WO2019042925A1 - Elektronische synchronisation von drehkolben einer getriebelosen drehkolbenpumpe mit gradverzahnten drehkolben - Google Patents

Elektronische synchronisation von drehkolben einer getriebelosen drehkolbenpumpe mit gradverzahnten drehkolben Download PDF

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Paul Krampe
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Vogelsang Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a hydropower plant with a rotary engine, comprising an engine housing with an engine compartment, an inlet and outlet port, a first, multi-bladed rotary piston, which is arranged in the engine compartment and rotatably supported about a first axis, and a second arranged in the engine compartment, multi-bladed rotary piston which is rotatably mounted about a second axis spaced from the second axis and the first rotary piston meshingly engages, wherein the first and second rotary piston by a fluid flow from the inlet to the outlet port in rotation about the first and second axis , a first generator mechanically coupled to the first rotary piston for driving by the first rotary piston, and a second generator mechanically coupled to the second rotary piston for driving by the second rotary piston.
  • the invention further relates to a control unit for such a hydropower plant.
  • EP 2 035 691 B1 discloses such a hydropower plant.
  • an apparatus for use in controlling a differential pressure between a liquid column upstream and downstream of the apparatus comprising at least two impellers, each having a rotatable axle provided with a plurality of blades or plate-shaped blades, the impellers in one Housing are arranged, which are connected to a pipeline wherein the axles are in communication with a controllable load and / or energy source, the apparatus being arranged to receive the liquid column between the axles of the idlers, the centerline of axles being substantially in the same plane as the wall portions of the housing upstream and downstream of the impellers, wherein the velocity in front of the liquid column through the apparatus is substantially equal to the velocity in front of the liquid column immediately upstream and / or downstream of the impellers of the apparatus.
  • the impellers of the apparatus are arranged to provide a rotatable barrier for the liquid column, wherein at least one of the blades or blades of each of the impellers is substantially sealing contact with a first portion of the inner casing surface of the casing, and wherein A portion of at least one other of the blades or blades of each of the impellers sealingly overlaps and abuts against a portion of at least one corresponding blade or blade from the adjacent impeller.
  • the barrier is influenced by the controllable load and / or energy source of each predetermined differential pressure between the liquid columns upstream and downstream of the device.
  • EP 2 035 691 B1 proposes a synchronization mechanism which, however, is not shown in EP 2 035 691 B1.
  • Such a synchronization mechanism may in particular be a synchronous transmission which connects shafts of the two wheels so that they run synchronously.
  • a problem that occurs especially in gradveriereten rotary pistons is that at a certain rotational position each of the water columns on a leading and a trailing wing of the rotary pistons are the same size, so that no torque is generated about the axis or shaft of the corresponding rotary piston through the water column ,
  • the other, with the first meshing rotary piston is in this position usually in a position of maximum torque, so that a torque transmission from the second to the first rotary piston takes place.
  • wear on the contact surfaces is very high, and the rotary engine runs out of round.
  • European Patent Application 2 914 812 proposes equipping the first and second rotary pistons each with a number of n vanes, where n is greater than or equal to 2, and the vanes of the first and second rotary pistons extend helically along the peripheral surface of the rotary piston and thereby an angle of at least 300 ° divided by n, preferably 360 ° divided by n strike.
  • HiFlo pistons simple helical piston (sold by the assignee under the name HiFlo pistons)
  • the operation without constant velocity gear is possible, and also the achievement of equal torques on the generators possible, with a torque influence by the expiration movement of the piston is present.
  • HiFlo Plus pistons which are fully offset. These enable operation without constant velocity gearbox with the same torques.
  • the geometry of both the helical piston and the fully displaced piston is complex, and it is desirable to also achieve synchronization of the rotary pistons with simpler geometries.
  • An object of the invention is therefore to provide a hydroelectric plant of the type mentioned, which can work with geometrically simple rotary piston.
  • a control unit for synchronizing the first and second rotary pistons which is operably connected to the first and second generators and is adapted to reduce a load decrease at the first and second generators and / or to energize the first and second generators such that torque transmission from one of the first and second rotary pistons to the other of the first and second rotary pistons is substantially avoided.
  • a control unit for synchronizing the first and second rotary pistons which is operably connected to the first and second generators and is adapted to reduce a load decrease at the first and second generators and / or to energize the first and second generators such that torque transmission from one of the first and second rotary pistons to the other of the first and second rotary pistons is substantially avoided.
  • an increase in the load decrease is conceivable and preferred, in particular if both generators are to be simultaneously influenced by the control unit.
  • an electrical synchronization of the first and second rotary pistons is provided.
  • the power consumed results from the product of speed and torque.
  • the speed can not be varied separately for each rotary piston since the rotary pistons mesh with one another. That is, with varying torque, it is necessary to vary the power consumed to achieve synchronization of the rotary pistons.
  • the control unit can vary the load decrease so far that an energization of the generators is provided. This may be necessary in particular for very slowly rotating rotary pistons. For faster rotating lobes, the inertia of the lobes helps to overcome the "dead center" where no torque is applied to the lobe due to the fluid flowing in. However, with slowly rotating lobes, the corresponding generator of the lobe may be required for a short time to energize, to turn the rotary piston beyond this dead center, so that he can take a moment again due to inflowing fluid.
  • rotary engine and “rotary lobe pump” are synonymous.
  • generator and “electric motor” are synonymous, and whether the device is operated as a rotary piston engine or rotary lobe pump depends only on whether the electrical machines (ie generator or electric motor) are energized or generated by rotation of the rotary piston power becomes.
  • a rotary piston pump comprising a pump housing with a pump chamber, an inlet and an outlet opening, a first, multi-leaf rotary piston, which is arranged in the pump chamber and rotatably mounted about a first axis, and a second in the multi-bladed rotary piston arranged in the pump chamber, which is rotatably mounted about a second axis spaced from the first axis and meshes with the first rotary piston, the first and second rotary pistons pumping a fluid flow from the inlet to the outlet opening by rotation, a first one A drive motor, which is mechanically coupled to the first rotary piston for driving the first rotary piston, and a second drive motor, which is mechanically coupled to the second rotary piston for driving the second rotary piston, wherein a control unit for synchronizing the first and second rotary pistons is provided with the first and second Drive motors is operably connected and adapted to energize the first and second drive motors so that a torque
  • the device disclosed herein can thus be used on the one hand as a pump and on the other hand as a motor.
  • a temporary operation as a pump or as an engine is conceivable, in particular in the case of hydropower plants of the type mentioned in the introduction.
  • Power plants are also used to pump water from a lower pool into an upper storage tank and then generate electricity as needed by passing water from the upper pool through the rotary engine to the lower pool.
  • Such devices are also referred to as storage power plant.
  • the control unit is configured to reduce the load decrease at the first and second generators and / or to energize the first and second generators in dependence on a rotation angle of the first and / or second rotary piston.
  • the control unit is configured to reduce the load decrease on the first and second generators and / or to power the first and second generators in dependence on a torque acting on the first and / or second rotary pistons.
  • the rotary pistons are straight-toothed. Particularly in the case of straight-toothed rotary pistons, the above-described problem occurs, and straight-toothed rotary pistons are particularly easy to produce.
  • the rotary pistons each have two wings. Furthermore, it is preferred that the rotary pistons each have three wings. It can also be provided that the rotary pistons have four or more wings. However, it has been found that three blades result in an efficient rotary piston in which a synchronization leads to a very uniform torque curve.
  • the load reduction or energization of the corresponding generator in each case at rotational positions of 0 ° and 180 ° preferred, while in three-bladed rotary pistons, a reduction of the load decrease or energization of the generator is preferred at least to rotational positions of 0 °, 120 ° and 240 °.
  • a reduction of the load decrease or energization of the generator is preferred at least to rotational positions of 0 °, 120 ° and 240 °.
  • the first rotary piston is disposed on a first shaft extending to the first generator
  • the second rotary piston is disposed on the second shaft extending to the second generator.
  • the torques are transmitted from the rotary pistons to the generator or from an energized generator (electric motor) for driving the rotary pistons to the rotary piston via the shafts.
  • the rotary pistons are each coupled directly to the generator, that is without the interposition of a transmission.
  • the hydropower plant has a rotary encoder for the first and / or second rotary piston.
  • the rotary encoder can be arranged for example on the first and / or second shaft, on the rotary piston itself or on the respective generators or electric motors.
  • the control unit is configured to reduce the load decrease at the first and second generators substantially sinusoidally and / or to energize the first and second generators substantially sinusoidally.
  • the fluctuation of the torques due to the rotating rotary pistons is also sinusoidal.
  • the fluctuation of the first rotary piston is sinusoidal and the fluctuation of the second rotary piston is cosinusoidal.
  • it is sufficient to help the respective rotary piston only beyond the dead center in order to cushion the deposition torque at the dead centers.
  • a synchronization over the complete rotation of the rotary piston leads to a particularly uniform running of the rotary piston motor or the rotary piston pump and is therefore preferred.
  • the control unit is preferably configured to reduce the load decrease at the first and second generators substantially sinusoidally and / or to energize the first and second generators substantially sinusoidally in order to achieve a particularly uniform course.
  • the sealing line of the respective rotary pistons can also be used.
  • the rotary pistons each have a sealing line to the housing and a sealing line to the other rotary piston. If these sealing lines are equidistant to the axis of rotation, the load moment applied to the rotary piston is zero due to the fluid. The Piston would be resting in this case.
  • control unit is configured to substantially energize the first and second generators when sealing lines on two vanes of a rotary piston are equidistant from the axis of the rotary piston.
  • the hydroelectric power plant comprises a rotary piston engine, comprising a motor housing with an engine compartment, an inlet and an outlet opening, a first multi-leaf rotary piston arranged in the engine compartment and is rotatably mounted about a first axis, and a second arranged in the engine compartment multi-leaf rotary piston which is rotatably mounted about a first axis spaced from the second axis and meshing with the first rotary piston, wherein the first and second rotary piston by a fluid flow of the inlet to the outlet port are set in rotation about the first and second axis, a first generator, which is mechanically coupled to the first rotary piston for driving by the first
  • hydropower plant according to the first aspect of the invention and the control unit according to the second aspect of the invention have the same and similar sub-aspects as set forth in particular in the dependent claims.
  • control unit according to the second aspect of the invention reference is made to the hydropower plant according to the first aspect of the invention.
  • the computer program further causes, when executed on the processor: determining a first angle of rotation of the first rotary piston; Reducing the load decrease at the first generator and / or energizing the first generator in dependence on the first rotation angle; and reducing the load on the two th generator and / or energizing the second generator in response to the first angle of rotation.
  • the computer program causes: determining a second angle of rotation of the second rotary piston; and reducing the load decrease on the second generator and / or energizing the second generator as a function of the second rotation angle.
  • the computer program preferably causes: determining a first torque of the first rotary piston; Reducing the load decrease on the first generator and / or energizing the first generator in dependence on the first torque; and reducing the load decrease on the second generator and / or energizing the second generator in dependence on the first torque.
  • the computer program further causes: determining a second torque of the second rotary piston; and reducing the load decrease at the second generator and / or energizing the second generator as a function of the second torque.
  • a water power plant with a rotary engine comprising a motor housing with an engine compartment, an inlet and an outlet opening, a first multi-blade rotary piston, which is arranged in the engine compartment and rotatably supported about a first axis is and a second in the engine compartment arranged
  • Guidekriligen rotary piston which is rotatably mounted about a first axis spaced from the second axis and meshes with the first rotary piston, wherein the first and second rotary piston idströmung from a flow from the inlet to the outlet opening be set in rotation about the first and second axis;
  • a generator assembly mechanically coupled to the first and second rotary pistons for driving by the first and second rotary pistons, and an auxiliary drive assembly for auxiliary driving the first and second rotary pistons, and a control unit for synchronizing the first and second rotary pistons operatively connected to the auxiliary drive assembly and configured to control the auxiliary drive assembly to drive the first and second rotary
  • the control unit does not control the generator assembly; Rather, a separate auxiliary drive arrangement is controlled by the control unit.
  • the generator assembly may be formed as above with respect to the hydropower plant according to the first aspect of the invention.
  • the auxiliary drive arrangement in this case preferably comprises two motors which are separate each can drive the first and second rotary pistons. Influencing of the generators is not necessary in this case, and the missing moment for rotating the rotary pistons, which is not present at the dead center position of the rotary pistons due to the fluid flow, is provided by the auxiliary drive arrangement.
  • This embodiment is particularly suitable for retrofitting existing hydropower plants.
  • the auxiliary drive arrangement can cooperate in the region of the generators with the individual rotary pistons, for example, be connected via a gear with the drive shafts of the rotary pistons.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a rotary piston engine of a hydropower plant
  • 2A, 2B are schematic cross-sectional views of a rotary piston engine with a double-winged rotary piston in two different rotational positions.
  • FIGS. 3A, 3B are schematic cross-sectional views of a rotary piston engine with a three-winged rotary piston in two different rotational positions.
  • a rotary engine 1 which can be used in a hydropower plant according to the present invention, is shown in figures.
  • the rotary engine 1 has an engine housing 2 with an engine compartment 4.
  • the engine compartment has an inlet and an outlet opening 6, 8.
  • a first rotary piston 10 and a second rotary piston 12 are further arranged axially parallel.
  • Each of the rotary pistons 10, 12 is Patflü- gelig.
  • first embodiment shows a rotary piston 10, 12 with two vanes 10a, 10b, 12a, 12b, respectively
  • the second embodiment shows rotary pistons each having three vanes 10a, 10b, 10c, 12a, 12b, 12c.
  • the rotary pistons 10, 12 are each arranged about an axis A1, A1 rotatably in the housing 2 and mesh with each other. In this respect, it is necessary because of the Kämm that the rotary pistons 10, 12 rotate in opposite directions.
  • the rotary pistons 10, 12 are more specifically arranged on shafts 14, 16, which are mechanically coupled to a first electric machine 18 and a second electric machine 20.
  • the electric machines 18, 20 can be operated on the one hand as a generator 19, 21 or as an electric motor 22, 23, depending on whether the electrical machines 18, 20 are used to drive the rotary pistons 10, 12 or of the rotary pistons 10, 12 are driven to generate electrical power.
  • the rotary pistons 10, 12 are each gear-toothed.
  • a helical gearing as described in particular in EP 2 914 812 A1 of the present applicant, is not provided in the rotary pistons 10, 12 according to the present invention.
  • the rotary pistons 10, 12 have a slight inclination, but they are not designed as so-called HiFlo Plus pistons of the Applicant.
  • HiFlo Plus pistons of the Applicant.
  • gradver leopardten rotary piston there is the problem of a torque fluctuation, since the torque, which acts due to the flow of fluid idströmung on the rotary piston, depending on the rotational position of the rotary piston 10, 12 varies. This can be easily understood with reference to FIGS. 2A-3B.
  • the first rotary piston 10 is at a rotational angle position of the first rotational angle a1 of 0 °, while the second rotary piston 12 is at a rotational angular position of the second rotational angle a2 of 270 °.
  • the vanes 10a, 10b are uniformly loaded by fluid having the pressure P2 on the inlet side, which is higher than the pressure P1 of the outlet side. Since both wings 10a, 10b are fully exposed to the pressure P2, no moment acts around the first axis A1.
  • the first sealing line L1 and the second sealing line L2 are evenly spaced from the axis A1, that is equidistant from this.
  • the second rotary piston 12 In contrast, in the second rotary piston 12 only the second vane 12b is exposed to the pressure P2, while the pressure P1 acts only on a part of the rotary piston 12 which is perpendicular to the extension of the two vanes 12a, 12b.
  • the sealing line L2 is significantly closer to the second axis A2 than the sealing line L3.
  • the second torque T2 is maximum.
  • the second piston 12 in the position shown in FIG. 2A, the second piston 12 is forced to rotate clockwise with maximum torque while the first rotary piston 10 is in equilibrium and no torque is applied. In this position, a torque would be transmitted from the second rotary piston 12 to the first rotary piston 10, if no synchronization of the rotary piston 10, 12 is made.
  • the first rotary piston 10 is located at the dead center.
  • FIG. 2B shows a rotational position in which the first rotational angle a1 is 45 ° and the second rotational angle a2 315 °.
  • both rotary pistons 10, 12 are uniformly loaded and insofar acts around the respective axes A1, A2, the same torque.
  • the sealing lines L1, L2 are respectively close to their vertices on the first wing 10a and the second wing 10b, so that the distance between L1 and the axis of rotation A1 and the sealing line L2 and the axis of rotation A1 is equidistant.
  • the second sealing line L2 is arranged with respect to the second rotary piston 12 at a maximum near point with respect to the second axis of rotation A2, namely exactly between the first and third blades 12a, 12c of the second rotary piston 12.
  • FIG. 3B again illustrates a rotational position of the first and second rotary pistons 10, 12, in which the first torque T1 corresponds approximately to the second torque T2.
  • the present invention proposes a control unit 30.
  • the control unit 30 is connected via signal lines 32, 34 to the first and second electric machines 18, 20, in particular the first and second generators 19, 21 or electric motors 22, 23.
  • the control unit 30 is provided to reduce a load decrease of the generators 19, 21 or to energize the generators 19, 21 or to vary a current supply of the electric motors 22, 23, so that a torque transmission from one of the rotary pistons 10, 12 to the other the rotary piston 10, 12, as explained with reference to Figs. 2A and 3B, is avoided.
  • control unit 30 controls the electric machines 18, 20 so as to provide corresponding counter torques corresponding to the fluctuating load due to the rotational position of the rotary pistons 10, 12. More specifically, referring to FIG. 2A, for example, it is necessary to easily energize the first generator 19 to further rotate the first rotary piston 10 to bring it into the position as shown in FIG. 2B. Alone due to the pressure difference P1, P2, the first rotary piston 10 will not move from the rotational position of Fig. 2A. Without synchronization, the rotation of the first rotary piston according to FIG. 2A would be caused solely by the rotation of the second rotary piston 12, whereby a surface pressure on the second sealing line L2 may occur, which leads to wear on the rotary piston 10, 12.
  • the reduction of the load torque or energization of the first and second generators 19, 21 is preferably carried out as a function of the rotation angle a1 of the first rotary piston 10 and / or the rotation angle a2 of the second rotary piston 12.
  • the control unit 30 has at least one processor and a computer program.
  • the rotary piston engine 1 according to the present exemplary embodiment (FIG. 1) has a rotary encoder 36 which determines the angle of rotation a1 of the first shaft 14 of the first rotary piston 10. Due to the toothing of the first and second rotary pistons, the rotational angle a2 of the second rotary piston 12 is known based on the rotational angle a1 of the first rotary piston 10. For this reason, a rotary encoder 36 is sufficient out.
  • a second rotary encoder (not shown) may also be provided on the second shaft 16.
  • the rotary encoder 36 is connected via a signal line 38 to the control unit 30 and provides signals to the control unit 30 which represent the first rotation angle a1. Based on the signals representing the first rotational angle a1, the control unit 30 determines a relative and / or absolute difference of torques at the first and second rotary pistons 10, 12 and controls the first and / or second generator 19, 21 in a corresponding manner, to provide a counter torque via the first and second shafts 14, 16 such that the first and second rotary pistons 10, 12 are synchronized. For example, it may be provided that the control unit at a rotational position as shown in Fig. 2A controls not only the first generator 19, but both the first and the second generator 19, 21.
  • the first generator 19 may for example be operated so that he torque in the direction of rotation, that is, counterclockwise, for the first rotary piston 10 provides and the second rotary piston 12 a counter torque, that is, a counterclockwise torque with respect to the second rotary piston 12 provides, for example, by increasing the load decrease to the counteract maximum due to the fluid flow to the second rotary piston 12 acting torque T2. In this way, the first and second rotary pistons 10, 12 can be electrically synchronized.

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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, mit einem Drehkolbenmotor (1), umfassend ein Motorengehäuse (2) mit einem Motorraum (4), eine Einlass- und eine Auslassöffnung (6, 8), einen ersten Drehkolben (10), der in dem Motorraum (4) angeordnet ist, und einen zweiten Drehkolben (12), wobei der erste und zweite Drehkolben (10,12) durch eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung (6, 8) in Rotation versetzt werden,einem ersten Generator (19), der mit dem ersten Drehkolben (10) gekoppelt ist, und einem zweiten Generator (21), der mit dem zweiten Drehkolben (12) gekoppelt ist. Gemäß der Erfindung ist eine Steuereinheit (30) zum Synchronisieren der Drehkolben (10,12) vorgesehen, die mit den Generatoren (19, 21) betreibbar verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, eine Lastabnahme an den Generatoren (19, 21) zu verringern und/oder die Generatoren (19, 21) zu bestromen, so dass eine Momentenübertragung von einem der Drehkolben (10, 12) auf den anderen der Drehkolben (10, 12) im Wesentlichen vermieden ist.

Description

Elektronische Synchronisation von Drehkolben einer getriebelosen Drehkolbenpumpe mit gradverzahnten Drehkolben
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einem Drehkolbenmotor, umfassend ein Motorengehäuse mit einem Motorraum, eine Einlass- und Auslassöffnung, einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Motorraum angeordnet und um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und einen zweiten in dem Motorraum angeordneten, mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beabstandete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift, wobei der erste und zweite Drehkolben durch eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung in Rotation um die erste bzw. zweite Achse versetzt werden, einen ersten Generator, der mechanisch mit dem ersten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch den ersten Drehkolben, und einen zweiten Generator, der mechanisch mit dem zweiten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch den zweiten Drehkolben.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit für eine solche Wasserkraftanlage. Aus EP 2 035 691 B1 ist eine solche Wasserkraftanlage bekannt. Dort ist eine Vorrichtung zur Verwendung beim Kontrollieren eines Differenzdrucks zwischen einer Flüssigkeitssäule stromaufwärts und stromabwärts von der Vorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung zumindest zwei Laufräder aufweist, jedes davon aufweisend eine drehbare Achse versehen mit einer Mehrzahl von Schaufeln oder plattenförmigen Blättern, wobei die Laufräder in einem Gehäuse angeordnet sind, welches mit einer Rohrleitung verbunden werden kann, wobei die Achsen in Verbindung stehen mit einer kontrollierbaren Last und/oder einer Energiequelle, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist zum Empfangen der Flüssigkeitssäule zwischen den Achsen von den Laufrädern wobei die Mittellinie von Achsen im Wesentlichen in derselben Ebene ist wie die Wandabschnitte von dem Gehäuse strom- aufwärts und stromabwärts von den Laufrädern, wobei die Geschwindigkeit vor der Flüssigkeitssäule durch die Vorrichtung im Wesentlichen der Geschwindigkeit vor der Flüssigkeitssäule direkt stromaufwärts und/oder stromabwärts von den Laufrädern von der Vorrichtung entspricht. Ferner sind die Laufräder der Vorrichtung dazu angeordnet, eine drehbare Barriere für die Flüssigkeitssäule bereitzustellen, wobei zumindest eine von den Schaufeln oder Blättern von jedem von den Laufrädern im Wesentlichen dichtenden Kontakt mit einem ersten Abschnitt von der inneren Ummantelungsoberfläche von dem Gehäuse ist, und wobei ein Abschnitt von zumindest einer anderen von den Schaufeln oder Blättern von jedem von den Laufrädern in dichtender Weise überlappt und anstößt gegen einen Abschnitt von zumindest einer entsprechenden Schaufel oder Blatt von dem angrenzenden Laufrad. Die Barriere ist beeinflusst durch die kontrollierbare Last und/oder Energiequelle von jedem vorbestimmten Differenzdruck zwischen den Flüssigkeitssäulen stromaufwärts und stromabwärts von der Vorrichtung.
Bei solchen Vorrichtungen ist es wichtig, dass die Drehkolben bzw. Laufräder synchron laufen. EP 2 035 691 B1 schlägt dazu einen Synchronisierungsmechanismus vor, der allerdings in EP 2 035 691 B1 nicht gezeigt ist. Ein solcher Synchronisierungsmechanismus kann insbesondere ein Synchrongetriebe sein, welches Wellen der beiden Laufräder so verbindet, dass diese synchron laufen.
Ein Problem, das insbesondere bei gradverzahnten Drehkolben auftritt, ist, dass bei einer bestimmten Drehstellung jeweils die Wassersäulen auf einen vorlaufenden und einen nachlaufenden Flügel der Drehkolben gleich groß sind, sodass kein Drehmoment um die Achse bzw. Welle des entsprechenden Drehkolbens durch die Wassersäule erzeugt wird. Der andere, mit dem ersten kämmende Drehkolben allerdings ist in dieser Position in der Regel in einer Position mit maximalem Drehmoment, sodass eine Drehmomentenübertragung von dem zweiten auf den ersten Drehkolben stattfindet. Hierdurch ist ein Ver- schleiß an den Kontaktflächen sehr hoch, und der Drehkolbenmotor läuft unrund.
Abhilfe schafft hier, wie bereits oben erwähnt, das Synchrongetriebe, das die Drehkolben miteinander synchronisiert. Eine weitere Lösung, die vorgeschlagen wurde, sind Drehkolben, die auf bestimmte Art und Weise schrägverzahnt sind. So wird in der europäischen Patentanmeldung 2 914 812 vorgeschlagen, die ersten und zweiten Drehkolben jeweils mit einer Anzahl von n Flügeln auszustatten, wobei n größer oder gleich 2 ist und die Flügel des ersten und des zweiten Drehkolbens schraubenförmig entlang der Umfangsfläche des Drehkolbens verlaufen und hierbei einen Winkel von zumindest 300° dividiert durch n, vorzugsweise 360° dividiert durch n überstreichen. Bei einfachen schrägverzahnten Kolben (von der Anmelderin unter dem Namen HiFlo-Kolben vertrieben) ist der Betrieb ohne Gleichlaufgetriebe möglich, und auch das Erreichen von gleichen Drehmomenten an den Generatoren möglich, wobei eine Drehmomentenbeeinflussung durch die Ablaufbewegung der Kolben vorliegt.
Von der Anmelderin sind auch sogenannte HiFlo-Plus-Kolben bekannt, die vollversetzt sind. Diese ermöglichen einen Betrieb ohne Gleichlaufgetriebe mit gleichen Drehmomenten. Allerdings ist die Geometrie sowohl der schrägverzahnten Kolben als auch der vollversetzten Kolben komplex, und es ist wünschenswert, auch eine Synchronisierung der Drehkolben mit einfacheren Geometrien zu erreichen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit geometrisch einfachen Drehkolben arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinheit zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben, die mit den ersten und zweiten Generatoren betreibbar verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren zu bestromen, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist. Unter Umständen ist auch eine Erhöhung der Lastabnahme denkbar und bevorzugt, insbesondere wenn beide Generatoren zeitgleich durch die Steuereinheit beeinflusst werden sollen.
Erfindungsgemäß ist also eine elektrische Synchronisierung der ersten und zweiten Drehkolben vorgesehen. Die abgenommene Leistung ergibt sich aus dem Produkt von Drehzahl und Drehmoment. Die Drehzahl ist nicht separat für jeden Drehkolben variier- bar, da die Drehkolben miteinander kämmen. Das heißt, bei variierendem Drehmoment ist es erforderlich, die abgenommene Leistung zu variieren, um eine Synchronisierung der Drehkolben zu erreichen. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze und stellt die erfindungsgemäße Steuereinheit bereit. Die Steuereinheit kann die Lastabnahme so weit variieren, dass auch eine Bestromung der Generatoren vorgesehen ist. Dies kann insbesondere bei sehr langsam drehenden Drehkolben erforderlich sein. Bei schneller drehenden Drehkolben hilft die Trägheit der Drehkolben dabei, den„Totpunkt", bei dem kein Drehmoment aufgrund des anströmen- den Fluids auf den Drehkolben wirkt, zu überwinden. Bei langsam drehenden Drehkolben kann es hingegen erforderlich sein, den entsprechenden Generator des Drehkolbens kurzzeitig zu bestromen, um den Drehkolben über diesen Totpunkt hinaus zu drehen, sodass er wieder ein Moment aufgrund von anströmendem Fluid aufnehmen kann.
Es soll verstanden werden, dass die Begriffe„Drehkolbenmotor" und„Drehkolbenpumpe" synonym sind. Ebenso sind die Begriffe„Generator" und„elektrischer Motor" synonym, und ob die Vorrichtung als Drehkolbenmotor oder Drehkolbenpumpe betrieben wird, hängt nur davon ab, ob die elektrischen Maschinen (also Generator oder elektrischer Motor) bestromt werden oder Strom durch Drehung der Drehkolben erzeugt wird.
Insofern wird die eingangs genannte Aufgabe auch gelöst durch eine Drehkolbenpumpe, umfassend ein Pumpengehäuse mit einem Pumpenraum, eine Einlass- und eine Auslassöffnung, einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Pumpenraum angeordnet und um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und einen zweiten in dem Pumpenraum angeordneten mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beab- standete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift, wobei der erste und zweite Drehkolben durch Rotation eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung pumpen, einen ersten Antriebsmotor, der mechanisch mit dem ersten Drehkolben gekoppelt ist zum Antreiben des ersten Drehkolbens, und einen zweiten Antriebsmotor, der mechanisch mit dem zweiten Drehkolben gekoppelt ist zum Antreiben des zweiten Drehkolbens, wobei eine Steuereinheit zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben vorgesehen ist, die mit den ersten und zweiten Antriebsmotoren betreibbar verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Antriebsmotoren so zu bestromen, dass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist. Für diesen Fall ist es erforderlich, dass bei einem Totpunkt der Drehkolben die Bestromung der Antriebsmotoren verringert wird, da im Wesentlichen kein Lastdrehmoment auf den jeweiligen Drehkolben wirkt.
Die hierin offenbarte Vorrichtung kann also einerseits als Pumpe und andererseits als Motor verwendet werden. Auch ein zeitweiser Betrieb als Pumpe oder als Motor ist denkbar, insbesondere bei Wasserkraftanlagen der eingangs genannten Art. Solche Wasser- kraftanlagen werden auch dazu eingesetzt, von einem unteren Becken Wasser in ein oberes Speicherbecken zu pumpen und dann bedarfsweise Strom zu erzeugen, indem Wasser von dem oberen Becken durch den Drehkolbenmotor zum unteren Becken strömt. Solche Vorrichtungen werden auch als Speicherkraftwerk bezeichnet. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Drehwinkels des ersten und/oder zweiten Drehkolbens die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren zu bestromen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Moments, das auf den ersten und/oder zweiten Drehkolben wirkt, die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren zu bestromen.
Es ist grundsätzlich ausreichend, einen Drehwinkel des ersten oder des zweiten Drehkolbens zu messen, da der Drehwinkel des jeweils anderen Drehkolbens durch den Drehwinkel des Drehkolbens definiert ist, an dem gemessen wird, da die Drehkolben mitei- nander kämmen. Dennoch ist es auch denkbar, den ersten Generator in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels des ersten Drehkolbens zu steuern und den zweiten Generator in Abhängigkeit des zweiten Drehwinkels des zweiten Drehkolbens zu steuern. Ebenso ist es denkbar, das entsprechende an den Drehkolben anliegende Drehmoment, welches aufgrund des Fluids, das entweder die Drehkolben antreibt oder durch die Drehkolben verdrängt wird, zu steuern. Das Moment kann direkt über die Generatoren ermittelt werden oder direkt über Drehmomentsensoren, wie beispielsweise Dehnmessstreifen oder dergleichen an entsprechenden Antriebswellen.
Besonders bevorzugt sind die Drehkolben gradverzahnt. Insbesondere bei gradverzahnten Drehkolben tritt das oben geschilderte Problem auf, und gradverzahnte Drehkolben lassen sich besonders einfach herstellen.
In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Drehkolben jeweils zwei Flügel auf. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Drehkolben jeweils drei Flügel aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Drehkolben vier oder mehr Flügel aufweisen. Es hat sich aber herausgestellt, dass drei Flügel einen effizienten Drehkolben ergeben, bei dem eine Synchronisierung zu einem sehr gleichmäßigen Drehmomentenverlauf führt.
Bei einem zweiflügeligen Drehkolben ist eine Verringerung der Lastabnahme bzw. Bestromung des entsprechenden Generators jeweils bei Drehstellungen von 0° und 180° bevorzugt, während bei dreiflügeligen Drehkolben eine Verringerung der Lastabnahme bzw. Bestromung des Generators wenigstens zu Drehstellungen von 0°, 120° und 240° bevorzugt ist. Für den jeweils anderen Drehkolben gelten komplementäre Drehstellungen aufgrund der Verzahnung. Vorzugsweise ist der erste Drehkolben auf einer ersten Welle angeordnet, die zum ersten Generator verläuft, und der zweite Drehkolben ist auf der zweiten Welle angeordnet, die zum zweiten Generator verläuft. Über die Wellen werden die Drehmomente von den Drehkolben auf den Generator bzw. von einem bestromten Generator (elektrischer Motor) zum Antreiben der Drehkolben auf den Drehkolben übertragen. Vorzugsweise sind die Drehkolben jeweils direkt mit dem Generator gekoppelt, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.
Vorzugsweise weist die Wasserkraftanlage einen Drehwinkelgeber für den ersten und/oder zweiten Drehkolben auf. Der Drehwinkelgeber kann beispielsweise an der ersten und/oder zweiten Welle angeordnet sein, an dem Drehkolben selbst oder an den jeweiligen Generatoren bzw. Elektromotoren.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren im Wesentlichen sinusförmig zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren im Wesentlichen sinusförmig zu bestromen. Die Schwankung der Drehmomente aufgrund der sich drehenden Drehkolben ist ebenfalls sinusförmig. Insbesondere ist die Schwankung des ersten Drehkolbens sinusförmig und die Schwankung des zweiten Drehkolbens cosinusförmig. Grundsätzlich ist es ausreichend, den jeweiligen Drehkolben nur über den Totpunkt hinaus zu helfen, um an den Totpunkten das Abscheidemoment abzufedern. Eine Synchronisierung über die vollständige Rotation des Drehkolbens hinweg führt aber zu einem besonders gleichmäßigen Lauf des Dreh- kolbenmotors bzw. der Drehkolbenpumpe und ist daher bevorzugt. Aus diesem Grund ist die Steuereinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, permanent die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren im Wesentlichen sinusförmig zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren im Wesentlichen sinusförmig zu bestromen, um einen besonders gleichmäßigen Verlauf zu erzielen. Als eine einfache Regelung kann auch die Dichtlinie der jeweiligen Drehkolben verwendet werden. Die Drehkolben weisen jeweils eine Dichtlinie zum Gehäuse und eine Dichtlinie zum anderen Drehkolben auf. Wenn diese Dichtlinien äquidistant, zur Drehachse sind, ist das an dem Drehkolben anliegende Lastmoment aufgrund des Fluids gleich Null. Der Kolben würde in diesem Fall stillstehen. Das heißt, in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die ersten und zweiten Generatoren im Wesentlichen zu bestromen, wenn Dichtlinien an zwei Flügeln eines Drehkolbens äquidistant zur Achse des Drehkolbens sind. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Steuereinheit für eine Wasserkraftanlage, wobei die Wasserkraftanlage einen Drehkolbenmotor aufweist, umfassend ein Motorengehäuse mit einem Motorraum, eine Einlass- und eine Auslassöffnung, einen ersten mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Motorraum angeordnet und um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und einen zweiten in dem Motorraum angeordneten mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beabstandete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift, wobei der erste und zweite Drehkolben durch eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung in Rotation um die erste bzw. zweite Achse versetzt werden, einen ersten Generator, der mechanisch mit dem ersten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch den ersten Drehkolben und einen zweiten Generator, der mechanisch mit dem ersten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch den zweiten Drehkolben, wobei die Steuereinheit mit den ersten und zweiten Generatoren betreibbar verbindbar ist, und einen Prozessor sowie einen Speicher mit einem darin gespeicherten Computerprogramm aufweist, wobei das Computerprogramm, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, die Steuereinheit dazu veranlasst, die ersten und zweiten Drehkolben zu synchronisieren, indem eine Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren verringert und/oder die ersten und zweiten Generatoren bestromt werden, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist. Es soll verstanden werden, dass die Wasserkraftanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und die Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gleiche und ähnliche Unteraspekte aufweisen, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt sind. Insofern wird für Vorteile und besondere Ausführungsformen der Steuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf die Wasserkraftanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung Bezug genommen.
Vorzugsweise veranlasst das Computerprogramm ferner, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird: Ermitteln eines ersten Drehwinkels des ersten Drehkolbens; Verringern der Lastabnahme an dem ersten Generator und/oder Bestromen des ersten Generators in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels; und Verringern der Lastabnahme an dem zwei- ten Generator und/oder Bestromen des zweiten Generators in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels. Alternativ oder zusätzlich veranlasst das Computerprogramm: Ermitteln eines zweiten Drehwinkels des zweiten Drehkolbens; und Verringern der Lastabnahme an dem zweiten Generator und/oder Bestromen des zweiten Generators in Abhängigkeit des zweiten Drehwinkels.
Ferner veranlasst das Computerprogramm vorzugsweise: Ermitteln eines ersten Drehmoments des ersten Drehkolbens; Verringern der Lastabnahme an dem ersten Generator und/oder Bestromen des ersten Generators in Abhängigkeit des ersten Drehmoments; und Verringern der Lastabnahme an dem zweiten Generator und/oder Bestromen des zweiten Generators in Abhängigkeit des ersten Drehmoments. Vorzugsweise veranlasst das Computerprogramm ferner: Ermitteln eines zweiten Drehmoments des zweiten Drehkolbens; und Verringern der Lastabnahme an dem zweiten Generator und/oder Bestromen des zweiten Generators in Abhängigkeit des zweiten Drehmoments.
In einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Erfindung gelöst durch eine Was- serkraftanlage mit einem Drehkolbenmotor, umfassend ein Motorengehäuse mit einem Motorraum, eine Einlass- und eine Auslassöffnung, einen ersten mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Motorraum angeordnet und um eine erste Achse drehbar gelagert ist und einen zweiten in dem Motorraum angeordneten mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beabstandete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift, wobei der erste und zweite Drehkolben durch eine Flu- idströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung in Rotation um die erste bzw. zweite Achse versetzt werden; eine Generatoranordnung, die mechanisch mit dem ersten und zweiten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch die ersten und zweiten Drehkolben sowie eine Hilfsantriebsanordnung zum hilfsweisen Antreiben der ersten und zweiten Drehkolben und eine Steuereinheit zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben, die mit der Hilfsantriebsanordnung betreibbar verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Hilfsantriebsanordnung zu steuern, um die ersten und zweiten Drehkolben anzutreiben, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird durch die Steuereinheit nicht die Generatoranordnung gesteuert; vielmehr wird durch die Steuereinheit eine separate Hilfsantriebsanordnung gesteuert. Die Generatoranordnung kann wie vorstehend mit Bezug auf die Wasserkraftanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet sein. Die Hilfsantriebsanordnung umfasst in diesem Fall vorzugsweise zwei Motoren, die separat jeweils den ersten und zweiten Drehkolben antreiben können. Eine Beeinflussung der Generatoren ist in diesem Fall nicht notwendig, und das fehlende Moment zum Drehen der Drehkolben, welches bei der Totpunktstellung der Drehkolben nicht aufgrund der Fluidströmung anliegt, wird durch die Hilfsantriebsanordnung bereitgestellt. Diese Ausfüh- rungsform eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von bereits bestehenden Wasserkraftanlagen. Die Hilfsantriebsanordnung kann im Bereich der Generatoren mit den einzelnen Drehkolben zusammenwirken, beispielsweise über ein Getriebe mit den Antriebswellen der Drehkolben verbunden sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung be- schrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinatio- nen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angege- benen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfol- genden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehkolbenmotors einer Wasserkraftanlage; Fig. 2A, 2B schematische Querschnittsdarstellungen eines Drehkolbenmotors mit einem zweiflügeligen Drehkolben in zwei verschiedenen Drehstellungen; und
Fig. 3A, 3B schematische Querschnittsdarstellungen eines Drehkolbenmotors mit einem dreiflügeligen Drehkolben in zwei verschiedenen Drehstellungen. Ein Drehkolbenmotor 1 , der in einer Wasserkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, ist in Figuren dargestellt. Der Drehkolbenmotor 1 weist ein Motorengehäuse 2 mit einem Motorraum 4 auf. Der Motorraum hat eine Einlass- und eine Auslassöffnung 6, 8. In dem Motorraum 4 sind ferner ein erster Drehkolben 10 und ein zweiter Drehkolben 12 achsparallel angeordnet. Jeder der Drehkolben 10, 12 ist mehrflü- gelig. So zeigt das erste Ausführungsbeispiel (Fig. 2A, 2B) einen Drehkolben 10, 12 mit jeweils zwei Flügeln 10a, 10b, 12a, 12b, und das zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 3A, 3B) zeigen Drehkolben mit jeweils drei Flügeln 10a, 10b, 10c, 12a, 12b, 12c.
Die Drehkolben 10, 12 sind jeweils um eine Achse A1 , A1 drehbar in dem Gehäuse 2 angeordnet und kämmen miteinander. Insofern ist es aufgrund der Kämmung erforder- lieh, dass die Drehkolben 10, 12 gegenläufig drehen.
Die Drehkolben 10, 12 sind genauer gesagt auf Wellen 14, 16 angeordnet, die mit einer ersten elektrischen Maschine 18 und einer zweiten elektrischen Maschine 20 mechanisch gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 18, 20 können einerseits als Generator 19, 21 betrieben werden oder als Elektromotor 22, 23, je nachdem, ob die elektrischen Ma- schinen 18, 20 dazu eingesetzt werden, die Drehkolben 10, 12 anzutreiben oder von den Drehkolben 10, 12 angetrieben werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Wie sich insbesondere aus den Fig. 2A - 3B ergibt sowie auch aus Fig. 1 , sind die Drehkolben 10, 12 jeweils gradverzahnt. Eine Schrägverzahnung, wie sie insbesondere in EP 2 914 812 A1 der hiesigen Anmelderin beschrieben ist, ist bei den Drehkolben 10, 12 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen. Zwar können die Drehkolben 10, 12 eine leichte Schrägstellung aufweisen, sie sind jedoch nicht als sogenannte HiFlo-Plus- Kolben der Anmelderin ausgebildet. Bei solchen gradverzahnten Drehkolben besteht das Problem einer Momentenschwankung, da das Drehmoment, welches aufgrund der Flu- idströmung auf die Drehkolben wirkt, in Abhängigkeit der Drehstellung der Drehkolben 10, 12 schwankt. Dies kann mit Bezug auf die Fig. 2A - 3B leicht nachvollzogen werden. In Fig. 2A ist der erste Drehkolben 10 bei einer Drehwinkelstellung des ersten Drehwinkels a1 von 0°, während der zweite Drehkolben 12 bei einer Drehwinkelstellung des zweiten Drehwinkels a2 von 270° ist. Wie sich anhand des ersten Drehkolbens 10 erkennen lässt, werden die Flügel 10a, 10b gleichmäßig durch Fluid mit dem Druck P2 an der Einlassseite, der höher ist als der Druck P1 der Auslassseite, belastet. Da beide Flügel 10a, 10b vollständig dem Druck P2 ausgesetzt sind, wirkt kein Moment um die erste Achse A1. Die erste Dichtlinie L1 und die zweite Dichtlinie L2 sind gleichmäßig von der Achse A1 beabstandet, das heißt äquidistant zu dieser. Im Gegensatz dazu ist beim zweiten Drehkolben 12 nur der zweite Flügel 12b dem Druck P2 ausgesetzt, während der Druck P1 nur auf einen Teil des Drehkolbens 12 wirkt, der senkrecht zur Erstreckung der beiden Flügel 12a, 12b ist. Die Dichtlinie L2 ist deutlich näher an der zweiten Achse A2 als die Dichtlinie L3. Beim Flügel 12 ist demnach das zweite Drehmoment T2 maximal. In der in Fig. 2A gezeigten Stellung wird also der zweite Kolben 12 mit maximalem Drehmoment in eine Drehung mit dem Uhrzeigersinn gezwungen, während sich der erste Drehkolben 10 im Gleichgewicht befindet und kein Drehmoment wirkt. In dieser Stellung würde ein Drehmoment von dem zweiten Drehkolben 12 auf den ersten Drehkolben 10 übertragen werden, wenn keine Synchronisierung der Drehkolben 10, 12 vorgenommen wird. Der erste Drehkolben 10 befindet sich am Totpunkt.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 2B eine Drehstellung, bei der der erste Drehwinkel a1 45° beträgt und der zweite Drehwinkel a2 315°. In dieser Drehstellung ist zu erkennen, dass beide Drehkolben 10, 12 gleichmäßig belastet sind und insofern um die jeweiligen Achsen A1 , A2 dasselbe Drehmoment wirkt. Das Drehmoment T1 =T2 gemäß Fig. 2B ist allerdings geringer als das maximale Drehmoment, welches in Fig. 2A auf den zweiten Drehkolben 12 wirkt. Dasselbe Phänomen kann bei einem dreiflügeligen Drehkolben 10, 12 mit Bezug auf die Fig. 3A, 3B nachvollzogen werden. In Fig. 3A ist wiederum gezeigt, dass auf den ersten Drehkolben 10 kein Moment wirkt und das erste Drehmoment T1 =0 ist. Die Dichtlinien L1 , L2 sind am ersten Flügel 10a und am zweiten Flügel 10b jeweils nahe ihrer Scheitelpunkte, sodass der Abstand zwischen L1 und der Drehachse A1 sowie der Dichtlinie L2 und der Drehachse A1 äquidistant ist. Im Gegensatz dazu ist beim zweiten Drehkolben 12 vorgesehen, dass in der Drehstellung mit einem zweiten Drehwinkel a2 von etwa 45° das zweite Drehmoment T2 maximal ist. Die zweite Dichtlinie L2 ist mit Bezug auf den zweiten Drehkolben 12 an einem maximal nahen Punkt bezogen auf die zweite Drehachse A2, nämlich genau zwischen dem ersten und dritten Flügel 12a, 12c des zweiten Drehkolbens 12 angeordnet. Der Unterschied zwischen dem Abstand der zweiten Dichtli- nie L2 und der zweiten Drehachse A2 sowie der dritten Dichtlinie L3 und der Achse A2 ist maximal und das zweite Drehmoment, das auf den zweiten Drehkolben 12 wirkt, ist maximal. Fig. 3B illustriert dann wiederum eine Drehstellung der ersten und zweiten Drehkolben 10, 12, bei der das erste Drehmoment T1 in etwa dem zweiten Drehmoment T2 entspricht.
Um hier eine Synchronisation zwischen den Drehkolben 10, 12 zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit 30 vor. Die Steuereinheit 30 ist über Signalleitungen 32, 34 mit den ersten und zweiten elektrischen Maschinen 18, 20, insbesondere den ersten und zweiten Generatoren 19, 21 bzw. Elektromotoren 22, 23 verbunden. Die Steuereinheit 30 ist dazu vorgesehen, eine Lastabnahme der Generatoren 19, 21 zu verringern bzw. die Generatoren 19, 21 zu bestromen bzw. eine Bestromung der Elektromotoren 22, 23 zu variieren, sodass eine Drehmomentenübertragung von einem der Drehkolben 10, 12 auf den anderen der Drehkolben 10, 12, wie mit Bezug auf die Fig. 2A und 3B erläutert, vermieden wird. Das heißt, die Steuereinheit 30 steuert die elektrischen Maschinen 18, 20 so, dass von diesen entsprechende Gegendrehmomente bereitgestellt werden, die der schwankenden Last aufgrund der Drehstellung der Drehkolben 10, 12 entspricht. Genauer gesagt ist es beispielsweise mit Bezug auf Fig. 2A erforderlich, den ersten Generator 19 leicht zu bestromen, um den ersten Drehkolben 10 weiter zu rotieren, um ihn in die Stellung wie in Fig. 2B gezeigt zu bringen. Allein aufgrund des Druck- Unterschieds P1 , P2 wird sich der erste Drehkolben 10 aus der Drehstellung von Fig. 2A nicht weiterbewegen. Ohne eine Synchronisation würde die Drehung des ersten Drehkolbens gemäß Fig. 2A allein aufgrund der Drehung des zweiten Drehkolbens 12 verursacht werden, wodurch eine Flächenpressung an der zweiten Dichtlinie L2 auftreten kann, was zu Verschleiß an den Drehkolben 10, 12 führt. Die Verringerung des Lastdrehmoments bzw. Bestromung der ersten und zweiten Generatoren 19, 21 wird vorzugsweise in Abhängigkeit des Drehwinkels a1 des ersten Drehkolbens 10 und/oder des Drehwinkels a2 des zweiten Drehkolbens 12 durchgeführt. Dazu weist die Steuereinheit 30 wenigstens einen Prozessor und ein Computerprogramm auf. Ferner weist der Drehkolbenmotor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel (Fig. 1 ) einen Drehwertgeber 36 auf, der den Drehwinkel a1 der ersten Welle 14 des ersten Drehkolbens 10 bestimmt. Aufgrund der Verzahnung der ersten und zweiten Drehkolben ist basierend auf dem Drehwinkel a1 des ersten Drehkolbens 10 auch der Drehwinkel a2 des zweiten Drehkolbens 12 bekannt. Aus diesem Grund reicht ein Drehwertgeber 36 aus. Zu Redundanzzwecken kann aber auch ein zweiter Drehwertgeber (nicht gezeigt) an der zweiten Welle 16 vorgesehen sein.
Der Drehwertgeber 36 ist über eine Signalleitung 38 mit der Steuereinheit 30 verbunden und stellt Signale an der Steuereinheit 30 bereit, die den ersten Drehwinkel a1 repräsen- tieren. Basierend auf den Signalen, die den ersten Drehwinkel a1 repräsentieren, ermittelt die Steuereinheit 30 eine relative und/oder absolute Differenz von Drehmomenten an den ersten und zweiten Drehkolben 10, 12 und steuert den ersten und/oder zweiten Generator 19, 21 in entsprechender Weise, um ein Gegendrehmoment über die ersten und zweiten Wellen 14, 16 bereitzustellen, sodass die ersten und zweiten Drehkolben 10, 12 synchronisiert sind. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Steuereinheit bei einer Drehstellung wie in Fig. 2A gezeigt nicht nur den ersten Generator 19 steuert, sondern sowohl den ersten als auch den zweiten Generator 19, 21. Der erste Generator 19 kann beispielsweise so betrieben werden, dass er ein Drehmoment in Drehrichtung, das heißt entgegen dem Uhrzeigersinn, für den ersten Drehkolben 10 vorsieht und beim zweiten Drehkolben 12 ein Gegendrehmoment, das heißt ein Drehmoment entgegen der Uhrzeigerrichtung mit Bezug auf den zweiten Drehkolben 12 bereitstellt, beispielsweise durch Erhöhung der Lastabnahme, um dem maximalen aufgrund des Fluidstroms auf den zweiten Drehkolben 12 wirkenden Drehmoments T2 entgegenzuwirken. Auf diese Weise lassen sich die ersten und zweiten Drehkolben 10, 12 elektrisch synchronisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserkraftanlage, mit
einem Drehkolbenmotor (1 ), umfassend
ein Motorengehäuse (2) mit einem Motorraum (4),
eine Einlass- und eine Auslassöffnung (6, 8),
einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben (10), der in dem Motorraum (4) angeordnet und um eine erste Ache (A1 ) drehbar gelagert ist, und
einen zweiten in dem Motorraum (4) angeordneten mehrflügeligen Drehkolben (12), der um eine von der ersten Achse (A1 ) beabstandete zweite Achse (A2) drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben (10) kämmend eingreift,
wobei der erste und zweite Drehkolben (10, 12) durch eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung (6, 8) in Rotation um die erste bzw. zweite Achse (A1 , A2) versetzt werden,
einem ersten Generator (19), der mechanisch mit dem ersten Drehkolben (10) gekoppelt ist zum Antrieb durch den ersten Drehkolben (10), und
einem zweiten Generator (21 ), der mechanisch mit dem zweiten Drehkolben (12) gekoppelt ist zum Antrieb durch den zweiten Drehkolben (12),
gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (30) zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben (10, 12), die mit den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) betreibbar verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, eine Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu bestromen, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben (10, 12) auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben (10, 12) im Wesentlichen vermieden ist.
2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist in Abhängigkeit eines Drehwinkels (α1 , a2) des ersten und/oder zweiten Drehkolbens (10, 12) die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu bestromen.
3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist in Abhängigkeit eines Moments (T1 , T2) das auf den ersten und/oder zweiten Drehkolben (10, 12) wirkt, die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) zu bestromen.
4. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehkolben (10, 12) gradverzahnt sind.
5. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehkolben (10, 12) jeweils zwei Flügel (10a, 10b, 12a, 12b) aufweisen.
6. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehkolben (10, 12) jeweils drei Flügel (10a, 10b, 10c, 12a, 12b, 12c) aufweisen.
7. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Drehkolben (10) auf einer ersten Welle (14) angeordnet ist, die zum ersten Generator (19) verläuft und der zweite Drehkolben (12) auf einer zweiten Welle (16) angeordnet ist, die zum zweiten Generator (21 ) verläuft.
8. Wasserkraftanlage nach Anspruch 7, wobei an der ersten und/oder zweiten Welle (14, 16) ein mit der Steuereinheit (30) verbundener Drehwinkelgeber (36) angeordnet ist.
9. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) im Wesentlichen sinusförmig zu verringern und/oder die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) im Wesentlichen sinusförmig zu bestromen.
10. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) im Wesentlichen zu bestromen, wenn ein vom zu fördernden Fluid auf den ersten bzw. zweiten Kolben (10, 12) wirkendes Moment (T1 , T2) gleich Null ist.
1 1. Wasserkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) im Wesentlichen zu bestromen, wenn Dichtlinien (L1 , L2, L3) an zwei Flügeln (10a, 10b, 10c, 12a, 12b, 12c) eines Drehkolbens (10, 12) äquidistant zur Achse (A1 , A2) des Drehkolbens (10, 12) sind.
12. Steuereinheit (30) für eine Wasserkraftanlage, mit
einem Drehkolbenmotor (1 ), umfassend
ein Motorengehäuse (2) mit einem Motorraum (4), eine Einlass- und eine Auslassöffnung (6, 8),
einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben (10), der in dem Motorraum (4) angeordnet und um eine erste Achse (A1 ) drehbar gelagert ist, und
einen zweiten in dem Motorraum (4) angeordneten mehrflügeligen Drehkolben (12), der um eine von der ersten Achse (A1 ) beabstandete zweite Achse (A2) drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben (10) kämmend eingreift,
wobei der erste und zweite Drehkolben (10, 12) durch eine Fluidströmung von der Einlass- zu der Auslassöffnung (6, 8) in Rotation um die erste bzw. zweite Achse (A1 , A2) versetzt werden,
einem ersten Generator (19), der mechanisch mit dem ersten Drehkolben (10) gekoppelt ist zum Antrieb durch den ersten Drehkolben (10), und
einem zweiten Generator (21 ), der mechanisch mit dem zweiten Drehkolben (12) gekoppelt ist zum Antrieb durch den zweiten Drehkolben (12),
wobei die Steuereinheit (30) mit den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) betreibbar verbunden ist, und einen Prozessor und einen Speicher mit einem darin gespeicherten Computerprogramm aufweist, wobei das Computerprogramm wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, die Steuereinheit (30) dazu veranlasst, die ersten und zweiten Drehkolben (10, 12) zu synchronisieren, indem eine Lastabnahme an den ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) verringert und/oder die ersten und zweiten Generatoren (19, 21 ) bestromt werden, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben (10, 12) auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben (10, 12) im Wesentlichen vermieden ist.
13. Steuereinheit (30) nach Anspruch 12, wobei das Computerprogramm ferner veranlasst:
- Ermitteln eines ersten Drehwinkels (a1 ) des ersten Drehkolbens (10);
- Verringern der Lastabnahme an dem ersten Generator (19) und/oder Bestromen des ersten Generators (19) in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels (cd ); und
- Verringern der Lastabnahme an dem zweiten Generator (21 ) und/oder Bestromen des zweiten Generators (21 ) in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels (a1 ).
14. Drehkolbenpumpe, umfassend
ein Pumpengehäuse mit einem Pumpenraum,
eine Einlass- und eine Auslassöffnung,
einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Pumpenraum angeordnet und um eine erste Ache drehbar gelagert ist, und einen zweiten in dem Pumpenraum angeordneten mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beabstandete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift,
wobei der erste und zweite Drehkolben durch Rotation eine Fluidstromung von der Einlass- zu der Auslassöffnung pumpen,
einen ersten Antriebsmotor, der mechanisch mit dem ersten Drehkolben gekoppelt ist zum Antreiben des ersten Drehkolbens, und
einen zweiten Antriebsmotor, der mechanisch mit dem zweiten Drehkolben gekoppelt ist zum Antreiben des zweiten Drehkolbens,
gekennzeichnet durch eine Steuereinheit zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben, die mit den ersten und zweiten Antriebsmotoren betreibbar verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Antriebsmotoren so zu bestromen, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist.
Wasserkraftanlage, mit
einem Drehkolbenmotor, umfassend
ein Motorengehäuse mit einem Motorraum,
eine Einlass- und eine Auslassöffnung,
einen ersten, mehrflügeligen Drehkolben, der in dem Motorraum angeordnet und um eine erste Ache drehbar gelagert ist, und
einen zweiten in dem Motorraum angeordneten mehrflügeligen Drehkolben, der um eine von der ersten Achse beabstandete zweite Achse drehbar gelagert ist und in den ersten Drehkolben kämmend eingreift,
wobei der erste und zweite Drehkolben durch eine Fluidstromung von der
Einlass- zu der Auslassöffnung in Rotation um die erste bzw. zweite Achse versetzt werden,
einer Generatoranordnung, die mechanisch mit den ersten und zweiten Drehkolben gekoppelt ist zum Antrieb durch die ersten und zweiten Drehkolben, gekennzeichnet durch eine Hilfsantriebsanordnung zum hilfsweisen Antreiben der ersten und zweiten Drehkolben und eine Steuereinheit zum Synchronisieren der ersten und zweiten Drehkolben, die mit der Hilfsantriebsanordnung betreibbar verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, die Hilfsantriebsanordnung zu steuern, um die ersten und zweiten Drehkolben anzutreiben, sodass eine Momentenübertragung von einem der ersten und zweiten Drehkolben auf den anderen der ersten und zweiten Drehkolben im Wesentlichen vermieden ist.
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