Einlaufgestaltung und Einlaufrechen an Kleinwasserkraftwerken

Einlaufgestaltung und Einlaufrechen an Kleinwasserkraftwerken
Albert Ruprecht, Eberhard Göde
Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen
Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 10
D-70550 Stuttgart
1 Einführung
Tel.: 0711/685-3256, Fax: 0711/685-3255
Email: ruprecht@ihs.uni-stuttgart.de
Internet: http://www.ihs.uni-stuttgart.de
Kurzfassung: Bei der Gestaltung von Wasserkraftanlagen wird
im allgemeinen größte Sorgfalt auf die Maschinen gelegt. Hier
gibt es auch eine gewisse Standardisierung. Die Zuströmung
aber mit Einlaufbereich und Rechen sowie der Abströmbereich,
die meist individuell nach lokalen Besonderheiten gestaltet werden
müssen, werden oft nicht detailliert untersucht. In vielen Anlagen,
speziell beim Umbau alter Anlagen aber auch beim Neubau,
werden hier oft strömungstechnische Fehler gemacht was
zu großen Verlusten und damit zu einer Reduktion der Leistungsausbeute
führen kann. Hier werden an Beispielen relativ
einfache Möglichkeiten gezeigt, wie das Strömungsverhalten
verbessert und damit die Verluste reduziert werden können.
Wasserkraftanlagen werden in der Regel individuell nach den lokalen Erfordernissen
gestaltet. Dies gilt vor allem für den Zuströmbereich, der an die lokalen Gegebenheiten
angepasst werden muss. Da die Gestaltung des Einlaufes einen großen Einfluss
auf den Preis der Anlage hat - und damit auch auf ihre Wirtschaftlichkeit - , werden
beim Einlauf (und oft auch bei Auslauf) häufig Kompromisse gemacht, was nicht zu
strömungstechnisch optimaler Gestaltung führt und demzufolge erhöhte Strömungsverluste
zur Folge hat. Dies gilt speziell auch für den Einlaufrechen, der oft aus Kostengründen
relativ klein gestalten wird. Dagegen wird bei der Turbine in der Regel
eine optimale Gestaltung erreicht.
Vor allem beim Umbau älterer Anlagen, was in den meisten Fällen mit einer Erhöhung
der Ausbauleistung einher geht, können erhebliche Verluste und damit Wirkungsgradeinbußen
der Anlage im Zuströmbereich und im Rechen auftreten.
In Bild 1 sind die typischen Verluste einer Kleinanlage nach Erlach [1] aufgetragen.
Man sieht, dass der Einlaufbereich mit Rechen die gleiche Größenordung aufweisen
kann, wie die gesamte Turbine. Es ist deshalb notwendig, gerade bei Niederdruckanlagen
diesem Bereich entsprechend große Aufmerksamkeit zu schenken.

Bild 1:Größenordnung der Einzelverluste in einer Wasserkraftanlage (aus [1])
Bei der Gestaltung einer Wasserkraftanlage kann oft nicht die strömungstechnisch
optimale Geometrie realisiert werden, da anderen Aspekten, z. B.
• Schiffahrt
• Hochwasserschutz
höhere Priorität eingeräumt werden muss. Eine typische Bauweise für eine Niederdruckanlage
ist die Gestaltung als Buchtenkraftwerk. Dies ist schematisch in Bild 2
dargestellt. Bild 3 zeigt die Realisierung am Beispiel eines Moselkraftwerks, bei dem
zusätzlich noch eine Schiffsschleuse vorhanden ist.
Bild 2: Typisches Buchtenkraftwerk
Typischerweise befindet sich der Einlaufrechen mit Rechenreinigung unmittelbar vor
dem Kraftwerk.
2 Strömung im Einlauf
Trennpfeiler
Durch die seitliche Anordnung des Kraftwerkes kommt es bei einem kurzen Zulaufkanal
zu einer starken Umlenkung der Strömung zum Kraftwerk hin. Dadurch kann
es zu einer gestörten Strömung im Einlaufbereich kommen. Dies kann von eine Ungleichförmigkeit
der Strömung über die Ausbildung einer Rückströmzone bis hin zu
dynamischen Wirbelablösungen führen. In Bild 4 ist die Strömung um einen schlecht
gestalteten Trennpfeiler an einem Modell mittels Strömungssichtbarmachung mit Tinte
dargestellt. Man sieht die schlechte Strömungsführung mit Wirbeln und Ablösungen.
Diese haben zum einen einen erhöhten Energieverlust zur Folge, zum anderen

können sie auch dynamische Belastungen auf die Turbine ausüben, sodass es zu
Dauerfestigkeitsproblemen z. B. für die Lager kommen kann.
Kraftwerk
Wehr
Bild 3: Moselkraftwerk
zum Kraftwerk
Schleuse
Trennpfeiler
Bild 4: Strömung um einen schlecht gestalteten Trennpfeiler
Neben den in Bild 4 dargestellten Wirbeln und Ablösungen führt die Strömungsumlenkung
am Trennpfeiler auch zu dreidimensionalen Sekundärwirbeln. Diese sind in
Bild 5 dargestellt. Derartige Wirbelstrukturen führen ebenfalls zu einer ungleichmäßigen
Anströmung des Rechens und eventuell sogar der Turbine und damit zu erhöhten
Strömungsverlusten.
In besonders ungünstigen Fällen kann sich der Eckenwirbel bis in die Turbine erstrecken.
Dies kann dazu führen, dass die Turbine im Wirbelzentrum Luft einsaugt, was
zu einem dramatischen Wirkungsgradeinbruch führen kann.

3 Rechenverluste
Bild 5: Wirbelstrukturen im Turbineneinlauf (aus [2])
Für die gleichförmige, gerade Anströmung eines Rechens gibt es eine Vielzahl von
Untersuchungen und entsprechende Widerstandsformeln, siehe z. B. [2,3,4]. Generell
gilt, dass der Rechenverlust sich quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit
ändert:
Δh=
k
F
¤ ¥ ⋅£
s
b
¢
¡
4 / 3
v
2
2g
Dabei ist s die Stabdicke, b die lichte Weite zwischen den Stäben und kF der Stabformbeiwert.
Bild 6 zeigt den Stabformbeiwert für unterschiedliche Stäbe.
Bild 6: Stabformbeiwert für verschiedene Stabformen nach [5]

In Bild 7 ist exemplarisch der Rechenverlust für einen Rechen aus Rechteckstäben
mit einem Verbauungsverhältnis von s/b = 0.25 für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten
aufgetragen.
Bild 7: Rechenverlust in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit
Durch eine Schräganströmung erhöhen sich die Rechenverluste. In Bild 8 sind die
stationären Strömungsverhältnisse im Rechen für verschiedene Anströmwinkel aufgezeigt,
dargestellt ist jeweils nur ein Rechenstab des Gitterverbandes. Man sieht,
dass sich bei starker Schräganströmung große Ablösegebiete hinter den Stäben einstellen,
was zu der Verlustzunahme führt.
Bild 8: Strömungsverhältnisse im Rechen bei Schräganströmung (aus [6])
In Bild 9 sind die Verluste über dem Anstellwinkel für den oben beschriebenen Rechen
bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0.7 m/s aufgetragen. Gezeigt sind mittels
Strömungssimulation berechnete Werte, sowie zwei Messpunkte, die an einem
Modell am Institut nachgemessen wurden. Diese Werte sind mit den empirischen
Werten von Spangler [7] verglichen.

4 Beispiel
Bild 9: Rechenverluste infolge Schräganströmung
Als ein Beispiel für hohe Rechenverluste soll eine Kleinanlage gezeigt werden. Nach
der Inbetriebnahme wurde festgestellt, dass die Rechenverluste zu groß sind. Bild 10
zeigt die Anlage. Es handelt sich um ein Ausleitungskraftwerk. An einem Wehr wird
ein Kanal abgezeigt. Aus Kostengründen wurde der Ausleitungsbereich vereinfacht
aus geraden Mauern gefertigt. Eine Strömungsrechnung zeigt, dass die Strömung
dieser scharfkantigen Kontur nicht folgt und es zu Strömungsablösungen kommt. In
Bild 10 sind die Stromlinien dargestellt. Man sieht deutlich eine Rückströmzone und
die Schräganströmung im Rechen, was die Rechenverluste stark erhöht.
Bild 10: Kanalausleitung mit Stromlinien
Mittels Strömungssimulation wurde der Einlauf verbessert. Die optimierte Form, die
sowohl aus Kostengründen als auch strömungstechnisch zufriedenstellend war, ist in
Bild 11 gezeigt. Es handelt sich dabei um eine einfache Vormauerung. Dadurch wird
erreicht, dass die Strömung der Kontur folgen kann und es zu keiner Ablösung im
Rechenbereich mehr kommt. Diese Baumaßnahme konnte die Fallhöhenverluste um
ca. 10 cm reduzieren, was bei 4 m Nennfallhöhe immerhin eine Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades
um 2.5% ausmacht.

5 Zusammenfassung
Bild 11: Stromlinienverlauf im modifizierten Einlaufbereich
Die Strömungsverluste in der Zuströmung mit Einlaufbereich und Rechen können
sich bei Niederdruckanlagen in der gleichen Größenordnung bewegen wie die Verluste
in der gesamten Turbine. Es ist deshalb notwendig, diesem Bereich die gleiche
Aufmerksamkeit zukommen zu lassen wie der Turbine. Besonders wichtig ist dies bei
der Modernisierung alter Anlagen, da dort meist der Durchfluss zur Leistungssteigerung
erhöht wird. Es ist deshalb dafür zu sorgen, dass die Strömung im Einlaufbereich
möglichst gleichförmig ist. Dies gilt vor allem im Bereich des Rechen, da sonst
die Verluste um ein vielfaches größer sein können als nötig.
Referenzen
[1] Erlach, J., Betrachtung der Gesamt-Energiebilanz einer Wasserkraftanlage mit
Aufschlüsselung der Einzelverluste, 2. Seminar Kleinwasserkraft, Uni Stuttgart, 1999.
[2] Volkart, P. U., Meusburger, H., Rechenverluste und Strömungsnahfeld an Wasserkraftanlagen,
2. Seminar Kleinwasserkraft, Uni Stuttgart, 1999.
[3] Giesecke, J., Mosonyi, E., Wasserkraftanlagen, Springer-Verlag, 1998.
[4] Untersuchung über den Einfluss der Geometrie und Anströmung von Einlaufrechen
au den Betrieb von Wasserraftwerken, Bericht Nr. 4109, VDEW, 1999.
[5] Kirschmer, O., Untersuchung über den Gefälleverlust an Rechen, Mitteilung des
Hydraulik Instituts der TH München, 1926.
[6] Batrekhy, S., Göde, E., Ruprecht, A., Bestimmung der Verluste am Einlaufrechen
von Wasserkraftwerken, 2. Seminar Kleinwasserkraft, Uni Stuttgart, 1999.
[7] Spangler, J., Untersuchung über den Verlust an Rechen bei schräger Zuströmung,
Mitteilung des Hydraulik Instituts der TH München, 1928.