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 V _Ri entsprechendes Volumen aus dem Druckspeicher 11 entnommen. Über die Ventileinrichtung 7 wird gleichzeitig das Kolbenvolumen V _K 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 V _Ri 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 V _K 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 V _Ri . 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 V _K 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 V _K und des Ringvolumens V^ ergibt:

V _st = V _K - V _Ri

Aus dem Druckspeicher 11 wird somit lediglich das Stangenvolumen Vs _t

entnommen, die Differenz zwischen dem Kolbenvolumen V _K 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 V _K 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 V _st . 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 + V _K 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.