Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.

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

3a–c zeigen Ausführungsbeispiele mechanischer Oszillatoren.

4a zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.

4b zeigt das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Regelverfahrens.

Zu 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 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 horizontalen Längsachse, je nach Gestaltung des Strömungskanales 12. Außerdem können die Drehachsen 26 relativ zur Längsachse 22 auch geneigt sein, somit nicht unbedingt senkrecht zur Längsachse verlaufen.

Zwischen dem stromaufwärtigen Ende 14 und der Drehachse 26 befindet sich ein Abgabering 27, der den Wasserstrom vom stromaufwärtigen Ende 14 zur Turbine 18 lenkt. Die Anlage 10 umfaßt zahlreiche Einlaufschaufeln bzw. Leitschaufeln 28, die verdrehbar sind, um die zum Strömungskanal 12 geleitete Wasserströmung zu richten, ferner feststehende Schaufeln 30, die dazu dienen, den oberhalb von Turbine 18 befindlichen Teil der Anlage 10 zu tragen, nämlich ein Drucklager 32, einen Generator 34, ein zugeordnetes Steuersystem sowie Bauteile, die üblicherweise im Kraftwerk angeordnet sind und von denen einige ganz allgemein als Regler bezeichnet werden.

In 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 Winke! &agr; 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 um den Winkel &agr; 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 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 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 3a und 3b dargestellt, ist es auch möglich, daß die Leitschaufel 28, wie in 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 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 3a und 3b dargestellt, sind nicht nur an der Leitschaufel selber denkbar, sondern auch an den Wänden der Zufuhrleitung vor oder im Umlenkbereich. Derartige Ausführungsformen sind in den dargestellten Figuren nicht gezeigt.

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

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

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