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Funktionsanalyse und Wirkungsoptimierung einer Wasserdruckmaschine

Schneider, Silke :
Funktionsanalyse und Wirkungsoptimierung einer Wasserdruckmaschine.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Funktionsanalyse und Wirkungsoptimierung einer Wasserdruckmaschine
Language: German
Abstract:

Seit mehr als 2.000 Jahren nutzen die Menschen die Wasserkraft: Zuerst zum Antrieb von Schöpfrädern zur Bewässerung von Feldern, später als Antriebsquelle für Mühlen, Säge- oder Hammerwerke und seit ca. 150 Jahren vorrangig zur Elektrizitätserzeugung. Trotz dieser langen Nutzungshistorie fehlen für den Bereich der kleinen Wasserkraft mit niedrigen Fallhöhen erprobte Technologien, welche sowohl hydraulische und wirtschaftliche Anforderungen erfüllen als auch eine hohe ökologische Verträglichkeit hinsichtlich der Durchgängigkeit für Sediment sowie des Schädigungsrisikos für Fische aufweisen. Aus diesem Grund wird in jüngster Zeit verstärkt auf die Entwicklung neuer Wasserkraft-Technologien gesetzt. Eine vielversprechende Entwicklung ist die Wasserdruckmaschine, deren Wirkungsprinzip auf der Nutzung des Unterschieds der hydrostatischen Wasserdrücke auf der Ober- und Unterwasserseite des Energiewandlers beruht.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bewertung, ob die Wasserdruckmaschine einen geeigneten Energiewandler für den Einsatz an Standorten mit geringen Fallhöhen im Bereich von 0,5 bis 2,5 m darstellt. Hierzu wurde die Maschine erstmalig in einem halbtechnischen Maßstab im Labor untersucht und weiterentwickelt. Der Fokus der Untersuchungen lag sowohl auf der hydraulischen Optimierung der Maschineneigenschaften als auch auf der Analyse ihrer ökologischen Verträglichkeit für den potentiellen Einbau in einem Fließgewässer. Darüber hinaus wurde die bisherige theoretische Beschreibung des Wirkungsprinzips der Maschine um eine Theorie zur Abbildung der an einer Wasserdruckmaschine auftretenden Verluste erweitert.

Zur Betrachtung des Einflusses verschiedener Randbedingungen und Maschinenparameter wurden hydraulische Untersuchungen in einer Laborrinne der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Diese fanden im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes „Development of hydropower converters for very low head differences – Hylow“ statt. Auf Basis der Versuche wurden der Einfluss verschiedener Parameter auf das Maschinenverhalten sowie deren Wirkungszusammenhänge analysiert und eine aus hydraulischer Sicht optimierte Wasserdruckmaschinengeometrie identifiziert. Dabei wurden mechanische Wirkungsgrade von bis zu 70 % erreicht, wobei die Maschine vor allem im Teillastbereich sehr gute hydraulische Eigenschaften zeigte. Ergänzend wurden den Laboruntersuchungen erste hydraulische Beobachtungen an Prototyp-Anlagen im Naturmaßstab gegenübergestellt.

Die optimierte Maschinengeometrie ist charakterisiert durch diagonal angeordnete Schaufeln, welche gegenüber der Gerinnebreite eine Breite im Verhältnis von 1:2 aufweisen. Durch diese Konfiguration können Verluste im Bereich des Ein- und Austauchens der Schaufeln sowie durch Widerstände bei der Schaufelbewegung durch das Wasser minimiert werden. Es zeigte sich, dass an den Schaufelkanten Gummidichtungen angebracht werden sollten, um Spaltverluste auf ein Minimalmaß zu reduzieren. Des Weiteren sollte die Maschine insgesamt entsprechend des Entwurfsdurchflusses ausreichend groß dimensioniert werden, um die Drehzahl und damit die Verluste möglichst gering zu halten. Ebenfalls gilt zu beachten, dass die Wasserdruckmaschine so eingebaut wird, dass zum einen die Unterwasserstände relativ dicht an der Nabenunterkante anstehen und zum anderen durch Steuerung der Maschinendrehzahl der Oberwasserstand möglichst auf Nabenoberkante eingestellt werden kann.

Auf Grundlage der Ergebnisse der physikalischen Modellversuche in der Laborrinne konnten modellspezifische Beiwerte zur Beschreibung der Verluste aus dem Schaufelwiderstand (cD-Werte) bestimmt und die theoretische Beschreibung der Wasserdruckmaschine um Verlustansätze erweitert werden. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen der ergänzten Theorie und den Messwerten.

Hinsichtlich der Auswirkungen der Wasserdruckmaschine auf die Ökologie des Fließgewässers galt es, das mögliche Schädigungspotential für Fische, die Durchgängigkeit von Sediment sowie das Erfordernis eines Schutzes der Maschine gegenüber Sediment und Treibgut zu bestimmen. Zur Betrachtung des Einflusses der Maschine auf das Verhalten von Fischen wurden Beobachtungen auf Basis ethohydraulischer Ansätze in einer Laborrinne der Technischen Universität Darmstadt herangezogen. Hierbei zeigte sich, dass von der Maschine keinerlei Scheuwirkung auf die Fische ausging. Mittels Fisch-Dummies wurde eine erste Abschätzung des Schädigungspotentials vorgenommen, welche auf ein erhöhtes Risiko im Eintauchbereich der Schaufeln in den gekrümmten Bodeneinbau hinwies.

Weder auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse der Fischbeobachtungen in der Laborrinne noch unter Berücksichtigung der bislang durchgeführten fischökologischen Untersuchungen an einer Prototyp-Anlage in Bulgarien konnte eine abschließende Aussage zum Schädigungspotential der Wasserdruckmaschine getroffen werden. Entsprechend wird die Errichtung von dem Stand der Technik entsprechenden Schutzeinrichtungen (z.B. mechanische Barriere) empfohlen. Zudem wird die Installation eines Rechens in Hinblick auf den Schutz der Wasserdruckmaschine vor größerem Treibgut sowie Grobkies oder Steinen als sinnvoll erachtet.

Eine erste Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Wasserdruckmaschine erfolgte auf Basis der Kennwerte einer in Deutschland installierten Prototyp-Anlage. Aufgrund spezifischer Standortgegebenheiten ist jedoch keine allgemeingültige Aussage zu den Investitions- und Unterhaltungskosten möglich.

Zusammenfassend kann die Wasserdruckmaschine auf Grundlage der im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Einflussfaktoren aus hydraulischer und ökologischer Perspektive als ein geeigneter Energiewandler für den Einsatz an Kleinwasserkraftstandorten mit niedrigen Fallhöhen eingestuft werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
For more than 2,000 years, water power has been used: First, for driving Persian wheels for the irrigation of fields, later as a power source for mills, saw mills or hammer mills and approximately for the last 150 years mainly for the generation of electricity. Despite this long history of utilisation, there is a lack of proven technologies in the field of small hydropower with low head differences that meets both hydraulic and economic requirements and that shows a high ecological compatibility with regard to sediment passage and the risk of damage to fish. For this reason, the development of new hydropower technologies was recently intensified. A promising construction is the so called Hydrostatic Pressure Machine whose working principle is based on the use of the hydrostatic pressure difference at the up- and downstream side of the energy converter. The aim of this thesis was to assess, if the Hydrostatic Pressure Machine is an appropriate energy converter for the installation at sites with small head differences in the range of 0.5 to 2.5 m. For this purpose, the machine was tested and further developed for the first time in a pilot plant scale in a laboratory flume. The focus of the experiments was on (1) the hydraulic optimization of the machine characteristics and (2) the analysis of their environmental compatibility for the potential application in rivers. In addition, the existing theoretical description of the machine’s working principle has been extended by a theory which describes the losses at the Hydrostatic Pressure Machine. In order to examine the influence of different boundary conditions and machine parameters, hydraulic model tests were conducted in a flume at the Technische Universität Darmstadt. The experiments took place within an European research project called "Development of hydro power converters for very low head differences - Hylow". Based on these experiments, the influence of various parameters on the machine behaviour and their interactions were analysed. An optimised geometry was identified from the hydraulic point of view. This optimization led to an achievement of up to 70 % of mechanical efficiency, where the machine showed very good hydraulic characteristics especially in the part load range. In addition, the results of the laboratory tests were compared with first observations made at prototype plants in full scale river applications. The optimized machine geometry is characterized by diagonally mounted blades with a blade width to channel width ratio of 1:2. With this configuration, hydraulic losses due to the blade dipping into the upstream water body and leaving the downstream water surface as well as turbulence losses while the blade is moving through the water could be minimised. It was found, that rubber bands should be installed at the tip of the blades to reduce gap losses to a minimum level. Furthermore, the machine should be planned sufficiently large according to the design flow to minimize the rotational speed and hence the losses. It should also be noted that the Hydrostatic Pressure Machine is installed in a way that on the one hand the downstream water levels are relatively close to the bottom edge of the hub and on the other hand the upstream water level can be adjusted at the top edge of the hub by controlling the rotational speed of the machine. Based on the results of physical model tests in the laboratory flume, model-specific coefficients were determined to describe the losses resulting from the blade resistance (loss factor cD). Therefore, the theoretical description of the Hydrostatic Pressure Machine was extended by the approaches for losses. A good correlation was found between the extended theory and the measurements. With regard to the impact of the Hydrostatic Pressure Machine on the ecology of rivers, it was necessary to determine the possible damage potential for fish, the continuity for sediment and the need to protect the machine against sediment and floating debris. On order to examine the influence of the machine on the behaviour of fish, observations in the laboratory flume at the Technische Universität Darmstadt that were based on ethohydraulic approaches were referred to. It was found that there is no shoo effect of the machine on the fish. By using fish dummies an initial estimation of the damage potential was made which indicated an increased risk in the area where the blades plunge into the curved bottom section. A final statement on the damage potential of the Hydrostatic Pressure Machine could not be made. Neither the results of the fish observations in the flume nor the fish ecological investigations carried out at a prototype plant in Bulgaria were satisfying to clarify such a statement. Consequently, the installation of a protective, state of the art device (e.g. mechanical barrier) is recommended. In addition, the installation of a trash rack in order to protect the energy converter against larger floating debris and coarse gravel or stones is considered useful. A first assessment of the economic efficiency of the Hydrostatic Pressure Machine was based on the characteristics of a prototype plant installed in Germany. Due to specific local conditions, however, no general statement about the investment and maintenance costs is possible. Based on the influencing factors considered in this thesis, the Hydrostatic Pressure Machine can be classified from the hydraulic and the ecological point of view as an appropriate energy converter for the installation at small hydropower sites with low head differences.English
Series Name: Mitteilungen des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Number: 152
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Wasserkraft, Wasserrad
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 19 May 2016 06:34
Last Modified: 19 May 2016 06:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54439
Referees: Zanke, Prof. Ulrich and Lehmann, Prof. Boris
Refereed: 2 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5443
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