WO2012171618A1 - Vorrichtung zur hydraulischen betätigung eines absperrorgans - Google Patents
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- WO2012171618A1 WO2012171618A1 PCT/EP2012/002336 EP2012002336W WO2012171618A1 WO 2012171618 A1 WO2012171618 A1 WO 2012171618A1 EP 2012002336 W EP2012002336 W EP 2012002336W WO 2012171618 A1 WO2012171618 A1 WO 2012171618A1
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Definitions
- the invention relates to a device for the hydraulic actuation of a
- shut-off valves and / or a turbine control Conventional Operation of shut-off valves and / or a turbine control known from the general state of the art.
- a hydraulic system which controls shut-off devices such as ball valves or the like, as well as turbine control, typically the adjustment of the turbine blades or turbine inlet grille according to the flow conditions and / or requested turbine power.
- Servo motors in the form of double-acting hydraulic cylinders are typically used for hydraulic actuation, which have a piston and a piston rod connected to the piston as an actuating element. About the piston rod, which can be moved between two end positions, the shut-off valves and / or the turbine control are then actuated. Even in case of failure of a hydraulic pump as a pressure source yet
- the pressure source in each case has at least one
- Pressure accumulator which is often realized as a piston accumulator.
- a piston accumulator stores the working fluid of the hydraulic system under pressure against the pressure of a gas spring or an air chamber.
- the accumulator is typically filled during normal operation of a hydraulic pump, which ensures the operation of the shut-off valves and / or the turbine control in regular operation.
- the turbine control of the pressure accumulator also serves to reduce pressure surges during dynamic control operations in the hydraulic system.
- Pressure accumulator needed to realize the sequence described above, on, to be able to.
- the very large volume required of the pressure accumulator represents a significant disadvantage.
- the object of the present invention is now to avoid this disadvantage, and to provide a device for actuating a shut-off and / or a turbine control, which with a pressure accumulator with lesser volume, without sacrificing the
- the piston divides the volume of the cylinder in the conventional manner into a first and a second volume.
- the first volume is between the one end of the cylinder and the piston.
- the second volume between the other end of the cylinder and the piston.
- the piston rod extends. It is thus composed of an annular volume with the working fluid of the hydraulic system and the volume of the rod. The fact that now this second volume is permanently connected to the accumulator, it comes at a
- connection of the second volume with the pressure accumulator is free of a controllable valve or the like.
- Pressure accumulator can be performed in particular as an unregulated connection without a valve or the like. This will add another valve or a
- Valve device saved and in addition can be the control and
- the pressure source in addition to the at least one pressure accumulator comprises at least one hydraulic pump, which sucks working fluid from the hydraulic tank.
- This at least one hydraulic pump typically there will be several redundant hydraulic pumps for safety reasons, can be used as a pressure source for the conventional operation of the hydraulic system. It can work together with the pressure accumulator, which is then one during dynamic processes
- the hydraulic tank itself can either be designed as a so-called open system in which the hydraulic tank is at ambient pressure, or as a so-called closed system in which the hydraulic tank is at a first lower pressure level, while the hydraulic system itself operates at a second higher pressure level.
- the piston rod one to 5 to 25 Percent larger diameter than piston rods in conventional structures.
- the device according to the invention can be operated with one or more conventional hydraulic cylinders. However, because the difference in volume between the ring volume and the piston volume of
- the piston rod has a slightly larger diameter and thus a slightly larger volume than in conventional systems.
- a diameter which is 5 to 25 percent larger than the diameter of conventional piston rods has been found to be particularly suitable for ensuring very good functionality in the manner described above.
- the particularly preferred use of the device for actuating a shut-off device and / or a turbine control is particularly in the field of pumped storage power plants, since in particular for the operation of the shut-off relatively high safety standards, since the shut off from the shut-off pressure lines in pumped storage power plants typically have very high water pressures have to be shut off safely and reliably in an emergency.
- the structural conditions are often very narrow, so by a volume saving in the
- Showing: 1 shows a device for the hydraulic actuation of a shut-off device and / or a turbine control according to the prior art
- FIG. 2 shows a device for the hydraulic actuation of a shut-off device and / or a turbine control according to the invention.
- the device 1 comprises as an essential element a double-acting hydraulic cylinder 2, which is also referred to as a servomotor.
- This servomotor 2 consists of a cylinder 3 and a piston 4, which is arranged displaceably in the volume of the cylinder 3.
- the piston 4 has on its one side a piston rod 5 as
- the piston rod 5 is intended, for example, to control a shut-off device, such as a ball valve, which is not shown here, may be provided.
- a shut-off device such as a ball valve
- FIG. 1 two states of the piston rod 5 designated as open and closed are shown as actuating elements.
- the only piston 4 present in the servomotor is shown twice inside the cylinder 3, namely both in its first position (open) and in its second position (closed).
- Piston volume VK is called, via a line 6 with a valve device 7 is in communication.
- the valve device 7 knows two states. In the first state, it connects the line 6 to a pressure source 8, which comprises at least one hydraulic pump 10 arranged in a hydraulic tank 9 and a pressure accumulator 11 in the form of a piston accumulator. In the second state - shown here - the valve device 7 connects the pressure source 8 via a line 12 with the second volume on the other side of the piston 4.
- This volume which is arranged annularly around the piston rod 5, hereinafter referred to as ring volume VR ,
- Each connected to the pressure source 8 line 6, 12 is connected by the valve means 7 each with the hydraulic tank 9, so that the working fluid
- the shut-off device is closed in this construction according to the prior art, the servomotor 2 is thus controlled "closed", namely in a state in which the pump 10 is not in operation, then a volume corresponding to the annular volume V Ri is formed is discharged from the pressure accumulator 11.
- the piston volume V K is simultaneously discharged into the hydraulic tank 9 via the valve device 7. If the obturator is opened again by the servo motor 2 being shifted to the "open" position, the pressure accumulator 11 must the piston volume V
- Accumulator 11 are kept accordingly. This is illustrated in the representation of FIG. 1 by three different positions of a piston 13 in the accumulator 11 constructed as a piston accumulator. In a first
- Servo motor 2 is this volume around the ring volume VR, reduced. In the third position shown with 13.3, only a reserve volume VR "remains; available.
- control cycle Zu, Auf, To conceivable would also be conceivable.
- the pressure accumulator 11 would then have to be made larger by a further piston volume V K. to
- Valve device 7 is formed simplified and the line 12 connects the second volume of the servomotor 2 permanently and without interposed valve or throttle connected therebetween with the volume of the pressure accumulator 11.
- This can be designed in particular as a piston accumulator and store the pressure of the working medium, for example, against a gas spring, which typically consists of compressed nitrogen. This method is often used at pressures above 63 bar. Alternatively, and most often applied at pressures below 63 bar, instead of the gas spring with compressed nitrogen, a blast furnace with compressed air and a suitable compressor may be arranged.
- Pressure accumulator 11 executed correspondingly smaller than the pressure accumulator 11 in the representation according to the prior art in Figure 1. Again, the three positions 13.1, 13.2 and 13.3 of the piston 13 in the pressure accumulator 11 analogous to the representation in Figure 1 can be seen. The procedure when closing the
- V st V K - V Ri
- Rod volume Vst that is the ring volume VRI
- the size of the pressure accumulator 11 can be minimized without having to accept reduced functionality. For the described procedure, it is thus sufficient to store a total volume in the size of the piston volume V K in the pressure accumulator 11.
- the device 1 according to the invention now works particularly well when the piston rod 5 in the device 1 according to the invention has a slightly larger diameter than the piston rod 5 in the conventional construction according to the prior art in FIG. 1. This difference in the diameter of the piston rod 5 Of course, this also changes the rod volume V st . This gets bigger. At the same time, the ring volume VRI decreases, so that even more space of the pressure accumulator can be saved.
- the potential of the savings and possible structures will be shown below with reference to the table.
- the table shows two numerical examples, once for a device 1 with a servomotor 2, as shown in Figures 1 and 2, and once for a structure with two servomotors instead of the one servomotor 2 from the illustration in the figures. This shows in each case a saving in the order of 36 to 41 percent of the volume of the pressure accumulator 11. Such a saving is especially at
- a saving for the volume of the pressure accumulator 11 by more than 1/3 can be achieved in any case compared to the device 1 according to the prior art.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur hydraulischen Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung in einem Wasserkraftwerk, mit wenigstens einem doppelwirkenden Hydraulikzylinder (2), welcher einen verschieblichen Kolben (4) umfasst, der das Volumen des Zylinders (3) in ein erstes Volumen (VK) zwischen dem einen Ende des Zylinders und dem Kolben und in ein zweites Volumen (VRj) zwischen dem anderen Ende des Zylinders und dem Kolben teilt, wobei mit dem Kolben eine Kolbenstange als Betätigungselement verbunden ist, und wobei die Kolbenstange (5) das zweite Volumen durchdringt; einer Druckquelle (8), welche zumindest einen Druckspeicher (11) umfasst; und einer Ventileinrichtung (7), über welche das erste Volumen wahlweise mit der Druckquelle oder einem Hydrauliktank (9) zum Verschieben des Kolbens in dem Zylinder verbindbar ist, wobei das zweite Volumen (VRi) permanent mit dem Druckspeicher (11) verbunden ist.
Description
Vorrichtung zur hydraulischen Betätigung eines Absperrorgans
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Betätigung eines
Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung in einem Wasserkraftwerk mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Merkmalen. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Im Bereich von Wasserkraftwerken sind Vorrichtungen zur hydraulischen
Betätigung von Absperrorganen und/oder einer Turbinenregelung aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise ist ein Hydrauliksystem vorhanden, welches Absperrorgane, wie beispielsweise Kugelschieber oder dergleichen, ebenso steuert wie die Turbinenregelung, typischerweise also die Verstellung der Turbinenblätter oder eines Turbineneinlassgitters entsprechend der Strömungsbedingungen und/oder der angeforderten Leistung an der Turbine. Zur hydraulischen Betätigung sind dabei typischerweise Servomotoren in Form von doppelwirkenden Hydraulikzylindern eingesetzt, welche über einen Kolben und eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange als Betätigungselement verfügen. Über die Kolbenstange, welche sich zwischen zwei Endpositionen verschieben lässt, werden die Absperrorgane und/oder die Turbinenregelung dann betätigt. Um auch bei einem Ausfall einer Hydraulikpumpe als Druckquelle noch
ausreichend Druck zur Verfügung zu haben, um insbesondere Absperrorgahe betätigen zu können, weist die Druckquelle in jedem Fall wenigstens einen
Druckspeicher auf, welcher häufig als Kolbenspeicher realisiert ist. Ein solcher Kolbenspeicher speichert das Arbeitsmedium des Hydrauliksystems unter Druck gegen den Druck einer Gasfeder oder eines Windkessels.
Nach der Norm IEC 61362 ist es dabei erforderlich, dass ein Turbinenregler mit dem im Druckspeicher bevorrateten Druck wenigstens einmal in eine
Geschlossenstellung, dann wieder in eine Offenstellung und anschließend wieder zurück in eine Geschlossenstellung bewegt werden kann. Dies hat den
Hintergrund, dass im Falle einer Störung eine Geschlossenstellung angefahren werden kann. Sollte sich herausstellen, dass dies nicht die geeignete Maßnahme war, dann muss die Offenstellung wieder angefahren werden, und falls dann erneut ein Schließen notwendig ist, muss auch dieses noch mit dem Druck aus dem Druckspeicher realisiert werden können. Die oben genannte Norm gilt nicht für alle Länder. Allerdings ist es aufgrund der kundenspezifischen Auslegung derartiger Absperrorgane oder Regler in Wasserkraftwerken häufig üblich, ein vergleichbares Szenario zu realisieren, sodass der Druckspeicher auch dann typischerweise die Abfolge Zu, Auf, Zu mit dem bevorrateten Druck ermöglichen muss.
Der Druckspeicher wird dabei während des regulären Betriebs typischerweise von einer Hydraulikpumpe befüllt, welche im regulären Betrieb auch die Betätigung der Absperrorgane und/oder der Turbinenreglung gewährleistet. Insbesondere bei der Turbinenregelung dient der Druckspeicher außerdem zur Verminderung von Druckstößen bei dynamischen Regelungsvorgängen in dem Hydrauliksystem.
Der oben beschriebene Aufbau, welcher so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, ist typischerweise sehr zuverlässig und sicher. Er weist jedoch den Nachteil auf, dass er ein vergleichsweise großes Speichervolumen im
Druckspeicher benötigt, um die oben beschriebene Abfolge von Zu, Auf, Zu realisieren zu können. Insbesondere bei Pumpspeicherkraftwerken, bei welchen häufig Kavernen für die Systemtechnik des Kraftwerks aus dem Fels gesprengt werden müssen, stellt das sehr große benötigte Volumen des Druckspeichers einen erheblichen Nachteil dar.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteil zu vermeiden, und eine Vorrichtung zur Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung anzugeben, welche mit einem Druckspeicher mit
geringerem Volumen auskommt, ohne dabei Einbußen hinsichtlich der
Betätigbarkeit und der Sicherheit zu verursachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben und ergeben sich aus den Verwendungsansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung teilt also der Kolben das Volumen des Zylinders in der herkömmlichen Art in ein erstes und ein zweites Volumen auf. Das erste Volumen liegt zwischen dem einen Ende des Zylinders und dem Kolben. Das zweite Volumen zwischen dem anderen Ende des Zylinders und dem Kolben.
Durch das zweite Volumen verläuft die Kolbenstange. Es setzt sich also aus einem ringförmigen Volumen mit dem Arbeitsmedium des Hydrauliksystems und dem Volumen der Stange zusammen. Dadurch, dass nun dieses zweite Volumen permanent mit dem Druckspeicher verbunden ist, kommt es bei einem
Verschieben des Kolbens in Richtung des zweiten Volumens, also so, dass die Kolbenstange maximal aus dem Zylinder herausragt, zu einer Entnahme des Kolbenvolumens aus dem Druckspeicher, während gleichzeitig das Ringvolumen zurück in den Druckspeicher gepresst wird. Die Differenz zwischen diesen beiden Volumen ist dabei das Volumen der Kolbenstange. Dieses Stangenvolumen wird letztlich dem Druckspeicher entnommen. Dieses ist typischerweise sehr viel kleiner als das Kolbenvolumen, welches bei herkömmlichen Systemen aus dem
Druckspeicher entnommen wird. Bei der Betätigung in diese Richtung wird also das Ringvolumen eingespart. Dies ermöglicht einen kleineren Druckspeicher, welcher wiederum Bauvolumen im Bereich des Druckspeichers einspart. Außerdem kann die Ventileinrichtung einfacher gestaltet werden, da diese lediglich einen Druckanschluss zwischen dem Zylinder und der Ventileinrichtung benötigt.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass die Verbindung des zweiten Volumens mit dem Druckspeicher frei von einem regelbaren Ventil oder dergleichen ist. Die Verbindung zwischen dem zweiten Volumen und dem
Druckspeicher kann insbesondere als ungeregelte Verbindung ohne Ventil oder dergleichen ausgeführt werden. Dadurch wird ein weiteres Ventil oder ein
Anschlusselement an der mit dem Zylinder in Verbindung stehenden
Ventileinrichtung eingespart und zusätzlich lässt sich der Steuerungs- und
Regelungsaufwand minimieren.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Druckquelle neben dem wenigstens einen Druckspeicher zumindest eine Hydraulikpumpe umfasst, welche Arbeitsmedium aus dem Hydrauliktank ansaugt. Diese wenigstens eine Hydraulikpumpe, typischerweise werden aus Gründen der Sicherheit mehrere redundante Hydraulikpumpen vorhanden sein, kann als Druckquelle für den herkömmlichen Betrieb des Hydrauliksystems genutzt werden. Sie kann zusammen mit dem Druckspeicher, welcher dann eine bei dynamischen Vorgängen
unterstützende Funktion, aber auch eine die Druckspitzen in dem Hydrauliksystem dämpfende Funktion übernimmt, im regulären Betrieb die Funktionalität des Hydrauliksystems gewährleisten. Außerdem stellt sie sicher, dass im regulären Betrieb der Druckspeicher immer gefüllt ist und so für Notfälle bereitsteht. Der Hydrauliktank selbst kann dabei entweder als sogenanntes offenes System ausgeführt sein, bei welchem der Hydrauliktank auf Umgebungsdruck liegt, oder auch als sogenanntes geschlossenes System, bei dem der Hydrauliktank auf einem ersten unteren Druckniveau liegt, während das Hydrauliksystem selbst auf einem zweiten höheren Druckniveau arbeitet.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Kolbenstange einen um 5 bis 25
Prozent größeren Durchmesser aufweist, als Kolbenstangen in herkömmlichen Aufbauten. Prinzipiell lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem oder mehreren herkömmlichen Hydraulikzylindern betreiben. Da jedoch die Differenz in dem Volumen zwischen dem Ringvolumen und dem Kolbenvolumen von
entscheidender Bedeutung für die Funktionalität in der oben beschriebenen Art ist, ist es von Vorteil, wenn die Kolbenstange einen etwas größeren Durchmesser und damit ein etwas größeres Volumen als bei herkömmlichen Systemen aufweist. Einen Durchmesser, welcher um 5 bis 25 Prozent größer als der Durchmesser herkömmlicher Kolbenstangen ist, hat sich als besonders geeignet erwiesen, um eine sehr gute Funktionalität in der oben beschriebenen Art und Weise zu gewährleisten.
Die besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung zur Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung liegt dabei insbesondere im Bereich von Pumpspeicherkraftwerken, da hier insbesondere für die Betätigung der Absperrorgane relativ hohe Sicherheitsstandards gelten, da die von den Absperrorganen abzusperrenden Druckleitungen in Pumpspeicherkraftwerken typischerweise über sehr hohe Wasserdrücke verfügen, welche im Notfall sicher und zuverlässig abgesperrt werden müssen. Die baulichen Gegebenheiten sind häufig sehr eingeengt, sodass durch eine Volumeneinsparung bei dem
Druckspeicher ein besonders großer Vorteil erzielt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich nachfolgend aus dem Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur hydraulischen Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung gemäß dem Stand der Technik; und
Figur 2 eine Vorrichtung zur hydraulischen Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Betätigung eines
Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung in einem Wasserkraftwerk gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst als wesentliches Element einen doppelwirkenden Hydraulikzylinder 2, welcher auch als Servomotor bezeichnet wird. Dieser Servomotor 2 besteht aus einem Zylinder 3 sowie einem Kolben 4, welcher verschieblich in dem Volumen des Zylinders 3 angeordnet ist. Der Kolben 4 weist auf seiner einen Seite eine Kolbenstange 5 als
Betätigungselement auf. Die Kolbenstange 5 soll beispielsweise zur Steuerung eines Absperrorgans, wie beispielsweise eines Kugelschiebers, welcher hier nicht dargestellt ist, vorgesehen sein. In der Darstellung der Figur 1 zeigen sich zwei mit Auf und Zu bezeichnete Zustände der Kolbenstange 5 als Betätigungselement. In der Darstellung des Servomotors 2 ist der einzige in dem Servomotor vorhandene Kolben 4 innerhalb des Zylinders 3 dabei doppelt dargestellt, nämlich sowohl in seiner ersten Position (Auf) als auch in seiner zweiten Position (Zu).
In der stark vereinfachten Darstellung ist zu erkennen, dass ein in der Darstellung unterhalb des Kolbens 4 angeordnetes Volumen, welches nachfolgend als
Kolbenvolumen VK bezeichnet wird, über eine Leitung 6 mit einer Ventileinrichtung 7 in Verbindung steht. Die Ventileinrichtung 7 kennt zwei Zustände. In dem ersten Zustand verbindet sie die Leitung 6 mit einer Druckquelle 8, welche wenigstens eine in einem Hydrauliktank 9 angeordnete Hydraulikpumpe 10 sowie einen Druckspeicher 11 in Form eines Kolbenspeichers umfasst.
In dem zweiten - hier dargestellten - Zustand verbindet die Ventileinrichtung 7 die Druckquelle 8 über eine Leitung 12 mit dem zweiten Volumen auf der anderen Seite des Kolbens 4. Dieses Volumen, welches ringförmig um die Kolbenstange 5 angeordnet ist, wird nachfolgend als Ringvolumen VR, bezeichnet. Die jeweils nicht mit der Druckquelle 8 verbundene Leitung 6, 12 wird durch die Ventileinrichtung 7 jeweils mit dem Hydrauliktank 9 verbunden, sodass das Arbeitsmedium
entsprechend abströmen kann. Wird bei diesem Aufbau gemäß dem Stand der Technik nun beispielsweise das Absperrorgan geschlossen, der Servomotor 2 also nach„Zu" gesteuert, und zwar in einem Zustand, in dem die Pumpe 10 nicht in Betrieb ist, dann wird ein dem Ringvolumen VRi entsprechendes Volumen aus dem Druckspeicher 11 entnommen. Über die Ventileinrichtung 7 wird gleichzeitig das Kolbenvolumen VK in den Hydrauliktank 9 abgelassen. Kommt es nun zu einem erneuten Öffnen des Absperrorgans, indem der Servomotor 2 in die Position„Auf" verschoben wird, so muss dem Druckspeicher 11 das Kolbenvolumen V
entnommen werden, während über die Ventileinrichtung 7 das Ringvolumen VRi in den Hydrauliktank 9 abgelassen wird. Diese Volumina müssen in dem
Druckspeicher 11 entsprechend vorgehalten werden. Dies ist in der Darstellung der Figur 1 durch drei unterschiedliche Positionen eines Kolbens 13 in dem als Kolbenspeicher ausgebildeten Druckspeicher 11 dargestellt. In einer ersten
Position des Kolbens 13, welche mit 13.1 bezeichnet ist, weist dieser das gesamte benötigte Volumen auf. In der zweiten Position nach einem Schließen des
Servomotors 2 ist dieses Volumen um das Ringvolumen VR, verringert. In der dritten mit 13.3 dargestellten Position ist lediglich noch ein Reservevolumen VR«; vorhanden.
Die Darstellung und die Beschreibung beschränkt sich dabei auf den Steuerzyklus Zu, Auf zur Verdeutlichung des Sachverhalts. Prinzipiell wäre auch der eingangs beschriebene Steuerzyklus Zu, Auf, Zu denkbar. Der Druckspeicher 11 müsste dann um ein weiteres Kolbenvolumen VK größer ausgebildet werden. Zur
Vereinfachung soll nachfolgend jedoch lediglich von einem Steuerungszyklus Zu,
Auf sowohl bei dem hier dargestellten Stand der Technik, als auch bei dem in Figur 2 dargestellten Aufbau gemäß der Erfindung ausgegangen werden.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun weitgehend derselbe Aufbau wie in der Darstellung der Figur 1 zu erkennen. Allerdings ist bei diesem Aufbau die
Ventileinrichtung 7 vereinfacht ausgebildet und die Leitung 12 verbindet das zweite Volumen des Servomotors 2 permanent und ohne dazwischen geschaltetes Ventil oder dazwischen geschaltete Drossel mit dem Volumen des Druckspeichers 11. Diese kann insbesondere als Kolbenspeicher ausgebildet sein und den Druck des Arbeitsmediums beispielsweise gegen eine Gasfeder speichern, welche typischerweise aus verdichtetem Stickstoff besteht. Dieses Verfahren wird oft bei Drücken oberhalb von 63 bar angewandt. Alternativ dazu, und meist bei Drücken unterhalb von 63 bar angewandt, kann anstelle der Gasfeder mit verdichtetem Stickstoff ein Windkessel mit verdichteter Luft und einem geeigneten Kompressor angeordnet sein.
Wie es bereits aus der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, ist der
Druckspeicher 11 entsprechend kleiner ausgeführt, als der Druckspeicher 11 bei der Darstellung gemäß dem Stand der Technik in Figur 1. Auch hier sind die drei Positionen 13.1, 13.2 und 13.3 des Kolbens 13 in dem Druckspeicher 11 analog der Darstellung in Figur 1 zu erkennen. Der Ablauf beim Schließen des
Absperrorgans, also so, dass der Servomotor 2 in die mit„Zu" bezeichnete
Position fährt, ist nun analog dem Verhalten beim herkömmlichen Prinzip. Auch hier wird die Ventileinrichtung 7 so geschaltet, dass in dem ersten Volumen befindliche Arbeitsmedium in den Hydrauliktank 9 abströmen kann. Das gesamte Kolbenvolumen V« wird also abgelassen. Dazu strömt über die permanent mit dem Druckspeicher 11 verbundene Leitung 12 Arbeitsmedium in das Volumen 2. Die Menge des Arbeitsmediums entspricht dem Volumen des Ringvolumens VRi.
Kommt es nun zu einem Öffnen, also einer Bewegung des Servomotors von der Stellung„Zu" in die Stellung„Auf, so verbindet die Ventileinrichtung 7 die
Druckquelle 8, in diesem Fall den Druckspeicher 11 mit der Leitung 6. Über diese strömt das Kolbenvolumen VK in den Zylinder 3 des Servomotors 2. Dadurch, dass trotz desselben Drucks im ersten und zweiten Volumen im Bereich des ersten Volumens die gesamte Kolbenfläche mit dem Arbeitsmedium in Verbindung steht und im Bereich des zweiten Volumens lediglich die eine Ringfläche, also die Kolbenfläche abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenstange 5, kommt es zu einer gewünschten Bewegung des Servomotors 2. Das Ringvolumen VRJ wird dabei in den Bereich des Druckspeichers 11 zurückgepresst. In Summe wird damit aus dem Druckspeicher 11 lediglich das Volumen benötigt, welches die Stange einnimmt, das sogenannte Stangenvolumen Vst, welches sich aus der Differenz des Kolbenvolumens VK und des Ringvolumens V^ ergibt:
Vst = VK - VRi
Aus dem Druckspeicher 11 wird somit lediglich das Stangenvolumen Vst
entnommen, die Differenz zwischen dem Kolbenvolumen VK und dem
Stangenvolumen Vst, also das Ringvolumen VRI, wird eingespart. Dadurch lässt sich die Größe des Druckspeichers 11 minimieren, ohne eine verringerte Funktionalität in Kauf nehmen zu müssen. Für den beschriebenen Ablauf reicht es somit aus, ein Gesamtvolumen in Größe des Kolbenvolumens VK in dem Druckspeicher 11 zu bevorraten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 funktioniert nun besonders gut, wenn die Kolbenstange 5 in der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung einen etwas größeren Durchmesser aufweist, als die Kolbenstange 5 in dem herkömmlichen Aufbau gemäß dem Stand der Technik in Figur 1. Dieser Unterschied im Durchmesser der Kolbenstange 5 ändert dabei selbstverständlich auch das Stangenvolumen Vst. Dieses wird entsprechend größer. Gleichzeitig verringert sich das Ringvolumen VRI,
sodass hierdurch noch weiterer Bauraum des Druckspeichers eingespart werden kann.
Das Potential der Einsparung und mögliche Aufbauten sollen nachfolgend anhand der Tabelle dargestellten werden. Die Tabelle zeigt zwei Zahlenbeispiele, einmal für eine Vorrichtung 1 mit einem Servomotor 2, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, und einmal für einen Aufbau mit zwei Servomotoren anstelle des einen Servomotors 2 aus der Darstellung in den Figuren. Es zeigt sich hierbei jeweils eine Einsparung in der Größenordnung von 36 bis 41 Prozent am Volumen des Druckspeichers 11. Eine solche Einsparung ist insbesondere bei
Pumpspeicherkraftwerken, in welchen das für ein solches System benötigte Volumen häufig aus dem Fels gesprengt werden muss, von entscheidendem Vorteil.
Beispiel für eine Auslegung:
Figur 1 Figur 2 Einsparung
(Stand der
Technik)
Ein Servomotor (2)
Kolbendurchmesser [mm] 540 570
Stangendurchmesser [mm] 270 320
Hub [mm] 2400 2400
Kolbenvolumen [I] 550 612
Ringvolumen [I] 412 419
Stangenvolumen [I] 137 193
Arbeitsmediumvolumen Zu - Auf [I] 962 612 36%
VRi + VK V« + Vst
Figur 1 Figur 2 Einsparung
(Stand der
Technik) .
Zwei Servomotoren (2)
Kolbendurchmesser [mm] 400 400
Stangendurchmesser [mm] 220 230
Hub [mm] 2400 2400
Kolbenvolumen [1] 302 302
Ringvolumen [1] 210 202
Stangenvolumen [1] 91 100
Arbeitsmediumvolumen Zu - Auf [1] 1024 603 41%
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 lässt sich gegenüber der Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik also in jedem Fall eine Einsparung für das Volumen des Druckspeichers 11 um mehr als 1/3 erreichen.
Claims
1. Vorrichtung (1) zur hydraulischen Betätigung eines Absperrorgans und/oder einer Turbinenregelung in einem Wasserkraftwerk, mit:
1.1 wenigstens einem doppelwirkenden Hydraulikzylinder (2), welcher einen verschieblichen Kolben (4) umfasst, der das Volumen des Zylinders (3) in ein erstes Volumen (VK) zwischen dem einen Ende des Zylinders (3) und dem Kolben (4) und in ein zweites Volumen (VR,) zwischen dem anderen Ende des Zylinders (3) und dem Kolben (4) teilt, wobei mit dem Kolben (4) eine Kolbenstange (5) als Betätigungselement verbunden ist, und wobei die Kolbenstange (5) das zweite Volumen (VRj) durchdringt;
1.2 einer Druckquelle (8), welche zumindest einen Druckspeicher (11) umfasst; und
1.3 einer Ventileinrichtung (7), über welche das erste Volumen (VK) wahlweise mit der DruckqueJIe (8) oder einem Hydrauliktank (9) zum Verschieben des Kolbens (4) in dem Zylinder (3) verbindbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 das zweite Volumen (VR permanent mit dem Druckspeicher (11)
verbunden ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindung (12) des zweiten Volumens (VRj) mit dem Druckspeicher (11) frei von einem regelbaren Ventil oder dergleichen ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (11) als Kolbenspeicher mit einer Gasfeder ausgebildet ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (11) als Windkessel ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (8) neben dem wenigstens einen Druckspeicher (11) zumindest eine Hydraulikpumpe (10) umfasst, welche Arbeitsmedium aus dem Hydrauliktank (9) ansaugt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hydrauliktank (9) als Drucktank ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hydrauliktank (9) gegenüber der Umgebung offen ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (5) einen um 5 bis 25 Prozent größeren Durchmesser als Kolbenstangen in herkömmlichen Aufbauten aufweist.
9. Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in
einem Pumpspeicherkraftwerk.
10. Verwendung der Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 zum Betätigen von
Absperrorganen zum Absperren des Wasserzuflusses zu wenigstens einer Turbine.
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