverfahrens.
Zu Fig. 1 ist eine spezielle hydraulische Anlage, nämlich eine Kaplan-Turbine oder einen Propeller mit verstellbaren Schaufeln dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei dieser Art von Strömungsmaschine beschränkt, sondern allgemein auf jede Art von hydraulischen Maschinen anwendbar.
Die in Figur 1 dargestellte hydraulische Anlage 10 umfaßt einen Strömungskanal 12, in dem Wasser von einem oberen Niveau zum stromaufwärtigen Ende der Anlage 10 fließt und zu einem stromabwärtigen Abgabebereich 16 gelangt. Die Anlage 10 umfaßt eine Turbine 18 mit einer
Nabe 20, die eine Längsachse 22 aufweist, ferner eine Mehrzahl von Laufschaufeln 24, die verstellbar an der Nabe 20 angeordnet sind. Jede Schaufel 24 ist um eine Drehachse 26 verdrehbar, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 22 erstreckt. Die Turbine 18 ist im vorliegenden Falle vertikal dargestellt. Die Er indung ist jedoch auch anwendbar auf Turbinen, deren Längsachse und einem Winkel gegen die Vertikale geneigt ist, beispielsweise mit einer horizontalen Längsachse, je nach Gestaltung des Strömungskanales 12. Außerdem können die Drehachsen 26 relativ zur Längsachse 22 auch geneigt sein, somit nicht unbedingt senkrecht zur Längsachse verlaufen.
Zwischen dem stromaufwärtigen Ende 14 und der Drehachse 26 befindet sich ein Abgabering 27 der den Wasserstrom vom stromaufwärtigen Ende 14 zur Turbine 18 lenkt. Die Anlage 10 umfaßt zahlreiche Einlaufschaufeln bzw. Leitschaufeln 28, die verdrehbar sind, um die zum Strömungskanal 12 geleitete Wasserströmung zu richten, ferner feststehende Schaufeln 30, die dazu dienen, den oberhalb von Turbine 18 befindlichen Teil der Anlage 10 zu tragen, nämlich ein Drucklager 32, ein Generator 34, ein zugeordnetes Steuersystem sowie Bauteile, die üblicherweise im Kraftwerk angeordnet sind und von denen einige ganz allgemein als Regler bezeichnet werden.
In Fig. 2 ist prinzipiell das Verfahren der Erfindung dargestellt.
Wiederum deutlich zu sehen ist die Leitschaufel 28 der hydraulischen Maschine, die die Umlenkung des Profils des in Strömungsrichtung 100 strömenden flüssigen Mediums um den Winkel α in Richtung 102 auf die
Laufschaufeln 24 des Laufrades bewirkt.
Der Wirkungsgrad und Arbeitsbereich der hydraulischen Maschine wird im wesentlichen davon bestimmt, daß die Umlenkung der Strömung 100 und dem Winkel α auf das Laufrad 24 möglichst vollständig gelingt. Die Erfinder haben nunmehr erkannt, daß das Problem der Stabilisierung der Umlenkung darin besteht, daß das Profil der Strömung zu Ablösung neigt. Eine Stabilisierung und damit Verbesserung der Umlenkung kann man dadurch erreichen, daß man ein stabileres Anlegeverhalten des Profils anstrebt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß man in der Grenzschicht im Umlenkbereich bzw. in der Nähe des Umlenkmittels, vorliegend Leitschaufel
28, Energie in die am Umlenkmittel entstehende Grenzschicht einbringt. Das Einbringen von Energie läßt sich auf verschiedene Art und Weise erzielen.
Beispielsweise ist es möglich, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3a dargestellt, eine Drehschwingung um Achse 104 in die eingezeichneten
Positionen 106, 108 ausführt.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3b dargestellt, nicht zu Oszillationen, sondern Pulsationen angeregt wird. Hierbei ändert sich der Außenumfang 110 der Leitschaufel, beispielsweise durch periodisches Zuführen und Abführen von Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, oder durch Oberflächenänderung periodisch.
Neben einer mechanischen Schwingungsanregung, wie in den Figuren 3a und 3b dargestellt, ist es auch möglich, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3c aufgezeigt, Flüssigkeit über in die Schaufel eingebrachte Öffnungen 112 abgibt. Die Flüssigkeitsabgabe kann ebenfalls periodisch erfolgen, so daß durch Einleiten einer weiteren Strömung im Umlenkbereich hydraulisch Energie zugeführt wird.
Neben den in den Figuren 3a bis 3c dargestellten Möglichkeiten der Energiezufuhr im Umlenkbereich der Leitschaufel 28, die keineswegs als abschließend betrachtet werden sollen, sind auch noch andere Arten der Energiezufuhr denkbar. So kann bereits vor dem Umlenkbereich die Strömung durch das Einbringen von Turbulenzerzeugern stabilisiert werden, beispielsweise durch Turbulenzdrähte.
Eine energetische Anreicherung der Grenzschicht im Umlenkbereich ist auch durch Energieumwandlung akustisch zugeführte Energie oder elektromagnetisch zugeführte Energie möglich. Bei der akustisch zugeführten Energie ist beispielsweise an Mikrowellengeneratoren zu denken.
Die mechanischen Oszillatoren und/oder Pulsatoren, wie in den Figuren 3a und 3b dargestellt, sind nicht nur an der Leitschaufel selber denkbar, sondern auch an den Wänden der Zufuhrleitung vor oder im Umlenkbereich. Derartige Ausführungsformen sind in den dargestellten Figuren nicht gezeigt.
Neben den zuvor beschriebenen hydraulischen Maschinen stellt die Erfindung auch ein Steuer- und ein Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine zur Verfügung.
In Figur 4a ist das Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerung dargestellt. Zunächst wird der hydraulische Arbeitspunkt der Maschine, der durch eine oder mehrere der beispielhaft in Figur 4a angegebenen Größen Fallhöhe, Öffnung, Unterwasserpegel bestimmt wird, vorgegeben. Aufgrund des vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunktes wird mit Hilfe der Steuerung 200 anhand eines Kennfeldes 202, in dem der Zusammenhang zwischen hydraulischem Arbeitspunkt und den Amplituden-/Frequenzwerten abgelegt ist, ein Amplituden- und/oder Frequenzwert für die Energieeinspeisung der Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten im Umlenkbereich der Strömung bestimmt, so daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine 204 der optimale Wirkungsgrad ergibt. Das Kennfeld der hydraulischen Maschine 204, das in der Steuerung 200 abgelegt wird, wird aus Messungen und/oder Berechnungen erhalten.
In Figur 4b ist eine Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung einer erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine dargestellt, bei der die Optimierung des Wirkungsgrades in einem selbst angepaßten Prozeß erfolgt. Wie schon bei der zuvor beschriebenen Steuerung wird der hydraulische Arbeitspunkt der Maschine anhand charakteristischer Größen wie beispielsweise der Fallhöhe, der Öffnung, dem Unterwasserpegel oder auch der Leitradstellung vorgegeben. Daneben werden bestimmte
Verlustindikatoren und/oder die Leistungsabgabe der hydraulischen Maschine gemessen. Unter Verlustindikatoren werden hier Strömungsphänomene verstanden, die Verluste anzeigen, wie beispielsweise die Kavitation, die Vibration und Druckpulsationen. Diese meßtechnisch erfaßten Größen bzw. die Leistungsabgabe werden dazu benutzt, um in einem geschlossenen
Regelkreis mit Hilfe der Regeivorrichtung 300 und einem dort implementierten Regelalgorithmus Frequenz und/oder Amplitude der Energieeinspeisung mit Hilfe der Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten unabhängig von den äußeren Randbedingungen derart einzustellen, daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine 302 ein optimaler Wirkungsgrad der
Maschine ergibt. Neben einer Optimierung des Wirkungsgrades könnte alternativ oder zugleich eine Optimierung weiterer Größen der hydraulischen Maschine, wie beispielsweise der Laufruhe mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regelung gemäß Figur 4b vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder der Umlenkung von geführten Strömungen insbesondere bei hydraulischen Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder der Umlenkung im Umlenkbereich die Instationärität der Strömung vergrößert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Instationärität der Strömung durch Energiezufuhr vergrößert werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zur Strömung von außen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Energiezufuhr in die Strömung durch Umwandlung mechanischer Energie erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr in die Strömung mit Hilfe von hydraulischer
Energie und/oder akustischer Energie erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr in die Strömung im Umlenkbereich durch Einbringen von Turbulenzerzeugern vor dem
Umlenkbereich in die Strömung selbst erfolgt.
7. Hydraulische Maschine, insbesondere Turbine mit
7.1 mindestens einer Schaufel, auf die ein flüssiges Medium gelenkt wird; die hydraulische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, daß
7.2 Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten im Umlenkbereich der Strömung vorgesehen sind.
8. Hydraulische Maschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten Mittel zur
Umwandlung mechanischer Energie in hydraulische Energie bzw. Strömungsenergie umfassen.
9. Hydraulische Maschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie oszillierende und/oder pulsierende Schaufeln oder Teile von Schaufel oder Schaufeloberflächen umfassen.
10. Hydraulische Maschine gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie
Pulsatoren und/oder Oszillatoren an den Wänden der Zufuhrleitungen vor oder im Umlenkbereich umfassen.
11. Hydraulische Maschine gemäß einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel sich lokal zeitlich ändernde Oberflächen von Bauteilen im Umlenkbereich umfassen.
12. Hydraulische Maschine gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten Mittel zur Umwandlung hydraulischer Energie in Strömungsenergie umfassen.
13. Hydraulische Maschine gemäß einem der Ansprüche 7 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Instationaritäten Mittel zur Umwandlung akustischer oder elektromagnetischer Energie in
Strömungsenergie umfassen.
14. Steuerverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung einer hydraulischen Maschine gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, umfassend die folgenden Schritte:
14.1 es wird ein hydraulischer Arbeitspunkt vorgegeben;
14.2 anhand eines Kennfeldes wird bei vorgegebenem hydraulischem Arbeitspunkt die Amplitude und/oder Frequenz der Mittel zur Erzeugung von Instationärität derart eingestellt, daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.
15. Steuerverfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Arbeitspunkt durch mindestens eine der nachfolgenden Größen bestimmt wird:
- Fallhöhe - Öffnung
- Unterwasserpegel
- Leitradstellung
16. Regelverfahren zur Regelung der Energiezufuhr in die Strömung einer hydraulischen Maschine gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, umfassend folgende Schritte:
16.1 es wird ein hydraulischer Arbeitspunkt vorgegeben;
16.2 es werden Verlustindikatoren und/oder Leistungsgrößen der hydraulischen Maschine ständig ermittelt, die einer Regeleinrichtung zugeführt werden;
16.3 mit Hilfe eines Regelalgorithmus wird in Abhängigkeit vom vorgegebenen Arbeitspunkt und den rückkoppelten Verlustindikatoren und/oder Leistungsgrößen die Amplitude und/oder Frequenz der Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten derart eingestellt, daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.
17. Regelverfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Arbeitspunkt durch mindestens eine der nachfolgenden Größen bestimmt wird:
- Fallhöhe - Öffnung
- Unterwasserpegel
- Leitradstellung.
18. Regelverfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die rückgekoppelte(n) Verlustindikator(en) mindestens eine der nachfolgenden Größen ist:
- Kavitation
- Vibration - Druckpulsation
19. Regelverfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgekoppelte Leistungsgröße die elektrische Leistungsabgabe ist.
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