Methodische Entwicklung einer Rechenreinigungstechnik für Wasserkraftwerke mit horizontaler Einlaufebene

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1 Methodische Entwicklung einer Rechenreinigungstechnik für Wasserkraftwerke mit horizontaler Einlaufebene Sebastian Bader 1 Abstract/Kurzfassung Um neue technische Produkte vor der Konkurrenz auf den Markt bringen zu können, werden Methoden für eine effiziente und zielgerichtete Entwicklungsarbeit immer wichtiger. Eine mögliche Herangehensweise dabei bietet das Methodische Konstruieren, das eine systematisch-strukturierte Vorgehensweise bei der Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte darstellt. Anhand der Entwicklung einer Rechenreinigungsanlage für ein neuartiges Kraftwerkkonzept, soll dieses Vorgehen erläutert werden. Einleitung An der Versuchsanstalt Obernach (TU München) wurde ein Konzept entwickelt, um in Flüssen an bereits vorhandenen Querbauwerken (Wehre) Kleinwasserkraftwerke zu installieren. Im Unterschied zu einer konventionellen Lösung (= Buchtenkraftwerk) sieht das Konzept einen vor dem Wehrkörper gelegenen Schacht vor, in dem eine sogenannte DIVE-Turbine (Kaplanturbine mit direkt angeflanschtem, getauchtem Generator; Fa. Fella, Amorbach) untergebracht ist. Der Schacht bildet nach oben eine horizontale Einlaufebene für das Wasser, das durch einen ebenfalls horizontal angeordneten Rechen der Turbine zugeführt wird, die so vor Geschiebe geschützt 1 Dipl.-Ing., Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft, TU München, s.bader@bv.tum.de 229

2 wird, siehe Abbildung 1. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde hierfür ein Rechen und speziell eine Rechenreinigungsanlage in vollständiger Unterwasserbauweise entwickelt und konstruiert. Bei der Bearbeitung dieses Themas orientierte sich die gesamte Vorgehensweise an den Regeln des Methodischen Konstruierens, so dass die Arbeit eine nachvollziehbare und klar strukturierte Entwicklungsdokumentation darstellt. Zudem soll hierdurch Entwicklern und anwendungsorientierten Forschern ein Instrument aufgezeigt werden mit dem sich Entwicklungs- und Konstruktionsaufgaben deutlich effizienter und zielführender bearbeiten lassen. Abbildung 1 Schema Schachtkraftwerk Motivation - Rechen und Rechenreinigung Wasserkraftwerke beziehen ihren Treibstoff Wasser nahezu ausschließlich aus natürlichen Gewässern. Diese transportieren je nach Standort unterschiedlich viel Geschiebe (Steine, etc.). Um zu verhindern, dass diese Stoffe die Maschinen beschädigen bzw. es zur Verklausung der Anlage kommt - und zusätzlich den Menschen bzw. Wasserlebewesen, wie Fische etc. vor Verletzungen durch die Maschinenteile zu schützen - werden an den Kraftwerkseinläufen Rechen installiert. 230

3 Methoden Angesichts der großen Bedeutung einer rechtzeitigen Entwicklung marktfähiger Produkte ist ein Vorgehen zur Entwicklung guter Lösungen nötig, das planbar, flexibel, optimierbar und nachprüfbar ist. Ein solches Vorgehen ist nur realisierbar, wenn Konstrukteure über das notwendige Fachwissen hinaus methodisch-systematisch arbeiten können und eine solche Arbeitsmethodik verlangt bzw. durch organisatorische Maßnahmen unterstützt wird. [Pahl & Beitz 2003] Das Ziel des methodischen Vorgehens in der Entwicklung und Konstruktion eines (technischen) Produktes ist es, den Ablauf effizienter zu gestalten, in dem man sich bestimmter Methoden für eine strukturierte Entwicklung bedient. Dieses oft als kreativitätshemmend (Kreativität = schöpferische Tätigkeit [Der Duden 2010]) o.ä. kritisiertes Vorgehen hat genau das Gegenteil im Sinn: Durch ein methodisches und systematisches Vorgehen bei der Entwicklung neuer Produkte soll die Intuition (Intuition = Einfall, Eingebung [Der Duden 2010]) des erfahrenen Konstrukteurs unterstützt und seine Kreativität gefördert werden. Die Methodik will dabei helfen, dass Problemlösungen nicht mehr oder weniger zufällig durch den Konstrukteur gefunden werden, sondern durch ein strategisches Vorgehen gezielt gesucht werden. Da alle Lösungen in einem transparenten und auch für Außenstehende nachvollziehbaren Prozess gefunden werden, ist damit auch eine objektivere Beurteilung der Ergebnisse der Konstruktionsarbeit und der gefundenen Lösungsvarianten möglich. Die einzelnen Phasen des methodischen Konstruierens stellen sich wie folgt dar: Phase Analysieren Phase Konzipieren Phase Entwerfen Phase Ausarbeiten Ergebnisse Ergebnisse der einzelnen Phasen des Methodischen Konstruierens Im Folgenden werden die Ergebnisse der einzelnen Phasen des Methodischen Konstruierens dargestellt. 231

4 Phase Analysieren Die Hauptaufgaben der Phase Analysieren sind das Erstellen einer Anforderungsliste und die Aufstellung einer Funktionsstruktur. Dafür werden zunächst die Randbedingungen an das zu entwickelnde Produkt geklärt und möglichst viele Informationen diesbezüglich gesammelt. Die fertige Anforderungsliste soll hier nicht dargestellt werden. Die sich aus der Anforderungsliste ableitende Funktionsstruktur des zu entwickelnden Produktes wird in Abbildung 2 (Gesamtfunktion des Rechens / Rechenreinigung = KRAFTWERKSBETRIEB SICHERSTELLEN) und Abbildung 3 (Aufgliederung in einzelne Teilfunktionen) dargestellt. Abbildung 2 Gesamtfunktion Rechen & Rechenreinigungsanlage Die Gesamtaufgabe wird nun in mehrere Teilfunktionen gegliedert. Alle Teilfunktionen tragen zum Erreichen der geforderten Gesamtfunktion bei. Dabei wird zwischen Haupt- und Nebenfunktionen unterschieden. Hauptfunktionen dienen unmittelbar der Realisierung der Gesamtfunktion, Nebenfunktionen unterstützen die Hauptfunktionen dabei. Nach Aufstellen der einzelnen Teilfunktionen werden diese miteinander verknüpft. Dafür stehen Stoff-, Signal- und Energieflüsse zur Verfügung. Im vorliegenden Fall gelangt Geschiebe und Wasser an den Schacht des Kraftwerks. Gleichzeitig wirkt Energie in Form von mechanischer Belastung durch das bewegte Geschiebe bzw. durch dessen Gewicht. Eine wichtige Aufgabe ist es nun, den Schacht vor Verlandung und die Turbine vor Schäden durch z.b. Steinschlag etc. zu schützen. Des Weiteren soll gleichzeitig der Durchfluss von Wasser zur Turbine sichergestellt werden. All diese Aufgaben übernimmt der Rechen. Die dritte Aufgabe - den nötigen Wasserdurchfluss zu gewährleisten - wird erschwert durch den erhöhten Geschiebeeintrag auf die Rechenfläche. Deshalb muss eine Möglichkeit gefunden werden, den Rechen von Geschiebe zu befreien und wieder gute Fließbedingungen für das Wasser zu schaffen. Zwischen den einzelnen Teilfunktionen verlaufen verschiedene Stoffflüsse, die die jeweiligen Interaktionen (Umsätze) zwischen den Teilfunktionen symbolisieren. 232

5 Abbildung 3 Untergliederung in Teilfunktionen Phase Konzipieren In der Konzeptphase werden die Anforderungen und Informationen aus der Anforderungsliste und der Funktionsstruktur aufgenommen und nach möglichen Lösungsvarianten für die einzelnen Teilprobleme gesucht - stets mit dem Anspruch Lösungen zu finden, die mit dem Gesamtkonzept und dem Erfüllen der Gesamtfunktion vereinbar sind. Dabei ist eine kreative und freie Denkweise besonders erwünscht. Abbildung 4 zeigt eine mögliche Methode der Lösungsfindung: den Morphologischen Kasten für die Teilfunktionen (links in der Tabelle) der Gesamtfunktion KRAFT- WERKSBETRIEB SICHERSTELLEN. Im rechten Teil werden die Lösungsprinzipien (= Wirkprinzipien ) für die einzelnen Teilfunktionen gesucht. Die gefundenen Prinzipien lassen sich in einem zweiten Schritt miteinander verknüpfen (farbige Verbindungslinien) - unter Prüfung, ob sie untereinander verträglich bzw. miteinander kombinierbar sind. Dadurch entstehen Wirkstrukturen, die die Basis für den späteren Entwurf von Lösungsvarianten bilden. Um nun diejenigen Varianten zu finden, die ein hohes Potential für die Erfüllung der Anforderungsliste aufweisen, wird eine Auswahlliste aufgestellt. Diese enthält lediglich grobe Beurteilungskriterien, die so allgemein formuliert sind, dass sie für beinahe jedes technische Produkt angewandt werden können. 233

6 Abbildung 4 Morphologischer Kasten In einem folgenden Schritt kann die Anzahl der ausgewählten Varianten weiter verringert werden. Hier wird dafür das Bewertungsvorgehen nach VDI - Richtlinie 2225 gewählt, da es nach PAHL und BEITZ sich besser bei Vorliegen relativ weniger und annähernd gleichgewichtiger Bewertungskriterien eignet als die ebenfalls mögliche Nutzwertanalyse. Die Beurteilungskriterien sollten dabei ebenfalls bewusst einfach und knapp formuliert sein. Die damit erkannten Favoriten können nun genauer betrachtet und weiter entwickelt werden. Abschließend wird nochmals eine genauere Bewertung mit detaillierteren Beurteilungskriterien durchgeführt und damit eine Entscheidung für ein zu realisierendes Konzept getroffen. Phase Entwerfen In der nun folgenden Entwurfsphase wird das gewählte Konzept konkret entwickelt. Neben allgemeinen Gestaltungsrichtlinien ergeben sich zusätzlich anwendungsspezifische Anforderungen an das Konzept. Fischschutz keine scharfen Kanten etc. Gewässerschutz z.b. Wasserhydraulik statt Ölhydraulik 234

7 Die in Kapitel Ergebnisse der Entwicklung der Rechenreinigungstechnik vorliegenden Abbildungen und Erläuterungen zeigen das ausgewählte Konzept und den abschließenden Stand der Entwicklung des Entwurfs. Phase Ausarbeitem In der Phase Ausarbeiten wird die Konstruktion vervollständigt, Zeichnungen und Fertigungsunterlagen ausgearbeitet, sowie die Produktdokumentation erstellt. Die Freigabe zur Produktion des entwickelten Produktes stellt den Abschluss dieser Phase dar. Ergebnisse der Entwicklung der Rechenreinigungstechnik Der Rechen besteht aus parallel zur Flussrichtung angeordneten horizontalen Rechenstäben. Diese sind aus einem am Kopf trapezförmigen Profil aufgebaut, so dass die Neigung zum Festklemmen von kleinen Steinen sinkt. Im Schacht befinden sich an der linken und rechten Schachtwand je eine Schiene und eine Zahnstange, die ebenfalls parallel zu Flussrichtung verlaufen. Auf den beiden Schienen ruht ein Wagen an dem oben Laschen befestigt sind, die durch den Rechen durchgreifen. Dort sind sie mit einer Harke verbunden. Der Antrieb zum Verfahren des Wagens erfolgt über einen Zahnrad-Zahnstangen-Antrieb. Während der Reinigung verfährt der Wagen Richtung Schütz und nimmt dabei über die Laschen die Harke mit. Diese nimmt das Rechengut auf und transportiert es durch das Schütz ins UW. 235

8 Abbildung 5 Aufbau des ausgewählten Rechenreinigungskonzeptes Abbildung 6 Aufbau des Antriebs und Verbindung Antrieb - Harke 236

9 Zusammenfassung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Rechen mit zugehöriger Rechenreinigungsanlage in vollständiger Unterwasserbauweise für ein neuartiges Wasserkraftwerkskonzept - das Schachtkraftwerk - entwickelt und konstruiert. Die gesamte Entwicklung folgte dabei den Regeln des Methodischen Konstruierens. Dadurch wird zum einen erreicht, dass möglichst alle denkbaren Lösungsvarianten zur Erfüllung der Aufgaben des Rechens bzw. der Rechenreinigung gefunden werden; zum anderen erhält man eine nachvollziehbare und übersichtliche Dokumentation des gesamten Entwicklungsprozesses. Daneben werden die Aufgaben und die Bedeutung des Einlaufrechens für Wasserkraftwerke im Allgemeinen genauer erläutert. Im Hauptteil wird die Theorie des Methodischen Konstruierens weiter erläutert - diese stellt den Rahmen der gesamten Arbeit dar. In den folgenden Kapiteln werden die Teil- und Zwischenergebnisse der einzelnen Phasen des Methodischen Konstruierens dargestellt, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf dem theoretischen Hintergrund des Methodischen Konstruierens liegt und die Ergebnisse der Entwicklung der Rechenreinigungsanlage demnach lediglich als angewandtes Beispiel dienen sollen. Dadurch soll Entwicklern und anwendungsorientierten Forschern ein Instrument aufgezeigt werden mit dem sich Entwicklungs- und Konstruktionsaufgaben deutlich effizienter und zielführender bearbeiten lassen. 237