TU Darmstadt / ULB / TUprints

Beitrag zur Analyse und Optimierung einer Wasserdruckmaschine

Schwyzer, Olivier :
Beitrag zur Analyse und Optimierung einer Wasserdruckmaschine.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
Diss_Schwyzer_WDM.pdf - Published Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (5MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Beitrag zur Analyse und Optimierung einer Wasserdruckmaschine
Language: German
Abstract:

Die Wasserdruckmaschine (WDM) ist ein Energiewandler zur Nutzung geringer Fallhöhen zwischen 0,5 und 2,5m in kleinen Fließgewässern und Bewässerungskanälen. Charakteristisch für die Technologie sind die geringe Anzahl Schaufeln, die große geschlossene Nabe zum Aufstau des Oberwassers, der drehzahlvariable Betrieb sowie der Antrieb des Rades vorwiegend durch Druckunterschied zwischen Ober- und Unterwasser. In den letzten zehn Jahren wurden von verschiedenen Institutionen zahlreiche Untersuchungen mit unterschiedlichen Laufrädern an physikalischen Modellen und Pilotanlagen durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit werden die bisher durchgeführten Untersuchungen, die von Erfindern angemeldeten Patente und die entwickelten Theorien ausführlich vorgestellt und diskutiert. Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen sind bezüglich des maximalen hydraulischen Wirkungsgrades und der Drehzahlschwankungen widersprüchlich. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stehen neben der Auflösung dieser Widersprüche die detaillierte Analyse der Spaltverluste sowie die Analyse weiterer geometrischer Varianten. Dazu wurde ein großmaßstäblicher Modellversuch an der Hochschule Darmstadt geplant, aufgebaut und untersucht. Das Modellrad ist vorwiegend aus Stahl gefertigt, hat 12 Schaufeln, einen Außendurchmesser von 1,1m und eine Breite von 0,8m. Die Geometrie des Rades ist zur Energiegewinnung optimiert und basiert auf den Ergebnissen aus der Literatur. Sämtliche Messgrößen zur Bestimmung der mechanischen Leistung und des hydraulischen Wirkungsgrades werden elektronisch erfasst und verarbeitet. Die Auswertung orientiert sich zwecks Vergleichbarkeit mit anderen Technologien an der IEC-60193. Mit dem getesteten, großmaßstäblichen Modell wird ein maximaler hydraulischer Wirkungsgrad von ca. 60% erreicht. Hohe Wirkungsgrade werden bei geringen Drehzahlen (ca. 4,0 bis 5,6 1/min) und Durchflüssen erreicht. Bei geringen Drehzahlen zeigen sich allerdings hohe Drehzahlschwankungen, die auf die gewählte Anzahl Schaufeln zurückzuführen sind. Diese Schwankungen, bis ca. ±10% der mittleren Drehzahl, stellen eine besondere Herausforderung für nachfolgende Komponenten der Energiewandlung dar. Alternative Schaufelaufsätze aus einer Kombination aus Stahl und EPDM Kunststoff zeigen im Vergleich zu reinen Stahlaufsätzen gleiche Ergebnisse bezüglich der Leistungskennwerte, jedoch bessere bezüglich der ökologischen Durchgängigkeit. Die Spaltverluste sind bei Betrieb des Rades geringer als die in der Literatur alleine dokumentierten Werte für den Stillstand des Rades. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Einordnung und zur Weiterentwicklung der Technologie und zeigt die maßgeblichen Entwicklungsfelder auf.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The Hydrostatic Pressure Machine (HPM) is an energy onverter to exploit very low head differences between 0.5 and 2.5m in small streams and irrigation canals. Special features of this technology are the small number of blades, a relatively large closed central hub to dam up the upstream water level and the operation of the wheel at variable speeds. Furthermore, the HPM is mainly driven by the pressure difference between upstream and downstream water level. In the last decade various studies have been carried out by different institutions to investigate the technology. Numerous physical models with different runners and two pilot plants have been tested. In this thesis all previously conducted research as well as patent applications and theories developed concerning the technology are presented and discussed in detail. Literature review revealed contradictions regarding the maximum achievable hydraulic efficiency and the presence of rotational speed fluctuations. In order to resolve these contradictions and to analyse gap losses and additional geometrical variations in detail, a large scale physical model was designed, built and tested at the University of Applied Sciences Darmstadt. The tested HPM model is mainly built from steel, has 12 blades, an outer diameter of 1.1m and a width of 0.8m. The geometry of the wheel was chosen based on optimal results from the literature review regarding power output. All measured quantities to determine mechanical power and hydraulic efficiency of the machine are captured and processed electronically. For comparability reasons with other technologies, data analysis is done according to IEC-60193. With the large scale physical model a maximum hydraulic efficiency of approx. 60% is reached. High efficiency rates are reached at low rotational speeds (approx 4.0 to 5.6 rpm) and flow rates. Rotational speed fluctuations are due to the small number of blades and reach highest values at low speeds. These fluctuations of ±10% of the average rotational speed constitute the major challenge for the future development of the technology. Results show that alternative blade tips made from EPDM rubber reach similar values of hydraulic efficiency and mechanical power output, but have significant advantages regarding the continuity for aquatic life compared to usual blade tips made from steel. For gap sizes larger than the technical minimum, gap losses are smaller as compared to that found in the literature. The present work makes a contribution to the improvement and classification of the HPM technology and points out further fields of development.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute IWAR > Water Supply and Groundwater Protection
Date Deposited: 04 Apr 2017 07:17
Last Modified: 04 Apr 2017 07:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59928
Referees: Urban, Prof. Dr. Wilhelm and Saenger, Prof. Dr. Nicole and Lehmann, Prof. Dr. Boris
Refereed: 7 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5992
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year