DE3743385A1 - Hydrostatischer antrieb fuer wellenmaschinen in schwimmbaedern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydrostatischen Antrieb für Wellenmaschinen in Schwimmbädern und Freizeitparks.

Ausgehend von einem hydrostatischen Antrieb gemäß dem Oberbe­ griff des Hauptanspruchs liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch des Antriebs zu reduzieren.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die den durch die Wellenmaschine erzeugten Wellen aufgeprägte Energie größ­ tenteils zurückgewonnen und zur Aufrechterhaltung der Wellenbewegung ausgenutzt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe einer Reduktion der zu installierenden Primärenergie des hydrostatischen Antriebs sieht die Erfindung bei einem Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs vor, daß die durch die in Bewegung befindlichen Wassermassen hervorgerufenen Reaktionskräfte beim Zurückfahren der Antriebshydraulikzylindermittel mittels eines hydraulischen Transformators in hydraulische Energie umgewandelt und einem Hydrospeicher zugeführt werden, von wo aus die hydraulische Energie dann wieder zum entsprechenden Zeitpunkt den Antriebszylindermitteln in umgekehrter Reihenfolge zur Wellenerzeugung zur Verfügung gestellt wird.

Durch diese Ausnutzung der in den beweglichen Wassermassen enthaltenen Energie kann bis zu 60% der zu installierenden Primärleistung eingespart werden, wenn man einen Vergleich mit einem konventionellen Antrieb, d. h. Pumpe und Zylinder in einem geschlossenen Ölkreislauf zieht.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydro­ statischen Antriebs mit Energierückführung zum Antrieb von Wellenmaschinen;

Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines hydrostatischen Antriebs mit Energierückführung für Wellenmaschinen.

Fig. 3 Diagramme zur Erläuterung der Funktion der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydrostati­ schen Antriebs 1 zum Betrieb einer in einem Schwimmbad Wellen erzeugenden Wellenmaschine 2, die eine am Boden des Schwimmbeckens drehbar gelagerte, die Wassermassen in Bewegung versetzende Prallplatte 3 aufweist.

Der hydrostatische Antrieb 1 umfaßt im wesentlichen Hydraulik­ zylindermittel für den Antrieb der Wellenmaschine 2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Prallplatte 3 durch einen mit dieser gekuppelten Gleichgangzylinder 5 angetrieben. der einen Kolben 6 sowie Kolbenstangen 7 und 8 aufweist. Die Kolbenstange 7 ist schwenkbar mit der Prallplatte 3 gekuppelt. Der Gleichgangzylinder 5 weist Anschlüsse A und B auf.

Eine druckgeregelte Pumpe 10 liefert Druckmittel, vorzugseise Hyrauliköl, zum Antrieb des Gleichgangzylinders 5.

Erfindungsgemäß kann mit dem Gleichgangzylinder 5 eine Hydro­ speicheranordnung 13 verbunden werden, um beim Zurückfahren des Zylinders 5 die kinetische Energie der Wassermassen, die durch den hydraulischen Zylinder 5 in hydraulische Energie (p · v) umgewandelt wird, zu speichern. Die in der Hydrospeicheranordnung 13 gespeicherte hydraulische Energie kann dann wiederum dem antreibenden Zylinder 5 zur Wellenerzeugung zur Verfügung gestellt werden.

Ein hydraulischer Transformator 11 liegt zwischen dem Gleichgangzylinder 5 und der Hydrospeicheranordnung 13. Der hydraulische Transformator 11 dient dazu, den Druck p des Hydrauliköls bei der Rückbewegung der Prallplatte 3 zum Zwecke des Speicherns heraufzutransformieren.

Nach diesem kurzen Überblick sei das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im einzelnen beschrieben. Die Anschlüsse A und B des Gleichgangzylinders 5 stehen über Hydraulikleitungen 20, 21 mit einer Maximaldruck-Regelschaltung 19 in Verbindung, die ihrerseits über Hydraulikleitungen 22, 23 mit einer Speise­ öl-Einspeisschaltung 18 verbunden ist. Die Speiseöl-Ein­ speisschaltung 18 steht über Leitungen 24 und 25 mit dem hydraulischen Transformator 11 in Verbindung. Die Speise­ öl-Einspeisschaltung 18 steht ihrerseits über eine hydraulische Leitung 30 mit der Speiseölversorgungs- und Kühl­ schaltung 17 in Verbindung, die ihrerseits über Leitung 31 mit der druckgeregelten Pumpe 10 in Verbindung steht.

Der hydraulische Transformator 11 ist über eine Hydraulikleitung 26 und ein Sicherheitssystem 12 sowie eine Leitung 27 mit dem Hydrospeicher (über Leitung 28) und mit der druckgeregelten Pumpe über (Leitung 29) verbunden. Um sinusförmige Wellen unterschiedlicher Wellenhöhen und Wellenlängen mit stufenloser Einstellung zu erzeugen, sind elektronische Steuermittel vorgesehen. Diese weisen im einzelnen eine Steuerelektronik 34 auf, in die ein externer Sollwert 42 durch einen Sollwertgeber 43 eingegeben wird. Im Sollwertgeber 43 ist das für die Erzeugung von sinusförmigen (oder auch anderen) Wellen benötigte Programm enthalten. Der externe Sollwert 42 wird einer Steuerelektronik 34 zugeführt, die einen Sollwert-Istwertvergleich vornimmt. Die Steuerelektronik 34 liefert, basierend auf dem Soll-Istwertvergleich ein Steuersignal 44 an die hydraulische Servoverstellung 33 des hydraulischen Transformators 11. Der Istwert des vom Kolben 6 und damit der Prallplatte 3 zurückgelegten Weges wird abgeleitet aus einem Signal, welches von einem Wegmaßsystem 35 über Leitung 36 der Steuerelektronik 34 zugeführt wird und einem weiteren Signal. Dieses weitere Signal ist für die Geschwindigkeit des Kolbens 6 repräsentativ und wird entweder von einem im hydraulischen Transformator vorgesehenen Inkrementalgeber 37 über Leitung 38 geliefert, oder aber von einem ebenfalls im hydraulischen Transformator 11 vorgesehenen Tachogenerator 39 über Leitung 40.

Fig. 2 zeigt unter Weglassung der elektronischen Ansteuerschaltung ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist. Insofern werden, wo immer möglich, die gleichen Bezugszeichen wie für Fig. 1 verwendet.

Der hydraulische Transformator 11 weist erfindungsgemäß eine erste Hydraulikeinheit 46 und eine zweite Hydraulikeinheit 47 auf. Die beiden Hydraulikeinheiten 46 und 47 sind fest miteinander gekuppelt. Die erste Hydraulikeinheit 46 kann sowohl als Hydraulikpumpe als auch als Hydraulikmotor arbeiten. Sie besitzt ein konstantes Schluck- bzw. Fördervolumen. Die erste Hydraulikeinheit 46 arbeitet zusammen mit dem Gleichgangzylinder 5 in einem geschlossenen Ölkreislauf.

Die zweite Hydraulikeinheit 47 besitzt ein variables Hub- bzw. Schluckvolumen und arbeitet sekundär geregelt in einem offenen Kreislauf, was kostengünstig ist. Die zweite Hydraulikeinheit 47 kann aber auch wahlweise in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden, insbesondere wenn erhöhte Drehzahlen an der zweiten Hydraulikeinheit 47 erforderlich sind. Die bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Servoverstellung 33 bewirkt entsprechend dem Steuersignal 44 die Verstellung der zweiten Hydroeinheit 46. Weiter unten wird anhand der Fig. 3 auch der Schwenkwinkel des Verstellelements (beispielsweise einer Schrägscheibe) der sekundär geregelten zweiten Hydroeinheit 47 dargestellt. Die Drehzahl und die Drehrichtungsumkehr am Abtrieb der zweiten Hydroeinheit 47 erfolgt drehzahlgeregelt durch den bereits erwähnten Ist/Soll­ wertvergleich zwischen einer Vorgabe (externer Sollwert 42) und Istwert. Die zweite Hydroeinheit 47 arbeitet also im Zweiquadrantenbetrieb, d. h. bei Drehzahlumkehr wird das Schluckvolumen bzw. Hubvolumen von seinem maximalen negativen Wert (dem maximalen Schluckvolumen) auf seinen maximalen positiven Wert (maximales Hubvolumen) durchgeschwenkt.

Im einzelnen weist die zweite Hydraulikeinheit 47 einen Hochdruckanschluß P und einen Sauganschluß S auf. Ein Rückschlagventil 48 ist zwischen dem Hochdruckanschluß P und dem Sauganschluß S angeordnet und dient als Nachsaugventil. beim schlagartigen Schließen des bereits anhand der Fig. 1 erwähnten Sicherheitssystems oder Sicherheitsblocks 12 würde ohne das Rückschlagventil 48 die zweite Hydroeinheit 47 kavitieren. Der Hochdruckanschluß P steht ferner über das Sicherheitssystem 12 und ein (zum Pumpenaggregat gehörendes) Rückschlagventil 50 mit der druckgeregelten Pump 10 einerseits und der Hydrospeicheranordnung andererseits in Verbindung.

Das Sicherheitssystem 12 besteht aus einem 3/2-Wegesitzventil 51 und einem 2-Wegesitzventil 52. Das Sicherheitssystem 12 hat die Aufgabe in einem Notfall oder bei einem Ausfall die Hydro­ speicheranordnung 13 vom hydraulischen Transformator 11, d. h. dem Antreibsystem abzutrennen. Ein solcher Notfall könnte beispielsweise beim Ausfall der Steuerelektronik 34 auftreten. Das Sicherheitssystem 12 ist somit im Automatikbetrieb, d. h. im Betrieb des Antriebs 1 entsprechendder Steuerung der Steuerelektronik 34 grundsätzlich angesteuert, d. h. das 2-Wegesitzventil 52 ist von beiden Seiten frei durchströmbar. Durch den Pfeil 55 ist die durch die Steuerelektronik 34 bewirkte Ansteuerung angedeutet.

Die Hydrospeicheranordnung 13 weist den eigentlichen Hydrospeicher 53 sowie einen an sich bekannten Speicher-Sicherheits- und Absperrblock 54 auf.

Ferner ist ein (zum Pumpenaggregat gehörendes) Druckbe­ grenzungsventil 52 zwischen dem Ausgang der Pumpe 10 nach dem Rückschlagventil 50 und der Saugseite S angeordnet.

Die hydraulische Servoverstellung 33 weist einen Stellzylinder 56 zum Verstellen des Verstellelements 59 der zweiten Hydraulikeinheit 47, ferner eine Wegrückführung 58 und ein Servoventil 57 auf. Das Servoventil 57 wird durch das Steuersignal 44 der Steuerelektronik 34 angesteuert. Der für die hydraulische Servoverstellung 33 erforderliche Steuerdruck wird über Leitung 60 an Leitung 27 abgegriffen. Ferner steht das Servoventil 58 mit einem Anschluß mit einem Tank 61 in Verbindung. Im übrigen ist das Bezugszeichen 61 stets zur Bezeichnung eines Tanks verwendet.

Das gesamte Pumpenaggregat besteht aus dem bereits erwähnten Rückschlagventil 50, dem ebenfalls bereits erwähnten Maximal­ druckbegrenzungsventil 52 (welches auf ca. 15-20% über dem Druckreglerdruck begrenzt) und der druckgeregelten Pumpe 10. Die druckgeregelte Pumpe 10 ihrerseits umfaßt eine durch einen Elektromotor 62 angetriebene druckgeregelte Pumpen-Hydro-Einheit 63. Die druckgeregelte Pumpe 10 muß erfindungsgemäß nicht die gesamte für den Antrieb der Prallplatte 3 erforderliche Leistung liefern, sondern lediglich die Verlustleistungen ausgleichen. Verlustleistungen treten auf durch Leckage an der ersten Hydroeinheit 46, der zweiten Hydroeinheit 47 und am Servoventil 57. Ferner entstehen Verluste durch die Stellenergie am Stellzylinder 56 der zweiten Hydroeinheit 47.

Zudem entstehen Reibverluste im Zylinder 5 und durch den nicht 100%igen Wirkungsgrad des Hydrospeichers 53. Weitere Verluste entstehen durch die Leckage der Pumpeneinheit 63.

Die entstehenden Verlustleistungen werden in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird im Speiseölaggregat 17 abgeführt. Das Speiseölaggregat 17 weist eine Speisepumpe 64 auf, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Ferner ist ein Thermostat 80, ein Schwimmerschalter 66, ein Rücklauffilter 67, ein Ölkühler 68 und ein Absperrventil 69 sowie ein Tank 61 vorgesehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Maximaldruckbegrenzungsschaltung 19 weist gemäß Fig. 2 zwei Maximaldruckbegrenzungsventile 80 und 81 auf. Die Einspeisschaltung 18 der Fig. 1 weist gemäß Fig. 2 ein Speisedruckventil 82 sowie zwei Einspeiserückschlagventile 83 und 84 auf. Ein Speiseölspeicher 85 ist in der gezeigten Weise angeschlossen und dient zur Vermeidung von Kavitation auf der Speisedruckseite des geschlossenen Ölkreislaufes bei schlagartiger, sekundärseitiger Belastung.

In Fig. 3 sind die Verhältnisse für ein Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 1 für eine Wellenmaschine 2 dargestellt. Ganz oben in Fig. 3 ist der Hydraulikzylinder 5 gezeigt, der zu beiden Seiten des Kolbens ein Volumen von etwa 13 Litern besitzt. Der maximale Arbeitsdruck beträgt beispielsweise 190 bar.

Im ersten Diagramm unterhalb des Zylinders 5 stellt die Cosinus-Schwingung die Beschleunigung des Kolbens 6 während des eingeschobenen Betriebs der Wellenmaschine dar. Man erkennt, daß dann, wenn der Kolben 6 ganz links angeordnet ist, maximale Beschleunigung aufgewandt wird und daß die Beschleunigung zur gezeigten Mittelstellung des Kolbens 6 hin auf Null abnimmt, wo praktisch maximale Geschwindigkeit Cmax erreicht wird. Nach einer Zeit T/2 von 1,5 sec. wird bei der Stellung des Kolbens 6 ganz rechts bei maximaler Verzögerung praktisch die Geschwindigkeit Null erreicht. Sodann bewegt sich der Kolben 6 nach links, wie dies im einzelnen dargestellt ist. Die gemeinsam mit der Beschleunigungskurve dargestellte trapezförmige Kurve stellt den Schwenkwinkel des Regelelements 59 der zweiten Hydraulikeinheit 47 dar. Man erkennt, daß die zweite Hydraulikeinheit 47 zunächst als Motor arbeitet (+100%) und sodann als Pumpe (-50%).

Mit 100% und 50% ist das Ausmaß des eingestellten Schwenkwinkels bezeichnet. Dies ist gleichzeitig auch ein Maß für das Schluck- bzw. Saugvolumen.

Im Speicher/Lade/Entladediagramm der Fig. 3 erkennt man, daß während der Hinbewegung des Kolbens 6 dem Speicher 53 insgesamt einem Volumen von ca. 11 Liter mit einem Druck von 245 bar entnommen wird, und daß dem Speicher bei der Rückbewegung des Kolbens wieder ein Volumen von 4,45 Liter ebenfalls mit 245 bar zurückgeliefert wird. Dies bedeutet einen beträchtlichen Energiegewinn, da für die erneute Hinbewegung des Kolbens 6 nurmehr die Differenz von 11-4,5 Liter, also 6,5 Liter von der druckgeregelten Pumpe 10 nachgeliefert werden müssen.

Claims (14)

1. Hydrostatischer Antrieb für Wellenmaschinen in Schwimmbä­ dern, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein (oder mehrere) Hydraulikzylinder (5) zur Hin- und Rückbewegung einer das Wasser in Bewegung setzenden Vorrichtung (Prallplatte) (3),
eine Hydraulikpumpe (10) zur Lieferung von Hydrauliköl an den Hydraulikzylinder (5),
auf ein elektrisches Steuersignal (44) ansprechende hydraulische Steuermittel, welche die Lieferung von Hydrauliköl an den Hydraulikzylinder steuern und eine Steuerelektronik (34) zur Lieferung und zur Erzeugung des elektrischen Steuersignals (44) basierend auf einem Soll/Istwert-Vergleich, d. h. einem Vergleich des Istwertes der Bewegung der Prallplatte bzw. des Kolbens des Hydraulikzylinders mit einem vorgegebenen externen Sollwert, dadurch gekennzeichnet,
daß die bei der Rückbewegung der Prallplatte (3) auf das Hydrauliköl im Hydraulikzylinder (5) übertragene kinetische Energie in einer Hydrospeicheranordnung (13) gespeichert wird, und daß die gespeicherte Energie wieder zur Betätigung des Kolbens des Hydraulikzylinders (5) zur Hinbewegung der Prallplatte (3) ausgenutzt wird.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hydraulikzylinder (5) bei der Rückbewegung des mit der Prallplatte (3) gekuppelten Kolbens (6) anfallende hydraulische Energie (p × V) über einen hydraulischen Transformator (11) dem Hydrospeicher (13) mit einem erhöhten Druck zugeführt wird.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Transformator (11) eine erste Hydraulikein­ heit (46) und eine zweite Hydraulikeinheit (47) aufweist.

4. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hydraulik­ einheit sowohl als Pumpe wie auch als Motor arbeiten kann, und daß bei der Rückbewegung des Kolbens (6) der über eine Rücklaufleitung des Gleichgangzylinders (5) wirkende Druck sowie das verdrängte Ölvolumen aus dem Gleichgangzylinder (5) die in diesem Betriebszustand im Motorbetrieb arbeitende Hydroeinheit (46) antreiben, um dadurch die zweite Hydroeinheit (47), die mit der ersten Hydroeinheit (46) fest gekuppelt ist, anzutreiben, wobei die zweite Einheit entsprechend der Druck/Volumenkennlinie des Hydraulikspeichers (13) in diesen hineinfördert, und wobei ferner während dieser Arbeitsphase Hydrauliköl der zweiten Hydroeinheit (47) auf der Niederdruckseite drucklos von einem Ölbehälter (61) der Speiseöl und Kühlvorrichtung (17) zufließt.

5. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hydroeinheit (47) mit variablem Hub- bzw. Schluckvolumen im offenen Kreis­ lauf sekundär geregelt arbeitet.

6. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydraulische Servoverstellung (33) für die zweite Hydroeinheit (47) vorgesehen ist, die im Zwei-Quadrantenbetrieb arbeitet, d. h. bei Drehzahlumkehr wird das Schluckvolumen bzw. Hubvolumen von dem negativen Maximalwert auf den positiven Maximalwert durch Null durchgeschwenkt.

7. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sicherheitssystem in der Form eines Sicherheitszu- und -abschaltblockes (12) zwischen Pumpe (10) und Hydrospeicheranordnung (13) auf der einen und dem hydraulischen Trafo (11) auf der anderen Seite vorgesehen ist.

8. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitszu- und -abschaltblock im sog. Automatikbetrieb, d. h. im Betrieb unter der Steuerung einer Steuerelektronik (34) grundsätzlich angesteuert ist, d. h. vorzugsweise ist ein Zweiwegesitzventil des Sicherheitssystems (12; 52) von beiden Seiten her frei durchströmbar.

9. Hydrostatischer Antrieb für eine Wellenmaschine, insbeson­ dere unter Verwendung eines eine Prallplatte antreibenden Gleichgangzylinders (5), dadurch gekennzeichnet, daß die durch die in Bewegung befindlichen Wassermassen hervorgerufenen Reaktionskräfte beim Zurückfahren des Zylinders (5) mittels eines hydraulischen Transformators (11) in hydraulische Energie umgewandelt und einer Hydrospeicheranordnung (13) zugeführt werden, von wo aus die gespeicherte hydraulische Energie in umgekehrter Reihenfolge dann wiederum dem antreibenden Zylinder zur Wellenerzeugung zur Verfügung gestellt wird, so daß zu installierende Primärleistung in großem Umfang eingespart wird.

10. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Transformator eine erste Hydroeinheit (46) mit konstantem und eine zweite Hydroeinheit (47) mit variablem Schluck- bzw. Fördervolumen aufweist, wobei beide Einheiten über eine Kupplung fest miteinander verbunden sind.

11. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hydroeinheit (46) zusammen mit dem Gleichgangzylinder (5) in einem geschlossenen Ölkreislauf arbeitet.

12. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikspeicher­ anordnung (13) und eine druckgeregelte Pumpe (10) direkt mit einem Druckanschluß (P) der zweiten Hydroeinheit (47) verbunden sind und diese in umgekehrter Richtung beschleunigen, so daß die erste konstante Hydroeinheit (46) in den Anschluß (A) des Gleichgangzylinders (5) fördert und diesen analog bewegt.

13. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Notfall das ein 3-/2-Wegesitzventil und ein 2-Wegesitzventil aufweisende Sicherheitssystem (12) die Hydrospeicheranordnung (13) und die Pumpe (10) vom Antrieb abtrennt.

14. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hochdruckanschluß (P) der zweiten Hydroeinheit (47) und dem Sauganschluß (S) der zweiten Hydroeinheit ein als Nachsaugven­ til dienendes Rückschlagventil vorgesehen ist, um bei schlagartigem Schließen des Sicherheitssystems ein Kavitieren der zweiten Hydroeinheit (47) zu verhindern.