h - University of Southampton

DIE STAUDRUCKMASCHINE – EINE KRITISCHE ANALYSE
Von: Dr Gerald Müller
Civil Engineering Department
University of Southampton
Southampton SO17 1BJ
Tel.: +44 (0)2380 592442
Email: g.muller@soton.ac.uk
Einführung
Die wirtschaftliche und ökologisch unbedenkliche Wandlung kleiner Wasserkräfte von 50 –
500 kW mit sehr niedrigen Fallhöhen kleiner als 1,5 m stellt auch heute noch ein ungelöstes
Problem dar. In der Literatur, im Internet und in der Presse werden unterschiedlichste
Energiewandler beschrieben, wobei die angegebenen hohen Wirkungsgrade oft weder durch
theoretische Überlegungen noch durch Messungen bestätigt werden. Die erhältlichen
Informationen bezüglich der genauen Geometrie usw. der häufig patentgeschützten Wandler
sind meist unbefriedigend. Gleichzeitig besteht bei vielen Besitzern von
Wasserkraftstandorten der Wunsch nach Nutzung der Wasserkraft, und im Wasserbau tätige
Ingenieure werden nach der Anwendbarkeit dieser Wandler befragt. Eine rationelle
Bewertung der verschiedenen Energiewandler ist jedoch häufig nur nach genauem Studium
der Prinzipien und der verfügbaren Angaben möglich. Im Folgenden soll die
Staudruckmaschine (SDM), eine patentierte Erfindung (Patent AT 404 973 B) des
Österreichers A. Brinnich, beschrieben und analysiert werden.
Hier sollte darauf hingewiesen werden dass der Erfinder 2006 eine verbesserte Maschine mit
veränderter Geometrie patentiert hat (Patent AT 501 575), die ebenfalls als
‚Staudruckmaschine’ bezeichnet wird. Die folgende Abhandlung beschäftigt sich jedoch
ausschliesslich mit der in Bild 1 gezeigten und in Brinnich (2001) beschriebenen Maschine
(Patent AT 404 973 B) und gibt keinerlei Hinweise auf die Leistungsmerkmale der ‚neuen’
Maschine.
1

Bild 1: Staudruckmaschine (www.wicon.at),
Die SDM hat aufgrund der Angaben des Erfinders (über 90% Wirkungsgrad für alle
Durchflüsse, bei 10 – 30% der Kosten für ein gewöhnliches Wasserkraftwerk) ein breites
Echo in der Presse als auch Erwähnung in der Fachliteratur gefunden, Brinnich (2001). Zwei
Pilotanlagen wurden gebaut und die SDM und wurde verschiedentlich für geplante
Wasserkraftanlagen vorgesehen. Messergebnisse, eine plausible Theorie der
Funktionsweise, eine wissenschaftliche Bearbeitung oder wirtschaftliche Analysen sind
jedoch nach Wissen des Autors nicht vorhanden. Die Autoren möchten
Funktionsprinzip
Die SDM stellt ein quer zur Fliessrichtung liegendes Schaufelrad mit Nabe (Durchmesser =
Stauhöhe) dar. Die Nabe des Antriebsrades wirkt als Stau, und ersetzt das sonst
erforderliche Wehr, Bild 2. Die Kombination beider Prinzipien ist patentiert (Österreichisches
Patent No. AT 404 973 B).
Bild 2: Staudruckmaschine – Hydrostatischer Druck
Die Angaben des Erfinders zum Funktionsprinzip sind unklar. Es wird angenommen dass
Wasserdruck und Strömungsenergie des Wassers auf die in Bewegung befindlichen
Schaufeln wirken, und das Rad antreiben. Der Wasserdruck wirkt auf die normal zur Nabe
2

angeordneten Schaufeln und treibt das Rad an. Die seitliche Schrägstellung der Schaufeln
minimiert den Wasserwiderstand beim Ein – und Austauchen. Auf die Schaufeln wirkt der
Wasserdruck aus der Differenz von Oberwasser (OW) und Unterwasser (UW); für die
Leistungsermittlung wurde die vorhandene hydraulische Leistung abzüglich der Brems- und
Luftspaltverluste verwandt. Damit „arbeitet die SDM immer mit einem Wirkungsgrad von über
90 %.“ Ausser den statischen auf die Schaufeln wirkenden Druckdiagrammen wird keine
weitere theoretische Begründung oder Analyse angegeben.
Ausgangslage:
Der Erfinder hat das Problem – die effiziente Nutzung von Standorten mit sehr niedrigen
Fallhöhen von < 1,50 m und (relativ) hohen Durchflüssen von mehr als 2 m³/s und Meter
Breite – erkannt und eine Lösung vorgeschlagen. Die SDM stellt dabei einen durchaus
eigenständigen Typ einer hydraulischen Maschine mit zwei unterschiedlichen Wirkaspekten
dar :
1. Die Nabe der Maschine wirkt gleichzeitig als Stau (dies hat ebenfalls Vorteile für
Tragstruktur und Leistungsabnahme da die sonst an den Achsen entstehenden sehr
hohen Torsionsspannungen vermieden werden). Dieses Prinzip wurde jedoch bereits
von Zuppinger vorgeschlagen, und wird ebenfalls bei dem von Fonfrede
vorgeschlagenen ‚Roue Barrage’ verwandt, Brockhaus (1904), Fonfrede (2003).
2. Der Antrieb erfolgt durch den hydrostatischen Druck und nicht durch Gewichts-
(Potentialmaschinen: Ober- und Mittelschlächtige Wasserräder) oder Reaktionskräfte
(Kaplan-, Francisturbine). Es wird allgemein angenommen dass die SDM ein
Wasserrad darstellt, z.B. Killer (2003). Die SDM wird jedoch vom Wasserdruck und
nicht vom Gewicht des Wassers angetrieben, und stellt eigentlich eine
Rotationswasserdruckmaschine (RWDM) ähnlich der Wassersäulenmaschine dar (eine
Kolbenmaschine die mit Wasserdruck betrieben wird und die in der zweiten Hälfte des
19. Jahrhunderts gelegentlich zu Pumpzwecken eingesetzt wurde, siehe z.B. Henne
1898. Diese Art von Maschinen wurden mit relativ hohem Druck aus einem Speicher
und zum Teil sogar aus der Wasserleitung betrieben).
a. Wasserad mit Stauachse nach
Zuppinger (Brockhaus, 1904)
b. Roue Barrage nach Fonfrede
Bild 3: Stauräder
3

Die von der SDM erbrachte Leistung ist eine Funktion von Druckkraft und Geschwindigkeit.
Um die SDM bewerten und mit herkömmlichen Energiewandlern vergleichen zu können
wurde an der Universität Southampton eine einfache Theorie der SDM entwickelt die jedoch,
was die tatsächlich auftretenden Strömungsverlust angeht, auf Annahmen angewiesen ist.
Theorie der SDM
Die SDM stellt eine Wasserdruckmaschine dar die im Gegensatz zu den in der Literatur
beschriebenen Maschinen mit einer freie Oberfläche arbeitet. Die SDM nutzt den aus der
Höhendifferenz OW - UW entstehenden Differentialdruck der auf die Schaufeln wirkt, Bild 2.
Da das OW konstant bleiben muss, gehört zu jeder Drehgeschwindigkeit der Maschine
genau eine Durchflussmenge Q. Sobald die Maschine sich bewegt, entsteht an der Schaufel
eine Geschwindigkeit v2 die grösser ist als die Fliessgeschwindigkeit v1 des Oberwassers mit
einer Tiefe t1 :
t
1
v 2 = v1
(1)
t 2
Der OW-Spiegel bzw. die Druckhöhe im Bereich unterhalb der Nabe muss sich also bei
konstanter Energielinie um den Betrag ∆h absenken:
2 2
v 2 − v1
Δ h =
(2)
2 g
Bild 4: Geschwindigkeiten und Wasserspiegel an der sich drehenden Maschine
Damit sinkt der auf die Schaufel wirkende effektive Druck Peff vom Maximaldruck Pmax :
Pmax
= ρ g ( t 1 − t 2 ) = ρ g d
P
eff
= ρ g
( d − Δ h )
Dies bedeutet dass mit zunehmender Drehzahl die hydrostatische Antriebskraft absinkt. Mit
diesen Beziehungen wurde ein typisches Beispiel mit den folgenden Werten durchgerechnet
um die Wirkungsgrade und Leistungen zu bestimmen.
t1 = 1,90 m
t2 = 0,89 m
Q = 1,80 m³/s · m Breite
(3)
4

Für eine Schaufelfläche A wird die Leistung L:
L S
= A P v
(4)
2
Bild 5: Charakteristische Kurven der SDM
Die Beschleunigung a von v1 auf v2 wird als gegen wirkende Kraft berücksichtigt (Annahme:
die Beschleunigung findet über eine Strecke t1 - t2 statt) die eine Verlustleistung Lv erzeugt:
( v − v )
2
1
1
2
2
a = (5)
t − t
L v
v 2 − v 1
= Q a
(6)
2
Leistung und Wirkungsgrad sind stark von der Beaufschlagung (und der Drehzahl) abhängig
(Bild 5a). Für die Entwurfswassermenge Qmax liegt somit der maximale theoretische
Wirkungsgrad der SDM mit 71 % deutlich niedriger als „über 90 %“ (Bild 5b). Der maximale
theoretische Gesamtwirkungsgrad zur Erzeugung von elektrischer Energie wird schließlich
bei rund 67 % liegen, da noch die Wirkungsgradverluste infolge des notwendigen Getriebes
(ca. 98 %) und des Generators (ca. 96 %) berücksichtigt werden müssen. Da die Schaufeln
sich mit der Geschwindigkeit v2 durch das Wasser bewegen, kann angenommen werden
dass weitere Strömungsverluste in Abhängigkeit von v2 2 /2g entstehen; in Bild 5 sind deren
Auswirkungen auf den Wirkungsgrad ohne Verluste und für zwei Verlustfaktoren
(angenommen) dargestellt.
Modellversuche
Gegenwärtig werden an der Universität Southampton Modelllversuche zur
Staudruckmaschine durchgeführt. Die Modellmaschine hat einen Durchmessser von 0,50m,
bei einer Schaufeltiefe von 0,15 m. Die Versuche mit der von Brinnich angegebenen
Geometrie zeigten eine sehr starke Wellenbildung unter- und oberstrom, sowie von den
einspringenden Winkeln der Schaufeln nach oberstrom geworfenes Wasser, so dass für die
SDM hohe Strömungsverluste erwartet werden können. Das Fehlen eines gekrümmten
Gerinnebodens erzeugt zusammen mit der schrägen Anordnung der Schaufeln eine direkte
Verbindung von ober- nach unterstrom und bewirkt einen starken Durchstrom /
Leistungsverlust (etwa 10 – 15% des Gesamtdurchflusses). Der maximale Wirkungsgrad
wurde mit 40% bestimmt. Aufgrund der asymmetrischen Ein- und Ausströmverhältnisse
ergab sich ausserdem eine zeitabhängige Bremswirkung, so dass die Kreisbewegung der
5

Maschine periodisch ruckartig (insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten) erfolgt. Dies
dürfte grosse Nachteile für den Betrieb mit sich bringen (Getriebebelastung).
Neueste Entwicklungen:
2006 wurde ein 20 kW Prototyp einer neuen Staudruckmaschine (Patent AT 501 575) in
Pfaffstätten in Betrieb genommen. Dieser Prototyp zeichnet sich durch eine verbesserte
Schaufelgeometrie sowie durch eine Vorrichtung zur Hochwasserableitung aus. Erste
Versuche zur ökologischen Verträglichkeit ergaben ausgezeichnete Eigenschaften im
Bereich der Fischverträglichkeit. Von dieser Maschine werden durch den Vergleich mit einer
unterstrom installierten Kaplanturbine Messwerte in der nächsten Zukunft erwartet (siehe
www.wicon.at).
Abschliessende Bemerkungen
Die vorhergehenden theoretischen Überlegungen zeigten dass die SDM eine eigenständige
Art der hydraulischen Maschinen, eine Rotationswasserdruckmaschine (RWDM) darstellt,
die andere Wirkungsprinzipien nutzt als Wasserräder oder Turbinen. Die SDM in ihrer
gegenwärtigen Form kann die vom Erfinder angegebenen Leistungswerte nicht erreichen
und weist eine Reihe von betrieblichen Nachteilen auf.
Eine Rotationswasserdruckmaschine in der die oben beschrieben Nachteile durch eine
gezielte Entwicklung minimiert werden weist jedoch eine Reihe von offensichtlichen Vorteilen
auf die sie für Anwender interessant macht:
1. Die RWDM erlaubt die Nutzung von Standorten mit niedrigen Fallhöhen < 1,50 m und
Durchflüssen von bis zu etwa 4 m³/s·m.
2. Der Bauaufwand sowohl für Tief- als auch für Maschinenbau ist wahrscheinlich deutlich
geringer als der für Turbinenanlagen vergleichbarer Grösse.
3. Die grossen Kammern erlauben die Passage auch grösserer Fische.
4. Die RWDM ist wahrscheinlich auch für Sediment durchgängig.
5. Die Funktion als Stau bedeutet dass eine RWDM in bestehende Wehre eingebaut
werden könnte.
Die sich aus der Theorie ergebenden Wirkungsgrade machen– auch wenn
Strömungsverluste berücksichtigt werden, und unter Einbeziehung der oben genannten
Vorteile - die Rotationswasserdruckmaschine zu einer nach Meinung des Verfassers
interessanten Maschine mit Entwicklungspotential.
Literatur:
Brinnich, Adolf: Wasserkraft-Staudruckmaschine - Neues, konkurrenzlos wirtschaftliches
Kraftwerkskonzept. In: Wasserwirtschaft, 91,2. (2001), S. 70-74.
Brockhaus, 1904, Artikel ‘Wasserräder’.
Fonfrede M., 2004, A new concept of ecological micro-hydropower, Mondial Innovation 2004,
Paris (Poster session).
Henne H., 1898, Die Wasserräder und Turbinen, ihre Berechnung und Konstruktion, Leipzig,
Verlag B.F. Voigt.
Killer F., 2003, Einbau einer Kleinwasserkraftanlage an der Stadtbachstufe des WKW
Isarwerkes 3, Diplomarbeit, FH München (Fb Maschinenbau).
6

Müller W., 1939, Die Wasserräder, Schäfer-Verlag Detmold (unv. Nachdruck)
Internet Referenzen:
www.wicon.at
7