Wasserräder mit Kropfgerinne

Dirk Michael Nuernbergk wurde 1965 in Erfurt geboren. Das nebenberuzfliche Interesse für Wasserkraftmaschinen entstand während des Studiums der Elektrotechnik in Ilmenau, als der Autor für einige Jahre in einem Haus ohne Verbindung zum öffentlichen Elektroenergienetz wohnte. Seitdem hat sich der Autors mit der Wasserkraft befasst, drei Bände zu Wasserrädern beziehungsweise Wasserkraftschnecken geschrieben und vierzehn Wasserräder entworfen, welche ihre gute Funktionsfähigkeit bewiesen haben, wobei von diesen neun Räder mit einem Betonkropf ausgestattet sind. In der zweiten vollständig überarbeiteten Auflage werden die Erfahrungen aus den letzten Jahren zusammengefasst und die praktischen Beispiele erweitert. Dabei konzentriert sich der Autor auf die Beschreibung sowie die Berechnung der hydraulischen Vorgänge und gibt einen Entwurfsfluss an, mit dem man ein Wasserrad mit Kropfgerinne auslegen kann. Hauptberuflich ist der Autor im Bereich Mikroelektronik tätig. Dirk M. Nuernbergk Wasserräder mit Kropfgerinne Dirk Michael Nuernbergk Wasserräder mit Kropfgerinne Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse 6 5 4 3 OWS 1 h 2 = 0,69 z 2 = 0,48 OWS 2 h = 0,41 1 1 z = 0,34 1 α 2 α 1 0,27 0,26 0,27 0,20 0,26 α = 25 2 α = 23 1 0,14 0,16 0,10 M 0,04 0,09 0,03 0 3 2 1 0

Wasserräder mit Kropfgerinne Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse Dirk M. Nuernbergk Verlag Moritz Schäfer Detmold, 2013

ISBN: 978-3-87696-144-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Copyright 2013: Verlag Moritz Schäfer GmbH & Co. KG, Paulinenstraße 43, 32756 Detmold, Postfach 2254, 32712 Detmold Umschlagsgestaltung: Suse Schweizer, Erfurt. Druck: XXXXXXXXX Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, sind vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Autors und des Verlages Moritz Schäfer GmbH & Co. KG darf nicht in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt und verbreitet werden, auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung. Die Wiedergabe von Warennamen/Warenzeichen etc. berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass diese als frei zu betrachten wären. Autor und Verlag haben sich bemüht, das Werk mit Sorgfalt zusammenzustellen. Für etwaige sachliche oder drucktechnische Fehler kann jedoch keine Haftung übernommen werden.

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung............................................................. 1 1.1 Anwendungsgebiet.................................................. 3 1.2 Das Zuppinger-Wasserrad............................................ 4 1.3 Neue Entwicklungen................................................. 7 2 Der Zulauf zum Wasserrad............................................... 11 2.1 Zulaufgerinne (Werkkanal)........................................... 11 2.2 Rechen............................................................ 14 2.3 Einlaufbereich...................................................... 17 3 Der Wassereintritt in das Kropfrad....................................... 21 3.1 Eintritt............................................................ 21 3.2 Stoß und Rückschlag................................................ 21 3.3 Stoßfreier Eintritt.................................................... 25 3.4 Geräuschverhalten................................................... 27 3.5 Wasserräder mit Eintritt über Schütze................................... 30 3.6 Eintritt über Kulissen................................................ 36 3.7 Eintritt mit Überfall.................................................. 44 3.8 Der Versperrungsbeiwert............................................. 51 3.9 Einlauf des Niedergefälle-Zuppingerrades............................... 55 4 Das Wasser in den Schaufelräumen....................................... 59 4.1 Schluckfähigkeit, radiale Kranzbreite, Tauchung......................... 59 4.2 Spaltverluste durch Übertritt des Wassers am Kropfbogen.................. 67 4.3 Spaltverluste durch Übertritt an den Seitenflächen........................ 71 4.4 Verluste durch Reibung am Kropf...................................... 71 4.5 Schaufelkurve und Teilung............................................ 74

Inhaltsverzeichnis 5 Der Austritt des Wassers................................................. 79 5.1 Verschiedene Austrittszustände........................................ 79 5.2 Abströmverluste beim Austritt......................................... 85 5.3 Relative Austrittsgeschwindigkeit w 3................................... 88 5.4 Der optimale Schaufelwinkel.......................................... 90 5.5 Verluste durch Hochziehen von Wasser................................. 93 5.6 Zusammenfassung der Verluste........................................ 93 5.7 Radiale Abströmung................................................. 96 5.8 Gestaltung des Abflussbereiches....................................... 98 6 Leistung und Wirkungsgrad.............................................. 101 6.1 Arbeitsvermögen des Wassers theoretische Leistung..................... 101 6.2 Verluste............................................................ 104 6.3 Wirkungsgrad, Nutzleistung, Drehmoment.............................. 110 6.4 Optimale Drehzahl.................................................. 113 6.5 Jahresenergieertrag.................................................. 119 7 Das Antriebssystem..................................................... 123 7.1 Getriebe........................................................... 124 7.2 Generatoren........................................................ 128 7.3 Frequenzumrichter.................................................. 141 7.4 Mühlenbetrieb...................................................... 144 8 Der Entwurfsfluss und Beispiele.......................................... 145 8.1 Dimensionierung.................................................... 145 8.2 Entwurfsfluss für Kropfräder.......................................... 147 8.3 Zuppinger-Wasserrad der Wasserkraftanlage Ringleben.................... 160 8.4 Die Wasserkraftanlage Nägelstedt...................................... 182 8.5 Unterschlächtiges Wasserrad.......................................... 210 9 Messverfahren.......................................................... 217 9.1 Messung der Fallhöhe................................................ 218 9.2 Messung des Durchflusses............................................ 219 9.3 Messung der Drehzahl............................................... 229 9.4 Messung des Drehmomentes.......................................... 230 9.5 Messung der elektrischen Leistung..................................... 233 9.6 Wirkungsgraduntersuchungen an der Wasserkraftanlage Ringleben.......... 234 9.7 Leistungsmessung an der Wasserradanlage Wustrau....................... 251 A Verzeichnis der Formelzeichen............................................ 267 Literaturverzeichnis......................................................... 269

Vorwort Das Schreiben eines Buches zum Thema Wasserräder erscheint im 21. Jahrhundert erst einmal absurd. In den letzten Jahren ist, mit dem gestiegenen Interesse an regenerativen Energien und durch eine entsprechende Förderpolitik, der Bau von Wasserrädern erneut in das Interesse von Maschinen- und Wasserbauern gerückt. So gibt es heute wieder einige kleinere Firmen, die Wasserräder kommerziell anbieten. Mit dem vorliegenden Buch wird der Versuch unternommen, die in der Literatur vorhandenen Beschreibungen von Wasserrädern aufzunehmen und aus heutiger Sicht zu deuten. Das Buch beschränkt sich dabei auf die theoretische Beschreibung und Berechnung von Kropfwasserrädern. Sollte das vorliegende Werk der Förderung der regenerativen Energiegewinnung dienen und altes Erfahrungswissen berechenbar machen, so wäre mein Ziel erreicht. An dieser Stelle sei folgenden Personen herzlich für die Unterstützung gedankt: Herrn Thomas Ammerschläger, Herrn Bernd Evers, Herrn Raimar Fritsch, Herrn Alfred Kirsten, Herrn Frank Neumann, Herrn Prof. Hans Neumayer, Herrn Malte Patriok, Herrn Wolfgang Rempp, Herrn Dr. Gerd Treiber und Herrn Dipl.-Ing. Folker Trostdorf. Für die mühevolle Arbeit des Korrekturlesens möchte ich mich bei Herrn Kurt Hamerak, Frau Sylke Noack und Herrn Harald Richter bedanken. Besonders sei ein Dank an meine Frau gerichtet, die die Entstehung dieses Buches in allen Phasen begleitet hat. Für meinen Bruder Volker. Erfurt, August 2005 Dirk M. Nuernbergk

Vorwort Vorwort zur zweiten Auflage Nach der überraschend guten Aufnahme der ersten Auflage, liegt nunmehr die zweite Auflage dieses Werkes vor. Die Struktur des Buches wurde im Wesentlichen erhalten und Fehler im Text sowie in den Abbildungen wurden beseitigt. Da sich über die letzten Jahre beim praktischen Entwurf von Wasserrädern weitere Erkenntnisse ergeben haben, wurde das Buch entsprechend um einige Abschnitte erweitert. So wurden Passagen zur Lärmentwicklung, zur Fischverträglichkeit und zur experimentellen Untersuchung von Zuppinger-Wasserrädern hinzugefügt, die den aktuellen Kenntnisstand widerspiegeln. Weiterhin wurden die Berechnungsbeispiele um den Wasserkraftstandort Nägelstedt ergänzt. An dieser Stelle sei besonders Frau Simone Kraft und Herrn Hans-Hermann Dierßen vom Verlag Moritz Schäfer gedankt, die mich bei der Vorbereitung dieser Auflage in gewohnt hervorragender Weise unterstützt haben. Besonders sei Herr Dipl.-Ing. Folker Trostdorf erwähnt, der durch seine unermüdlichen Messungen an seinem Zuppinger-Wasserrad die zweite Ausgabe deutlich bereichert hat. Weiterhin möchte ich mich bei den Herren Lars und Werner Zimmermann herzlich bedanken, die mich mit Erfahrungswerten und Fotos zur Wasserkraftanlage Nägelstedt unterstützt haben. Erfurt, Mai 2013 Dirk M. Nuernbergk

1 Einführung Wasserräder gibt es schon seit der Antike und wurden unabhängig voneinander in China und Europa erfunden. Die erste schriftliche Beschreibung eines unterschlächtigen Wasserrades stammt vom römischen Ingenieur Vitruvius in seinen Abhandlungen De Architectura. Einen sehr guten Überblick zur historischen Entwicklung des Wasserrades findet man bei T. Reynolds [2]. In Abbildung 1.1 sind unterschiedliche Wasserradtypen dargestellt. Man unterscheidet nach der Form der wassergefüllten Hohlräume die Zellenräder mit becher- oder kastenförmigen Zellen und die Schaufelräder mit ebenen Schaufelflächen, die die Hohlräume voneinander trennen. Nach dem Eintrittspunkt des Wassers unterscheidet man: 1. unterschlächtige Schaufelräder die Beaufschlagung erfolgt nahe dem unteren Radscheitel (z.b. unterschlächtiges Wasserrad, Poncelet-Wasserrad in Abb. 1.1 A, B und das nicht gezeigte Flussrad), 2. mittelschlächtige Schaufelräder die Beaufschlagung erfolgt in Höhe oder etwas oberoder unterhalb der Radachse (z.b. Zuppinger-Wasserrad und Sagebien-Wasserrad in Abb. 1.1 C, D), 3. mittelschlächtige Zellenräder die Beaufschlagung erfolgt in Höhe oder etwas ober- oder unterhalb der Radachse (z.b. Bachsches Kulissenrad in Abb. 1.1 E), 4. oberschlächtige Wasserräder die Beaufschlagung erfolgt im Bereich des oberen Scheitels des Rades (Abb. 1.1 F). Bei den oberschlächtigen Rädern gibt es noch die Umkehrräder (die vorwärts und rückwärts laufen können), welche im Bergbau zum Einsatz gekommen sind. Von den oben beschriebenen Wasserrädern werden heute noch hauptsächlich das Zuppinger-Wasserrad und das oberschlächtige Wasserrad gebaut. Diese beiden Typen sind ausgereifte Konstruktionen mit hohem Wirkungsgrad 1. Ziel dieses Bandes ist es, eine Theorie zu Wasserrädern mit Kropfgerinne bereitzustellen. Alle anderen Schaufel- und Zellenräder werden nicht betrachtet. Das oberschlächtige Wasser- 1 Oberschl. Wasserrad η = 0,8...0,87 [3], Zuppinger-Wasserräder η = 0,65...0,8 [4], [5]

2 1 Einführung Abb. 1.1. Schematische Darstellung unterschiedlicher Wasserradtypen: a) unterschlächtiges Wasserrad, b) Poncelet-Wasserrad, c) Zuppinger-Wasserrad, d) Sagebien-Wasserrad, e) Wasserrad mit Kulisseneinlauf nach Bach [1], f) oberschlächtiges Wasserrad.

1.1 Anwendungsgebiet 3 Abb. 1.2. Einsatzbereich der Wasserräder. rad wird im zweiten Band ausführlich behandelt. Die Literatur zu Wasserrädern stammt zum großen Teil aus dem 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts. Hier soll dieses Wissen verfügbar gemacht und erweitert werden. Der Einsatz heute bekannter Techniken und Materialien lässt eine Weiterentwicklung im Wasserradbau möglich werden. In dieser Abhandlung wird das Zuppinger-Wasserrad der Kunstmühle W. Seifried KG, Waldkirch/Br [4], ausführlich beschrieben und anhand von Beispielen vorgerechnet. Im Kapitel Entwurfsfluss und Beispiele werden weitere praktische Beispiele untersucht. Dieses Kapitel erlaubt eine schnelle Einarbeitung in das Thema. Es ist jedoch nicht sinnvoll, die Wasserräder für sich gestellt zu berechnen. Für eine effiziente Wasserradanlage ist auch dem Zulauf- und Ablaufbereich Beachtung zu schenken, da auch hier energetisches Potenzial verloren geht, wie z.b. am Rechen. Im Buch wird jeweils auf die entsprechenden Probleme hingewiesen. 1.1 Anwendungsgebiet In Abbildung 1.2 ist der Einsatzbereich von Wasserrädern gezeigt. Der Einsatz von Wasserrädern wird durch folgende Grenzen bestimmt: 1. die maximale Leistung P max 50 kw, 2. die minimale Leistung P min 1 kw, 3. der maximale Durchfluss Q max 5 m 3 /s, 4. der minimale Durchfluss Q min 10 l/s und 5. die maximale Fallhöhe H 12 m.

4 1 Einführung Es gibt aber auch Wasserräder, die außerhalb dieser Bereiche liegen, sodass hier nur typische Werte angenommen wurden. Der Einsatzbereich wird zwischen P=1...50 kw teilweise durch Turbinen und Wasserkraftschnecken [6] abgedeckt. Der Überlappungsbereich ist in Abbildung 1.2 grau gekennzeichnet; hier müssen die jeweiligen Gegebenheiten entscheiden. Entscheidend sind wohl die vorhandenen baulichen Gegebenheiten, die Kosten und die Intuition des Betreibers. Dass der hier gezeigte Anwendungsbereich von Wasserrädern durchaus überschritten wurde, zeigt das rückschlächtige Wasserrad Lady Isabella in Laxey. Das von John Casement entworfene rückschlächtige Rad hat einen Durchmesser von D a = 22,1 m und ist B = 1,8 m breit. Es diente zum Pumpen von Grubenwasser für eine Mine auf der Insel Isle of Man. 1.2 Das Zuppinger-Wasserrad Das Zuppinger-Wasserrad wurde 1864 von Baurat Walter Zuppinger 2 vorgestellt (Patent Niedergefälle-Wasserrad 14. Juli 1864 [7] 3, siehe Abbildung 1.3a)). Die Schaufelform des Niedergefälle-Wasserrades geht auf das von W. Zuppinger ebenso erfundene Tangentialrad zurück, das eine von außen nach innen durchströmte, teilbeaufschlagte Turbine ist (siehe Abbildung 1.3b)). Beim Zuppinger-Wasserrad in unserem Sinne handelt es sich um ein unter- bis mittelschlächtiges Kropfrad, d.h., das Wasser wird dem Wasserrad in Höhe der Radachse oder unterhalb dieser zugeführt. Der Radkropf ist ein kreisrundes Betongerinne, in das sich das Wasserrad mit möglichst geringem Spalt σ einfügen lässt. Dieses Gerinne bezeichnet man als Kropfgerinne. Das Wasser verlässt das Betongerinne meist in tangentialer Richtung mit leichter Sohlneigung. Die vorab angegebenen theoretischen Gleichungen sollen anhand eines Zuppinger-Wasserrades geprüft werden. In der Literatur oder im World Wide Web sind nur relativ wenig gut dokumentierte Zuppinger-Wasserräder zu finden. Eines davon ist im technischen Bericht von Neumayer et. al. [4] ausgezeichnet beschrieben. Aus diesem Grund wurde das in diesem Bericht gewählte Wasserrad als Referenzobjekt für den Teil Wasserräder mit Kropfgerinne gewählt. Es wird dem Leser in vielen Kapiteln dieses Buches in den Beispielen wieder begegnen. Die Hauptangaben des Wasserrades sind in Tabelle 1.1 angegeben. Das Beispiel-Wasserrad ist als Reproduktion der Zeichnungen aus [4] in Abbildung 1.4 mit Kropfgerinne dargestellt. In der Regel wird das Wasserrad um die Wasserradwelle aufgebaut. Von den Naben (Rosetten) ausgehend werden Seitenarme aus Holz oder Profilstahl montiert, an denen zwei Kränze aus gebogenen Flacheisen angebracht werden. An diese Kränze werden die die Schaufelkurve bestimmenden Winkeleisen am inneren Ende der Schaufel anmontiert. Zwei weitere Kränze von gebogenen Flacheisen definieren die Abstände zwischen den Schaufeln. 2 Einen Überblick über das Leben und Schaffen Walter Zuppingers findet man bei Preger [7]. 3 Dieses Patent ist nicht mit dem von Zuppinger im Jahr 1849 patentierten Zuppinger-Wasserrad zu verwechseln, welches einen der Fallhöhe nahezu gleichen Raddurchmesser besitzt und von der Seite angeströmt wird (siehe Abbidlung 1.8).

1.2 Das Zuppinger-Wasserrad 5 1 2 a) Zuppinger Wasserrad, DRP 26039 b) Zuppinger Tangentialrad Abb. 1.3. a) Zuppinger-Wasserrad mit Gewichts- und Impulswirkung [8] b) Zuppingers Tangentialturbine (1 Draufsicht und 2 Seitenansicht). Auf die Schaufelarme aus Winkeleisen wird die aus Fichten-, Lärchen- oder Eichenholz bestehende Holzbeschaufelung aufgeschraubt. Man verwendet dabei Bohlen einer Stärke von b sch = 0,03...0,04 m. Die Verwendung von Stahlschaufeln ist eher unüblich. Der Vorteil von einer Holzbeschaufelung liegt im Preis, in der leichten Ersetzbarkeit des vorderen Schaufelteils (Sollbruchstelle) und darin, dass sich die Schaufel durch Abrieb dem Kropf automatisch anpasst. Es ist jedoch die höhere Verdrängung der Schaufeln zu berücksichtigen. Die Verwendung von Stahlschaufeln ist eher unüblich und macht einen Feinrechen erforderlich. Der Betonkropf wird gewöhnlich aus Ortbeton hergestellt, wobei eine temporär eingebaute Schaufel des Rades als Lehre dient. Durch das Aufquellen der Schaufelbretter und den schon beschriebenen Abrieb ergibt sich eine sehr geringe Spaltenbreite zwischen den Schaufeln und dem Kropf. Der Name Zuppinger-Wasserrad bezieht sich auf die typische rückwärts gestellte, gebogene, gerade auslaufende Schaufelform. Die Schaufel ist einer logarithmischen Spirale nachempfun-

6 1 Einführung Tabelle 1.1. Angaben zum Zuppinger-Wasserrad [4]. Entwurfsdurchfluss Q = 3,0 m3 s Außenradius R a = 3,0 m Kranzbreite a = 1,45 m Breite des Wasserrades B = 2,5 m Schaufelzahl z = 36 Schaufelwinkel β 2 = 80 o Stärke der Schaufelbohlen b sch = 0,04 m Länge der Schaufeln L sch = 1,60 m Abstand zwischen Kropf und Wasserrad σ = 0,03 m Abstand zwischen Schaufel und Seitenwand σ s = 0,05 m Fallhöhe bei Q=3,1 m3 s war H = 1,36 m Fallhöhe bei Q=1,42 m3 s war H = 1,46 m den. Der Einsatzbereich von Zuppinger-Wasserrädern liegt bei Fallhöhen von H = 0,6... 4 m und Durchflüssen von Q=0,3...5 m 3 /s. Hierbei ergibt sich die obere Grenze durch die maximal realisierbare Länge der Wasserradwelle (ca. 5 m). Bei noch größeren Durchflüssen wurden mehrere Wasserräder in Radgassen nebeneinander gesetzt. Die untere Leistungsgrenze ist wohl bei P N = 1 kw (unrentabel), die obere bei P N = 50 kw (Drehmomente) zu sehen. Je nach Zuführung des Wassers in das Rad unterscheidet man Wasserräder mit Schütze-, Überfall- und Kulisseneinlauf sowie Wasserräder im freien Kropfgerinne (unterschlächtige Wasserräder, Niedergefälleräder). Zuppinger-Wasserräder können je nach Höhenlage des Einlaufes mit Schütze-, Überfall- oder Kulisseneinlauf ausgeführt werden. Das Zuppinger- Niedergefällerad ist ein Wasserrad mit speziellem Überfalleinlauf. Nach der Beschreibung des Zulaufbereiches zu einem Wasserrad (Gerinne und Rechen) werden verschiedene Einläufe berechnet. Dann werden das Verhalten des Wassers in den Zellen erläutert und die Schluckfähigkeit sowie die Verluste berechnet. Damit können die geometrischen Hauptdaten des Wasserrades, die Breite B, die Kranztiefe a, die Tauchung der Schaufeln in das Unterwasser H T und der Raddurchmesser (oder der Außenradius) bestimmt werden. Der Austritt des Wassers aus dem Wasserrad bestimmt die Schaufelform, an die der Einlauf angepasst werden muss. Mit den Verlusten vom Eintritt bis zum Austritt lässt sich der Wirkungsgrad des Wasserrades bestimmen. Damit sind dann die Nutzleistung P N und das Drehmoment bestimmt, wenn man die optimale Drehzahl kennt. Von Interesse für den Maschinenbauer sind noch die Überdrehzahl bei Leerlauf und das maximale Drehmoment beim Anfahren des Wasserrades. Um das Bild abzurunden, wird die Einspeisung von Energie in das Elektroenergienetz besprochen. Im Entwurfsfluss werden alle wesentlichen Gedanken und Formeln noch einmal zusammengefasst und der Berechnungsalgorithmus für die Räder angegeben. Es werden verschiedene Wasserradvarianten beispielhaft vollständig durchgerechnet. Für den ungeduldigen Leser sind die Beispiele und der Entwurfsfluss zu empfehlen, da diese eine zügige Einarbeitung in das Thema gestatten.

1.3 Neue Entwicklungen 7 Z a R a L sch ω, n M b sch X t z h E w H 1m Betonkropf σ H T Betonsohle Abb. 1.4. Beispiel Zuppinger-Wasserrad. Vorab sollen aber noch neuere Entwicklungen im Bereich Wasserräder bzw. Wasserkraftmaschinen, welche unter Atmosphärendruck arbeiten, vorgestellt werden. 1.3 Neue Entwicklungen In den letzten Jahren gab es eine Reihe von Entwicklungen im Bereich von Wasserkraftmaschinen für geringe Fallhöhen. Z.B. wurden folgende Maschinen vorgestellt: die Staudruckmaschine (bisher kein kommerzieller Anbieter, keine Wirkungsgradmessung), die Wasserdruckmaschine (bisher kein kommerzieller Anbieter), die Steff-Turbine, die Lamellenturbine (bisher keine Wirkungsgradmessung), das Segmentkranzwasserrad (oberschlächtiges Wasserrad), das Turas-Wasserrad (oberschlächtiges Wasserrad), das Wasserwirbelkraftwerk (Weiterentwicklung führt zu einer Reaktionsturbine), die Wasserkraftschnecke,

8 1 Einführung die Very-low-head-Turbine, die Heberturbine und das überströmte Schachtkraftwerk der TU München (bisher kein kommerzieller Anbieter), wobei die Liste keineswegs vollständig ist, da nur Maschinensätze genannt wurden, die auch technisch untersucht bzw. umgesetzt wurden und Maschinen, welche ausschließlich die kinetische Energie einer Strömung nutzen, weggelassen wurden. Eine umfassende Zusammenstellung und einen aktuellen Vergleich dieser Maschinen findet man bei Heimerl [9] oder bei Eichenberger [10]. Für eine unmittelbare Gegenüberstellung mit Kropfrädern sind nur die Staudruckmaschine bzw. Wasserdruckmaschine und die Steff-Turbine als Konzepte interessant 4. Das erste Konzept ist die Steffturbine (Eigenname). Diese ist eigentlich keine Turbine, sondern ein Wasserrad mit geradem Kropfblech, wobei die in Bewegungsrichtung gekrümmten Schaufeln an einer Struktur angebracht sind, welche einem Förderband ähnlich ist. Die Vorteile der Anordnung sind ein hoher Wirkungsgrad bei Volllast (siehe Abbildung 1.5b)), eine hohe Drehzahl an der treibenden Welle und daß die Anlage als Kompakteinheit (siehe Abbildung 1.5a)) geliefert werden kann. Die Kompakteinheit kann durch Veränderung der Anstellung an das Unterwasser angepasst werden. Nachteilig sind die hohe Anzahl der bewegten Teile, die fehlende Betriebserfahrung (Installation der ersten Anlage 2011 in der Pilgersteg in Rüti/Schweiz), bisher mangelnde Frostsicherheit und der Freihang der Anordnung. Als zweites Konzept wurde in den letzten Jahren die Wasserdruckmaschine intensiv theoretisch untersucht und auch praktisch realisiert [14]. In Abbildung 1.7 findet man eine Abbildung der Wasserdruckmaschine und die zugehörigen Wirkungsgradkurven (Anlage Obere Mühle, Partenstein/Unterfranken an der Lohr). Eine Wasserdruckmaschine besteht aus einer Nabe, deren Durchmesser gleich der Stauhöhe ist. An dieser Nabe werden 12 16 Schaufeln montiert. Die Wasserdruckmaschine hat den Vorteil eines kleinen Bauvolumens und einer hohen Drehzahl. Es zeigte sich aber in den Experimenten [14], dass die Wasserdruckmaschine gerade für hohe Durchflüsse einen im Vergleich zum Kropfrad niedrigen Wirkungsgrad hat 5. Dies liegt einerseits an den Spaltverlusten (im Versuch bis 12%) und andererseits an der Notwendigkeit einen verlustbehafteten Frequenzumrichter einzusetzen, da die Wasserdruckmaschine drehzahlvariabel betrieben werden muss, um verschiedene Durchflüsse schlucken zu können. 4 Bei der Lamellenturbine handelt es sich um eine Maschine, die nur die kinetische Energie der Strömung ähnlich einem unterschlächtigen Rad durch versetzte Lamellen nutzt. Das Segmentkranz- und das Turas-Wasserrad sind Abwandlungen des oberschlächtigen Wasserrades, welches im zweiten Band dieser Reihe untersucht wird. Das Wasserwirbelkraftwerk entspricht einer Turbinenanlage mit spiralförmigem Zulauf und führt bei einer Weiterentwicklung zu einer Reaktionsturbine. Turbinen, wie die Very-low-head und das überströmte Schachtkraftwerk sollen hier nicht weiter betrachtet werden, da diese in die Kategorie der Turbinen fallen. Ebenso wird die Wasserkraftschnecke nicht weiter untersucht. Eine umfangreiche Betrachtung zur Wasserkraftschnecke findet man in [6] und dort auch den Vergleich mit Wasserrädern. 5 Gesamtwirkungsgrad der Anlage, d.h. Wasserdruckmaschine, Zahnriemengetriebe, Getriebe, Generator, Frequenzumrichter, war bei Volllast η A = 50,3% [14]. Im Vergleich dazu liegt der Anlagenwirkungsgrad einer Anlage mit Zuppingerrad ohne Frequenzumrichter typischerweise bei η A 60...67% (siehe Abbildung 9.18).

1.3 Neue Entwicklungen 9 Der kleine Durchmesser der Maschine erweist sich als Problem, da man das Getriebe nahe dem Unterwasser anordnen muss, wenn bei größeren Anlagen hohe Drehmomente auftreten und bei Hochwasser ein starker Rückstau erfolgt. Dies erfordert eine hochwassersichere Kammer, die mit einer Stopfbuchse abgedichtet wird (Baukosten). Weiterhin ist die Maschine selbst empfindlich gegen Einstau vom Unterwasser her. Dies ist aber eine typische Situation unter Hochwasserbedingungen bei einer Anlage mit geringer Fallhöhe. Die Verkleinerung der Raddurchmesser von Wasserrädern hat zur Entwicklung der Durchströmturbine geführt [16]. Zudem leidet die Wasserdruckmaschine unter Wellenbildung im Oberwasser, wenn die kompliziert geformten Schaufeln in das Oberwasser eintauchen. Die Abströmung im Unterwasser ist nicht zufriedenstellend, da z.t. Wasser durch die Schaufeln gehoben wird. Es ist deshalb bei größeren Anlagen mit Lärmproblemen zu rechnen. In Abbildung 1.8 ist ein von Zuppinger patentiertes Wasserrad gezeigt, welches einem der Wasserdruckmaschine ähnlichen Konzept folgt. Dieses Rad wird aber im Gegensatz zu dieser seitlich angeströmt. Das Rad von Zuppinger nach Abbildung 1.8 hat sich, obwohl es als Abbildung selbst in Lexika Aufnahme gefunden hat, nicht durchgesetzt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neuen Entwicklungen meist schon auf Ideen beruhen, die z.t. schon vor mehr als einhundert Jahren geäußert wurden und damit Weiterent- Abb. 1.5. a) Steff-Turbine im Einsatz [11], b) Wirkungsgradkurven der Steff-Turbine, welche an der Universität der Bundeswehr gemessen wurden. a) b) Abb. 1.6. a) Romans-Wasserrad [12], b) Walkers-Eimerwasserrad [13].

10 1 Einführung Abb. 1.7. a) Wasserdruckmaschine, b) Wirkungsgradkurven der Wasserdruckmaschine [14] Abb. 1.8. Zuppinger-Wasserrad a) Querschnitt b) Draufsicht [15] wicklungen alter Konzepte darstellen. Man sollte sich die Frage stellen, warum solche Konzepte sich in den früheren Jahren technisch nicht durchgesetzt haben. Wahrscheinlich sind die Konzepte getestet und wegen technischer Schwierigkeiten verworfen worden. Generell muss man aber sagen, dass sich Kropfwasserräder heutzutage mit allen anderen erwähnten Maschinenkonzepten messen müssen. Dabei spielen Einsatzbereich, Kosten, Wirkungsgrad, Bauvolumen, Lärmerzeugung und Umweltverträglichkeit eine besondere Rolle. Insofern kann Anlagenbetreibern nur geraten werden, sich Angebote verschiedener Anlagenkonzepte einzuholen und eine Kostenanalyse (Bau- und Anlagenkosten) durchzuführen. Eine besondere Herausforderung für die Wasserräder mit Kropf stellen hierbei die Wasserkraftschnecken dar (siehe [6]).

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