Die Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie bspw. in Wasserturbinen gehört zu den umweltfreundlichen Energietechniken. Es ist daher wünschenswert, den Wirkungsgrad derartiger Energieerzeuger zu vergrößern, beispielsweise durch einen möglichst großen Arbeitsbereich.

Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise von Wasserturbinen ist in "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag 1995, Seiten R31-R36", deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mit aufgenommen wird, ausführlich beschrieben.

Francis-Turbinen werden bei größeren Falihöhen eingesetzt. Das Laufrad wird von außen nach innen durchströmt, wobei die Abströmung stets axial erfolgt.

Kaplanturbinen sind für relativ niedrige und stark schwankende Fallhöhen geeignet.

Die Hauptachse einer Kaplanturbine verläuft vertikal. Die Anstellung der Rotorschaufeln iäßt sich einstellen von einer maximalen Öffnung, bei der die Schaufeln fast parallel zur Hauptachse der Turbine verlaufen, bis zu einer

minimalen Öffnung, bei der sie im wesentlichen senkrecht zur Turbinenachse stehen ; damit stehen die Schaufeln im wesentlichen horizontal und sogleich senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des die Turbine durchströmenden Wassers. Es gibt Kaplanturbinen, die eine nicht voll-sphärische, stromaufwärtige Nabe haben. Sind die Schaufeln bei einer solchen Turbine nur sehr wenig geöffnet, so entsteht zwischen der Nabe und der angeströmten Kante der einzelnen Schaufel ein Spalt, das heißt stromaufwärts der Drehachse der Schaufel relativ zur Nabe.

Bei Francis-Turbinen erfolgt die Regelung durch Verstellen der Leitschaufeln über Lenker mittels Stellkräften von zwei (in Sonderfallen auch vier) hydraulischen Servomotoren. Angewendet werden auch Einzelservomotoren für jede Leitschaufel. Bei einer Änderung der Betriebsverhältnisse aufgrund von Fallhöhen-und/oder Volumenstromschwankungen wird der Drall vor dem Laufrad durch Leitschaufelverstellung in dem Maße reguliert, daß die Laufraddrehzahl je nach abgenommener Antriebsleistung des Generators konstant bleibt. Die Leitschaufeln bewirken in den extremen Betriebsstellungen einen fast freien oder nahezu geschlossenen Durchflußq uerschnitt.

Bei Kaplan-Turbinen sind sowohl Leitrad-wie Laufschaufeln verstelibar, d. h. der Arbeitspunkt wird durch eine optimale Zuordnung von Leitschaufel-zur Laufschaufelstellung bestimmt.

Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern.

Durch sämt ! iche bisher bekannten Maßnahmen gelang es nicht, den Wirkungsgrad und Arbeitsbereich einer hydraulischen Maschine mit gelenkter Strömung zu steigern.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hydraulische Maschine anzugeben, mit der der Arbeitsbereich und der Wirkungsgrad erheblich vergrößert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches oder der Strömungsumlenkung einer hydraulischen Maschine im Umlenkbereich der Strömung die Instationaritat in derselben vergrößert wird. Bevorzugt wird die Instationärität in der Strömung durch Energiezufuhr in die Strömung vergrößert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Energiezufuhr zur Strömung von außen.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Energiezufuhr durch Umwandlung mechanischer Energie erfolgt, beispielsweise dadurch, daß Schwingungen der Leitschaufel angeregt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn nicht das gesamte Bauteil zu Schwingungen angeregt wird, sondern lediglich lokale zeitliche Änderungen der Oberfläche des umlenkenden Bauteiles induziert werden.

Alternativ hierzu wäre es möglich, eine Energiezufuhr in die Strömung mit Hilfe von hydraulischer Energie, beispielsweise durch Einspeisen eines zusätzlichen Volumenstromes in die umzulenkende Hauptströmung und/oder akustischer Energie, beispielsweise mit Hilfe von Mikrowellengeneratoren zuzuführen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die Instationarität der Strömung im Umlenkbereich mit Hilfe von Turbulenzerzeugern, die vor dem Umlenkbereich angeordnet sind, zu erhöhen und somit den Arbeitsbereich zu vergrößern.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches einer hydraulischen Strömungsmaschine stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung selbst zur Verfügung, die sich durch einen derart vergrößerten Arbeitsbereich auszeichnet.

Die erfindungsgemäße hydraulische Maschine weist Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten im Umlenkbereich der Strömung auf.

In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie in hydraulische Energie bzw. Strömungsenergie umfassen. Besonders bevorzugt sind derartige Mittel als oszillierende und/oder pulsierende Schaufeln oder Teile von Schaufeln der hydraulischen Maschine ausgebildet. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie des weiteren Pulsatoren und/oder Oszillatoren umfassen, die an den Wänden der Zufuhrleitung vor oder im Umlenkbereich angeordnet sind. Alternativ können Pulsatoren und/oder Oszillatoren auch auf der Oberfläche des umlenkenden Bauteiles angeordnet sein.

Weitere Mittei zur Erzeugung von Instationaritäten in der Strömung umfassen Mittel zur Umwandlung hydraulischer Energie in Strömungsenergie oder akustischer Energie in Strömungsenergie.

Neben dem Verfahren und der Vorrichtung stellt die Erfindung auch ein Steuer-und Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung der hydraulischen Maschine zur Verfügung, bei dem bei vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt im Falle einer Steuerung anhand eines Kennfeldes und im Falle der Regelung anhand rückkoppelter Leistungs-und/oder Verlustindikatoren die Amplitude und/oder Frequenz für die Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten derart eingestellt werden, daß sich im

vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt : Fig. 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Umlenkung der Strömung im Bereich der Leitschaufeln.

Fig. 3 a-c zeigen Ausführungsbeispiele mechanischer Oszillatoren.

Fig. 4a zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.

Fig. 4b zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Regelverfahrens.

Zu Fig. 1 ist eine spezielle hydraulische Anlage, nämlich eine Kaplan-Turbine oder einen Propeller mit verstellbaren Schaufeln dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei dieser Art von Strömungsmaschine beschränkt, sondern allgemein auf jede Art von hydraulischen Maschinen anwendbar.

Die in Figur 1 dargestellte hydraulische Anlage 10 umfaßt einen Strömungskanal 12, in dem Wasser von einem oberen Niveau zum stromaufwärtigen Ende der Anlage 10 fließt und zu einem stromabwärtigen Abgabebereich 16 gelangt. Die Anlage 10 umfaßt eine Turbine 18 mit einer Nabe 20, die eine Längsachse 22 aufweist, ferner eine Mehrzahl von

Laufschaufeln 24, die verstellbar an der Nabe 20 angeordnet sind. Jede Schaufel 24 ist um eine Drehachse 26 verdrehbar, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 22 erstreckt. Die Turbine 18 ist im vorliegenden Falle vertikal dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf Turbinen, deren Längsachse und einem Winkel gegen die Vertikale geneigt ist, beispielsweise mit einer horizontaien Längsachse, je nach Gestaltung des Strömungskanales 12. Außerdem können die Drehachsen 26 relativ zur Längsachse 22 auch geneigt sein, somit nicht unbedingt senkrecht zur Längsachse verlaufen.

Zwischen dem stromaufwärtigen Ende 14 und der Drehachse 26 befindet sich ein Abgabering 27 der den Wasserstrom vom stromaufwärtigen Ende 14 zur Turbine 18 lenkt. Die Anlage 10 umfaßt zahlreiche Einlaufschaufeln bzw.

Leitschaufeln 28, die verdrehbar sind, um die zum Strömungskanal 12 geleitete Wasserströmung zu richten, ferner feststehende Schaufeln 30, die dazu dienen, den oberhalb von Turbine 18 befindlichen Teil der Aniage 10 zu tragen, nämlich ein Drucklager 32, ein Generator 34, ein zugeordnetes Steuersystem sowie Bauteile, die üblicherweise im Kraftwerk angeordnet sind und von denen einige ganz allgemein als Regler bezeichnet werden.

In Fig. 2 ist prinzipiell das Verfahren der Erfindung dargestellt.

Wiederum deutlich zu sehen ist die Leitschaufel 28 der hydraulischen Maschine, die die Umlenkung des Profils des in Strömungsrichtung 100 strömenden flüssigen Mediums um den Winkel a in Richtung 102 auf die Laufschaufeln 24 des Laufrades bewirkt.

Der Wirkungsgrad und Arbeitsbereich der hydraulischen Maschine wird im wesentlichen davon bestimmt, daß die Umlenkung der Strömung 100 und dem Winkel a auf das Laufrad 24 möglichst vollständig gelingt. Die Erfinder haben nunmehr erkannt, daß das Problem der Stabilisierung der Umlenkung

darin besteht, daß das Profil der Strömung zu Ablösung neigt. Eine Stabilisierung und damit Verbesserung der Umlenkung kann man dadurch erreichen, daß man ein stabileres Anlegeverhalten des Profils anstrebt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß man in der Grenzschicht im Umlenkbereich bzw. in der Nähe des Umlenkmittels, vorliegend Leitschaufel 28, Energie in die am Umlenkmittel entstehende Grenzschicht einbringt. Das Einbringen von Energie läßt sich auf verschiedene Art und Weise erzielen.

Beispielsweise ist es möglich, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3a dargestellt, eine Drehschwingung um Achse 104 in die eingezeichneten Positionen 106,108 ausführt.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3b dargestellt, nicht zu Oszillationen, sondern Pulsationen angeregt wird. Hierbei ändert sich der Außenumfang 110 der Leitschaufel, beispielsweise durch periodisches Zuführen und Abführen von Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, oder durch Oberflächenänderung periodisch.

Neben einer mechanischen Schwingungsanregung, wie in den Figuren 3a und 3b dargestellt, ist es auch möglich, daß die Leitschaufel 28, wie in Fig. 3c aufgezeigt, Flüssigkeit über in die Schaufel eingebrachte Öffnungen 112 abgibt. Die Flüssigkeitsabgabe kann ebenfalls periodisch erfolgen, so daß durch Einleiten einer weiteren Strömung im Umlenkbereich hydraulisch Energie zugeführt wird.

Neben den in den Figuren 3a bis 3c dargestellten Möglichkeiten der Energiezufuhr im Umlenkbereich der Leitschaufel 28, die keineswegs als abschließend betrachtet werden sollen, sind auch noch andere Arten der Energiezufuhr denkbar.

So kann bereits vor dem Umlenkbereich die Strömung durch das Einbringen von Turbulenzerzeugern stabilisiert werden, beispielsweise durch Turbulenzdrähte.

Eine energetische Anreicherung der Grenzschicht im Umlenkbereich ist auch durch Energieumwandlung akustisch zugeführte Energie oder elektromagnetisch zugeführte Energie möglich. Bei der akustisch zugeführten Energie ist beispielsweise an Mikrowellengeneratoren zu denken.

Die mechanischen Oszillatoren und/oder Pulsatoren, wie in den Figuren 3a und 3b dargestellt, sind nicht nur an der Leitschaufel selber denkbar, sondern auch an den Wänden der Zufuhrleitung vor oder im Umienkbereich. Derartige Ausführungsformen sind in den dargestellten Figuren nicht gezeigt.

Neben den zuvor beschriebenen hydraulischen Maschinen stelit die Erfindung auch ein Steuer-und ein Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine zur Verfügung.

In Figur 4a ist das Abiaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerung dargestellt. Zunächst wird der hydraulische Arbeitspunkt der Maschine, der durch eine oder mehrere der beispielhaft in Figur 4a angegebenen Größen Fallhöhe, Offnung, Unterwasserpegel bestimmt wird, vorgegeben. Aufgrund des vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunktes wird mit Hilfe der Steuerung 200 anhand eines Kennfeldes 202, in dem der Zusammenhang zwischen hydraulischem Arbeitspunkt und den Amplituden-/Frequenzwerten abgelegt ist, ein Amplituden-und/oder Frequenzwert für die Energieeinspeisung der Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten im Umlenkbereich der Strömung bestimmt, so daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine 204 der optimale Wirkungsgrad ergibt. Das Kennfeld der

hydraulischen Maschine 204, das in der Steuerung 200 abgelegt wird, wird aus Messungen und/oder Berechnungen erhalten.

In Figur 4b ist eine Regelverfahren zur Steuerung der Energiezufuhr in die Strömung einer erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine dargestellt, bei der die Optimierung des Wirkungsgrades in einem selbst angepaßten Prozeß erfolgt. Wie schon bei der zuvor beschriebenen Steuerung wird der hydraulische Arbeitspunkt der Maschine anhand charakteristischer Größen wie beispielsweise der Fatthöhe, der Öffnung, dem Unterwasserpegel oder auch der Leitradstellung vorgegeben. Daneben werden bestimmte Verlustindikatoren und/oder die Leistungsabgabe der hydraulischen Maschine gemessen. Unter Verlustindikatoren werden hier Strömungsphänomene verstanden, die Verluste anzeigen, wie beispielsweise die Kavitation, die Vibration und Druckpulsationen. Diese meßtechnisch erfaßten Größen bzw. die Leistungsabgabe werden dazu benutzt, um in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der Regelvorrichtung 300 und einem dort implementierten Regelaigorithmus Frequenz und/oder Amplitude der Energieeinspeisung mit Hilfe der Mittel zur Erzeugung von Instationaritäten unabhängig von den äußeren Randbedingungen derart einzustellen, daß sich im vorgegebenen hydraulischen Arbeitspunkt der Maschine 302 ein optimaler Wirkungsgrad der Maschine ergibt. Neben einer Optimierung des Wirkungsgrades könnte alternativ oder zugleich eine Optimierung weiterer Größen der hydraulischen Maschine, wie beispielsweise der Laufruhe mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regelung gemäß Figur 4b vorgenommen werden.