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Fachbereich Bauingenieurwesen

Ökologische (Durchgängigkeit) und ökonomische (Leistung) Optimierung eines Zuppinger-Wasserrades

Zuppingerradss

Ziel des Forschungsvorhabens ist es die Durchgängigkeit von Wasserrädern für Fische und Sedimente zu optimieren ohne den Wirkungsgrad erheblich zu reduzieren.  Zusätzlich wird untersucht wie Leistungsausbeute und damit der Wirkungsgrad zu verbessern ist. Parallel wird überprüft, ob die Optimierungsschritte auch technisch umgesetzt werden können und der erhöhte Herstellungsaufwand die Fertigungskosten erheblich steigert.

Inhalt

  1. Anlass und Motivation
  2. Zielsetzung
  3. Methodisches Vorgehen
  4. Weitere Infos

Anlass und Motivation

Die Nutzung kleiner Wasserkräfte wird seit der deutschen Energiewende in 2012 wieder in einem anderen Licht betrachtet. Die Steigerung der Energiewandlung in Deutschland durch die Nutzung von Standorten an kleinen und mittelgroßen Fließgewässern wird von Anderer et al. (2010) bei nur knapp 20% gesehen. Diese Erhöhung wird insbesondere durch die Steigerung des Wirkungsgrades durch Modernisierung bzw. die optimierte Steuerung der Anlagen möglich. Wenn es um die Modernisierung von Anlagen geht, muss deren Optimierung im Hinblick auf ökologische Parameter und Prozesse berücksichtigt werden. Sediment- und Fischdurchgängigkeit der Anlagen sind ein wichtiges Thema, und können nicht allein durch den Bau von funktionstüchtigen Fischwegen (Auf-bzw. Abstieg) erfolgen.

An der Hochschule Darmstadt werden derzeit hydraulische Versuche und numerische Simulationen zur ökologischen Optimierung von Wasserrädern durchgeführt. Die Untersuchungen werden an dem maßstäblichen Modell des Rades nach Zuppinger der Firma Walter Schuhmann, Bad Kissingen, durchgeführt. Wasserräder können mit einem weiten Abflussspektrum arbeiten und gelten nach Gerhardt (1904) als fischdurchgängig. Die Aussage von Gerhardt wird jedoch nicht näher belegt. Erst in den letzten Jahren wurden einige wenige Untersuchungen des Fischdurchgangs durchgeführt. Diese Untersuchungen bestätigen die Aussage von Gerhardt nicht; auch beim Durchgang durch Wasserräder werden Fische verletzt oder getötet, jedoch in einem geringeren Maße als bei Turbinen (z.B. Tombek & Holzner (ohne Datum)).

Zuppingerrad

 Zielsetzung

In den Modellversuchen der Hochschule Darmstadt wird erforscht, wie sich beispielsweise variierende Durchflüsse, Spaltweiten zwischen Schaufeln und Kropfgerinne, Schaufelanzahl, Drehzahl und Schaufelform auf den Wirkungsgrad / die Leistung des Wasserrades auswirken und wie sie die ökologische Durchgängigkeit beeinflussen.

Gleichzeitig wird die Auswirkung der Variationen auf den Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute untersucht, denn diese sollen sich durch die ökologischen Verbesserungen nur in einem sehr geringen Maße verschlechtern oder sich im Idealfall verbessern. Weitere Versuchsreihen beschäftigen sich ausschließlich mit der ökonomischen Verbesserung, haben aber keinerlei negative ökologische Auswirkungen.

Methodisches Vorgehen

Aufgebaut wurde ein Wasserrad der Firma Mühlenbau Schumann, Bad Kissingen, nach Zuppinger-Bauart im Maßstab 1:5 (Abbildung 1). Das Modell hat einen Durchmesser von 1,80m und eine Breite von 0,90m. Die 50 Schaufeln besitzen eine Holzbeplankung mit einer Stärke von 8mm. Das Spaltmaß zwischen Schaufeln und Kropfgerinne sowie zu den Seiten beträgt 0,005m. Es werden Wasserstände über Drucktransmitter, Radumdrehungen pro Minute über Drehgeber, Durchfluss über einen Magnetisch-induktiven Durchflussmesser (MID) und Drehmoment über Drehmomentaufnehmer gemessen. Die Fallhöhe wird bestimmt aus der Differenz des Oberwasserstandes und des Wasserstandes im Unterwasser direkt dort, wo das Wasser aus der Schaufel „fällt“.  
Erste Ergebnisse zeigen, dass das Modellrad seinen optimalen Wirkungsgrad von über 80 % bei der vorgesehenen Drehzahl von 7,6 U/min hat. Wirkungsgradverluste durch Getriebe und Generator treten im Versuchsaufbau nicht auf.

Zupp WirkungsgradZur ökologischen Optimierung werden die Spaltmaße variiert, um die gängige Meinung zu validieren, dass die Spaltweite, die ausschlaggebend für die Durchgängigkeit von Sedimenten und Fischen ist, maßgeblich den Wirkungsgrad steuert. Dadurch soll das Ziel erreicht werden die Durchgängigkeit von Wasserrädern für Fische und Sedimente zu steigern ohne den Wirkungsgrad erheblich zu reduzieren. Erste Versuchsergebnisse lassen bereits Rückschlüsse auf den Einfluss des Spaltmaßes auf den Wirkungsgrad zu: bei einer Verdopplung des Spaltmaßes behält das Wasserrad seinen hohen Wirkungsgrad; bei einer Verdreifachung nimmt er ab.
Weiterhin werden unterschiedliche Drehzahlen untersucht. Niedrigere Umfangsgeschwindigkeiten reduzieren vermutlich das Verletzungsrisiko von Fischen bei der stromabwärts gerichteten Durchwanderung des Wasserrades. Eine Variation der Umdrehungszahlen führt zu einer Verschiebung der Wirkungsgradkurven (Abbildung 2). Die Wirkungsgrade der niedrigen Drehzahlen liegen im Durchflussbereich unterhalb des Ausbaudurchflusses (125 l/s) oberhalb der hohen Drehzahlen. Etwa im Ausbaudurchfluss tauschen diese ihre Reihenfolge, was dazu führt, dass die Wirkungsgrade der hohen Drehzahlen deutlich über denen der niedrigen Drehzahlen liegen.
Eine weitere Versuchsreihe besteht aus der Erhöhung des Schaufelabstandes durch eine reduzierte Schaufelanzahl. Das Rad besitzt mit den vorgesehenen 50 Schaufeln einen Wirkungsgrad, der selbst unter Berücksichtigung der Laborbedingungen außerordentlich hoch ausfällt. Durch eine reduzierte Schaufelanzahl würde für Fische, Sedimente und Störkörper die Wahrscheinlichkeit erhöht, das Rad unbeschadet zu passieren. In Zusammenarbeit mit der Firma Schuhmann wurde diese Variation vorgesehen, um deren Auswirkung auf die Leistungsausbeute zu untersuchen.


 Weitere Infos

Verantwortliche

 

Prof. Dr.-Ing. Nicole Saenger

Dipl.-Ing. Matthias von Harten

Förderung

 

Forschung für die Praxis 
WifOR - Wirtschaftsforschungsinstitut, Darmstadt

Projektpartner

 

Walter Schuhmann, Mühlen- und Maschinenbau GmbH, Bad Kissingen

Projekttitel

 

Eine Analyse des Zuppinger Wasserrades: Ökologische und hydraulische Optimierung des Konverters

Download

 

Zuppingerrad Plakat Tag der Forschung v.2013

Veröffentlichung

 

 von Harten, Matthias; Paudel, Shakun; Saenger, Nicole (2013): Nutzung kleiner Fallhöhen - ein Beitrag aus Forschung und Entwicklung. In: Wasserwirtschaft 103 (10), S. 22–25.

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