Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb, 4. Auflage

Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi Wasserkraftanlagen Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi Wasserkraftanlagen Planung, Bau und...

Author: Jurgen Giesecke | Emil Mosonyi

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Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi Wasserkraftanlagen

Jurgen Giesecke • Emil Mosonyi

Wasserkraftanlagen Planung, Bau und Betrieb

4., aktualisierte und erweiterte Auflage mit 368 Abbildungen

^ Springer

Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Jiirgen Giesecke Universitat Stuttgart Institut fur Wasserbau Lehrstuhl fiir Wasserbau u.Wasserwirtschaft Pfaffenwaldring 61 70550 Stuttgart Prof. em. Dr. tech. habil. Dr. sc. techn. Dr. h. c. mult. Emil Mosonyi Universitat Karlsruhe Institut fur Wasserbau und Kulturtechnik Kaiserstrafie 12 76128 Karlsruhe

Unter Mitarbeit von: Prof. em. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt Universitat Stuttgart Institut fiir Elektrische Maschinen, Antriebs- und Mechatroniksysteme Pfaffenwaldring 47 70550 Stuttgart Dr.-Ing. Stephan Heimerl EnBW Kraftwerke AG Lautenschlagerstrafie 20 70173 Stuttgart

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibHografische Daten sind im Internet iiber abrufbar. ISBN 10 3-540-25505-2 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 13 978-3-540-25505-5 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtUch geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk-sendung, der Mikroverlilmung oder Verviefaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Fine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzHchen Bestinmiungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom9. September 1965 in der jeweilsgeltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestinmiungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, VoUstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die voUstandigen Vorschriften oder RichtHnien in der jeweils gultigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, BerHn Satz: Druckvorlage Dr. S. Heimerl Gedruckt auf saurefreiem Papier

68/3020 5 4 3 2 10

Vorwort zur vierten Auflage Die seit 1997 erschienenen ersten drei Auflagen des vorliegenden Buches haben eine sehr gute Resonanz gefunden. So lag es nahe, nochmals die 4. Auflage liber die bisherigen Fassungen hinaus zu erweitem und zusatzlich eine Reihe von Anregungen zu beriicksichtigen, die erfreulicherweise aus dem Leserkreis gekommen sind. Hierbei flossen neue Ergebnisse mit ein. Wesentliche Erweiterungen bzw. Aktualisierungen erfuhren die Kapitel liber Grundlagen, Typen von Wasserkraftanlagen, Wasserfassung, elektrotechnische Ausriistung, Pumpspeicherung, Wasserkraft und Umwelt, schlieBlich Durchgangigkeit fiir die Aquafauna und Ausftihrungsbeispiele. Wie bei den Ausgaben zuvor befaBte sich Herr Dr.-Ing. Stephan Heimerl in anerkennungswerter Weise mit der Aufarbeitung neuer Textteile und Abbildungen, besorgte umsichtig das Layout und den druckfertigen Umbruch des gesamten Buches, dessen Gesamtumfang um rund 20 Druckseiten zugenommen hat. Auch hierzu war der hoch angesehene Springer-Verlag groBzligig bereit. Fiir die liberaus gute Zusammenarbeit sei wiederum bestens gedankt. Stuttgart/Karlsruhe im Fruhjahr 2005 Jlirgen Giesecke und Emil Mosonyi

Vorwort zur dritten Auflage Im BewuBtsein der breiten Offentlichkeit nimmt der Schutz der natlirlichen Lebensgrundlagen - Boden, Wasser, Luft - eine herausragende Stellung ein. So ist es u. a. das Ziel der Wasserwirtschaft, die Gewasser als Lebensraum zu sichem. In gleichem Sinne hat sich die Deckung des Energiebedarfes unter weitgehender Schonung der Umwelt zu einer zentralen Frage der Menschheit entwickelt, wobei nach Moglichkeit heimische Energiequellen zu nutzen sind. Eine ideale Energiequelle sollte unerschopflich, umweltvertraglich, vielerorts verfugbar und kostenglinstig sein. In hohem MaBe entspricht diesen Kriterien die viele Vorteile bietende Wasserkraft. Sie zahlt vorrangig zu den umweltfreundHchen, standig emeuerbaren Energieressourcen. Wasserkraft bedeutet unerschopfliche Sonnenenergie. Die Sonne halt den Wasserkreislauf mit Verdunstung, Wolkenbildung, Niederschlag und AbfluB aufrecht. Solange Wassermassen ein Gefalle zum Meeresniveau haben, enthalten sie potentielle Energie. Das Wesen der Wasserkraftnutzung beruht in der Fahigkeit des fallenden Wassers, Arbeit zu verrichten, und so wandehi Wasserkraftwerke die Schwereenergie in eine Bewegungsenergie bis hin zur Gewinnung elektrischen Stromes um. Seit mehr als vier Jahrtausenden ist die Wasserkraftnutzung zur Arbeitserleichterung des Menschen bekannt. Wasserrader zur Umwandlung der kinetischen Energie des stromenden Wassers in mechanische Energie lassen sich bis in das 3. Jahrtausend v. Chr. in China und im Vorderen Orient zurlickverfolgen. Eine europaweite Verbreitung begann im friihen Mittelalter. Wasserrader dienen fiir Getreidemuhlen, Schleifereien, Sage-, Stampf- und Hammerwerke. Im 19. Jahr-

VI

Vorwort

hundert setzte die Entwicklung von Wasserturbinen bzw. Turbinen ein. Das dynamo-elektrische Prinzip wurde entdeckt. Als am 12. September 1891 anlafilich einer intemationalen Elektrizitatsausstellung in Frankfurt/Main 1.000 Gluhbimen zu leuchten und ein 10 m hoher kiinstlicher Wasserfall zu sprudeln begannen, war der Durchbruch fiir die Femiibertragung elektrischen Stromes, hier vom 175 km entfemten FluBkraftwerk Lauffen/Neckar, mit 25-kV-Drehstromtibertragung geschafft. Wesentliche Elemente der bautechnischen Auslegung sind je nach Wasserkraflanlagentyp Wasserfassung, Stau- und Speicherbecken, Hochwasserentlastung und BetriebsauslaB, Sandfang und Triebwasserleitung, Stollen- und Druckschacht, Verteihohrleitung, WasserschloB und Krafthaus bzw. Kraftwerkskaveme. Bedeutende Elemente des Maschinenbaues sind Regel- und VerschluBorgane sowie hydraulische Maschinen, also Turbinen und Speicherpumpen. SchlieBlich sind gewichtige Elemente der elektrotechnischen Ausriistung Generatoren, Transformatoren, Schaltanlagen, Leit- und Steuerungstechnik. Wasserkraftnutzung bedeutet wie jede andere technische Anlage und wie jede menschliche Zivilisation tiberhaupt einen Eingriff in die Natur, sei es durch den Aufstau Oder durch die Ausleitung von Wasser in einem FlieBgewasser, durch die Einschrankung der Wasserfuhrung und der Durchgangigkeit fur Fische und andere Gewasserorganismen, sei es durch Fischausfall in Turbinen oder durch die Stoning und Beeintrachtigung urspriinglicher, aquatischer Lebensgemeinschaften. Handlungsbedarf ergibt sich hieraus fiir die Erhaltung oder Wiederherstellung okologisch funktionsfahiger Lebensraume und damit fur eine ausgewogene Abstimmung von Energienutzung und okologischem Gleichgewicht, von neugestaltendem Wasserbau und Landschaflsschutz. Aus der Verbindung der Wasserkraft mit einer iibergreifenden Wasserwirtschaft, der Mehrzweckaufgaben und dem Hochwasserschutz, resultieren weite Aufgabenfelder der Modemisierung, der Erweiterung oder des Neubaues von Wasserkraftanlagen unterschiedlicher GroBe. Auch die Wiederinbetriebnahme stillgelegter Kleinwasserkraftwerke zur dezentralen Stromversorgung tragt zum Umweltschutz bei. Entscheidend sind hierbei Akzeptanz, Wutschaftlichkeit und rechtliche Rahmenbedingungen. Dieser Tatsache tragt das vorliegende Buch Rechnung. Sein inhaltlicher Aufbau folgt den vorstehenden Gesichtspunkten fiir die Rangordnung der Wasserkraft innerhalb der konkurrierenden Energiequellen, fiir Umweltvertraglichkeit und Planungsgrundsatze, Bauausfiihrung und Betrieb. Es stiitzt sich partiell auf das zuletzt in der 3. Auflage erschienene, englischsprachige Standardwerk „Water Power Development" von Emil Mosonyi. Dieses umfaBt die Einzelbande 1: „Low Head Power Plants", Ausgabe 1984, und 2/A + B: „High Head Power Plants", Ausgabe 1991, mit insgesamt 2.165 Seiten. Die Bande erschienen hn Verlag der Ungarischen Akademie der Wissenschaften, Akademiai Kiado, Budapest. Vorlaufer waren bis in die 50er Jahre zuruckreichende Fachbiicher des Autors in ungarischer, deutscher und englischer Sprache. Die vorliegende, ganzlich neu gefaBte Buchveroffentlichung, die binnen sechs Jahren in drei Auflagen jeweils erheblich erweitert worden ist, verfolgt das Ziel, einen moglichst groBen Kreis von Wasserbauingenieuren anzusprechen, ob als Planer, Konstrukteur, Bau- oder Betriebsleiter, ob im Consulting-Bereich, in der

Vorwort

VII

Bauwirtschaft, in staatlichen oder kommunalen Aufsichtsbehorden oder in der Wissenschafl tatig, ob in seiner Eigenschaft als Student oder Spezialist. Der Leitgedanke war, nicht nur Theorie und praktische Umsetzung zusammenzufuhren, sondem ebenso die Fiille an Erfahrungen der beiden Autoren aus der Berufspraxis im Wasserbau, aus der Lehre und Forschung sowie aus der Tatigkeit als Beratender Ingenieur und Gutachter intemationaler Finanzierungsinstitutionen einzubringen. So sehr hierfur der Buchumfang in Grenzen zu halten war, wurde dennoch auf eine geschlossene, vor allem anschauliche und nachvollziehbare Darstellung der Einzelthemen und der komplexen Zusammenhange geachtet. In dieser Absicht einer gesamtheitlichen Wiedergabe der theoretischen Grundlagen, Bemessungsansatze, Planungsziele, Konstruktion, Bauausfuhrung und Inbetriebnahme, aber auch der Grundsatze fiir eine umweltfreundliche Auslegung und Gestaltung der Wasserkraftanlage, wurden der maschinen- und elektrotechnischen Ausrustung gebUhrender Platz eingeraumt. Das Buch sollte zudem fur diesen Bereich der Ingenieurwissenschaften dem Leser zumindest die einschlagige Vorplanung ermoglichen, um nicht nur die Gesamtplanung eines Wasserkraftwerkes sondem auch die statisch-konstruktiven Auswirkungen der Maschinenelemente zu erfassen. Kennzeichnende Ausftihrungsbeispiele weisen in dieselbe Richtung. Die gegenuber der 1. Auflage iiber 220 zusatzliche Seiten umfassenden Erweiterungen beziehen sich hauptsachlich auf die Themenfelder: Einordnung der Wasserkraft in die Energiesysteme, Grundsatze der Planung und Wirtschafllichkeitsuntersuchung, Dimensionierungsgrundlagen fiir die verschiedenen Anlagenkomponenten unter Einbeziehung vor allem der Finite-Elemente-Berechnungsmethoden, die Weiterentwicklungen von hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung und Generatoren und schliefilich die verschiedenartigen betrieblichen Aspekte unter Beriicksichtigung der Fuzzy Logik sowie der Kleinwasserkraftanlagen. Eine erhebliche Uberarbeitung mit zahlreichen Erganzungen erfiihren die Kapitel iiber Elektrotechnische Ausriistung, Pumpspeicheranlagen sowie iiber Wechselbeziehungen zwischen Wasserkraft und Umwelt, Mindestwasserregelungen und Durchgangigkeit. Die Gelegenheit bot sich an, mit der 3. Auflage samtliche Wiedergaben statistischer Kennzahlen fur nationale und Internationale Energieversorgungsbereiche mit Schwerpunkt Wasserkraft zu aktualisieren und uberdies die jiingsten Erkenntnisse hinsichtlich Umweltschutz sowie einschlagiger natur- und ingenieuwissenschaftlicher Fortentwicklungen zu beriicksichtigen. Um das vorliegende, inzwischen zweimal fortgeschriebene Fachbuch mit Jewells neuen Erkenntnissen von Wasserkraftanlagen auszustatten, die in 21 Hauptkapitel untergliederten Themenbereiche aufzuarbeiten und diese schlieBlich in Text und Bild ausgewogen wiederzugeben, bedurfte es der tatkraftigen Zuarbeit bewahrter wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fiir Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universitat Stuttgart. Zu diesem besonders zu wiirdigenden Mitarbeiterstab zahlen die Herren Dr.-Ing. Georg Forster, Dipl.-Ing. Andreas Eisner, Dr.-Ing. Klaus Jorde, Privatdozent Dr.Ing. Walter Marx, Dr.-Ing. Matthias Schneider und Dipl.-Ing. Frank Zolbier. Den Herren Forster und Schneider oblag die Bearbeitung der unter Kapitel 8, 9 und 10 dargestellten Druck- und Verteilrohrleitungen sowie Druckstollen in der 1. und 2. Auflage, wahrend Herr Zolkier sich dem Kapitel 8 in der 3. Auflage widmete. Des

VIII

Vorwort

Kapitels 19 uber das Leitthema Mindestwasser in Verbindung mit dem in Kapitel 13 wiedergegebenen Komplex der Fuzzy Logik sowie Teilen des Kapitels 18 Wasserkraft und Umwelt haben sich im wesentlichen die Herren Jorde, Schneider und Eisner angenommen. In alien drei Auflagen machte sich Herr Marx um die Abfassung des Kapitels 11 uber Wasserschlosser und Schwallkammem sowie des innerhalb des Kapitels 18 neu aufgenommenen Abschnittes Uber Bewirtschaftung von Talsperren hinsichtlich Wasserkraftgewinnung und landwirtschaftlicher Bewasserung sehr verdient. Herr Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt, Ordmarius fur Elektrische Maschinen, Antriebs- und Mechatroniksysteme, Direktor des gleichnamigen Institutes der Universitat Stuttgart, konnte als hochangesehener Fachmann fur die Erstbearbeitung des eigenstandigen Buchkapitels „Elektrotechnische Ausrustung" gewonnen werden. Hierbei wurde er von Herm cand.-el. Markus Schlenker untersttitzt. Hinzu gekommen waren ftir die 2. Auflage ebenso die Herren Dr.-Ing. Dietrich Labahn, Berlin, und Dr.-Ing. habil. Zbigniew Styczynski, Stuttgart, die sich in spezieller Zuarbeit to Herm Prof. Dr.-Ing. Gutt hervorgetan haben. Den genannten Herren sei an dieser Stelle ausdriicklich gedankt. Ftir alle drei Auflagen leistete Herr Dr.-Ing. Stephan Heimerl groBe Dienste. Dieses trifft um so mehr fiir die vorliegende Ausgabe zu, als daB er inzwischen von der Universitat Stuttgart in die Privatwirtschaft Ubergewechselt ist und seine freien Tage Uber lange Monate hinweg eingebracht hat. Wie in den beiden vorangegangenen Auflagen fand Herr Dr. Heimerl sich emeut bereit, die mit der umfangreichen Erweiterung notwendigen Arbeitsablaufe aufeinander abzustimmen. Sachkundig wurden anfallende Textuberarbeitungen ebenso ausgefiihrt wie neue Fassungen sowie Bilder und Tabellen umgesetzt, wo notwendig auch erweitert und abgerundet. Umsicht, Konnen und Sorgfalt erforderte gleichermaBen die Erstellung der fur die unmittelbare Drucklegung abgeschlossenen Vorlage. Mit seiner Tatkraft gelang es, die engen Zeitvorgaben ftir die ineinandergreifende Aufgabenvielfalt einzuhalten. Herm Dr. Heimerl gebiihren daher im besonderen MaBe Dank und Anerkennung. Dem weltweit renommierten Springer-Verlag sagen die Verfasser aufrichtigen Dank ftir seine Initiativen zur Entstehung und zur Fortfuhmng des hervorragend ausgestatteten Buches, fiir die umsichtige Begleitung der einzelnen Bearbeitungsphasen und ftir das vielfach bewiesene Wohlwollen. Stuttgart/Karlsmhe im Fruhjahr 2003 Jiirgen Giesecke und Emil Mosonyi

Inhaltsverzeichnis 1

Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3

1

Ansatze der Wasserkraftnutzung Wasserradgetriebene Schopfwerke und Miihlen tJbergang vom Wasserrad zur Wasserturbine Ferniibertragung elektrischer Energie Wasserkraftanlagen und ihre Umgebung Mehrzweckaufgaben der Wasserkraft Wasserkraftnutzung im Spiegelbild der Energietrager Nutzung von fossilen Energietragem und Kembrennstoffen Nutzung emeuerbarer Energien Kriterien der Energieversorgung und Vergleich der Energieerzeugungsformen 1.7.4 KUnftige Entwicklung der Wasserkraftnutzung 1.8 Literatur

16 21 22

2

23

Grundlagen der Wasserkraftnutzung

1 5 5 7 8 11 13 13 14

2.1 Energie des Wassers 2.1.1 Energie des mhenden Wassers 2.1.2 Energie des flieBenden Wassers 2.1.3 Nutzbare Gesamtenergie des flieBenden Wassers 2.1.4 Potentielle Energie eines Speichervolumens 2.2 Verfiigbares Wasserkraftpotential 2.3 Literatur

23 23 24 25 29 30 36

3

Grundsatze der Planung und Projektierung

37

3.1 PlanungsprozeO und Projektentwicklung 3.1.1 Projektphasen 3.1.2 Besondere Aspekte bei Reaktiviemng, Modemisiemng und Erweitemng 3.1.3 Proj ektentwicklung im Rahmen von Finanziemngsmodellen 3.2 Grundlagen fur Auswahl und Weiterentwicklung von Wasserkraftstandorten 3.2.1 Wassermengenwirtschaftliche Erhebungen 3.2.2 Energiewirtschaftliche Erhebungen 3.2.3 Ausbaugrad

37 37 40 42 44 45 46 49

X

Inhaltsverzeichnis

3.3 Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten 3.3.1 Betriebswirtschaflliche Betrachtung 3.3.1.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 3.3.1.2 Investitionsrechnung zur Untersuchung der Wirtschaftlichkeit 3.3.1.3 Grundlagen der Zinsrechnung, Abschreibung und Annuitat 3.3.1.4 Statische Verfahren der Investitionsrechnung 3.3.1.5 Dynamische Verfahren der Investitionsrechnung 3.3.1.6 Besondere KenngroBen bei Wasserkraftanlagen 3.3.1.7 Wirtschaftlichkeitsaspekte bei Pumpspeicherkraftwerken 3.3.2 Gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Betrachtung 3.3.2.1 Grundlagen der gesamtgesellschaftlichen Bewertungsverfahren 3.3.2.2 Gesamtgesellschaftliche Bewertungsansatze bei Wasserkraftprojekten 3.3.2.3 Bedeutung von Mehrzweckaufgaben 3.3.3 Ansatz fiir eine systematische Beurteilung von Wasserkraftanlagenproj ekten 3.4 Gesetzliche Vorgaben fur den Bau und Betrieb von Wasserkraftanlagen 3.4.1 Rechts- und Normhierarchie 3.4.2 Wesentliche Rechtsnormen fur die Wasserkraft 3.5 Versicherung von Wasserkraftanlagen 3.6 Literatur

52 53 54 55 55 57 57 59 65 67 67

4

83

Typen von Wasserkraftanlagen

4.1 Klassifizierung der Wasserkraftanlagen 4.2 Einteilung von Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Nutzfallhohe 4.2.1 Niederdruckkraftwerke 4.2.1.1 FluBkraftwerke 4.2.1.2 Ausleitungskraftwerke 4.2.2 Mitteldruckkraftwerke 4.2.3 Hochdruckkraftwerke 4.3 Weitere bedeutende Wasserkraftanlagengruppen 4.3.1 Pumpspeicherkraftwerke als Regelungskraftwerke 4.3.2 Kleinwasserkraftanlagen 4.3.3 Dotationskraftwerke 4.3.4 Energienutzung in Leitungssystemen 4.4 Sonderformen der Wasserkraftnutzung 4.4.1 Nutzung der Gezeitenenergie 4.4.2 Nutzung der Meeresstromung 4.4.3 Wellenenergienutzung 4.4.4 Gradientenkraftwerke 4.4.5 Depressionskraftwerke

68 69 70 73 73 74 80 82

83 85 85 85 93 94 95 98 98 101 104 105 107 107 116 117 121 121

Inhaltsverzeichnis

XI

4.4.6 Gletscherkraftwerk 4.5 Literatur

122 123

5

125

Wasserfassung

5.1 Anordnung, Bauweise und Bemessung des Einlaufbauwerkes 5.1.1 Kraftwerke im FlieBgewasser 5.1.2 Entnahme aus FlieBgewassem 5.1.3 Entnahme aus stehenden Gewassem 5.1.4 Bemessungsgrundlagen ftir das Einlaufbauwerk 5.2 Schutz gegen Treibgut und Treibeis 5.2.1 Rechenanlagen 5.2.1.1 Konstruktive Ausbildung 5.2.1.2 Bemessung 5.2.1.3 Betrieb und Wartung der Rechenanlagen 5.2.2 Tauchwand und Schwimmbalken 5.3 VerschluBorgane 5.4 Literatur

126 126 126 133 13 5 147 148 148 149 154 157 159 162

6

Freispiegelleitungen

165

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Hydraulische Bemessung Sedimenttransport Wellenbildung und Wasserspiegelschwingungen Konstruktive Ausbildung und Befestigungen Ubergang in Druckrohrleitungen Literatur

165 174 178 180 185 187

7

Sandfang

189

7.1 Konstruktive Ausbildung 7.2 Bemessung 7.2.1 Bemessungsgrundlagen 7.2.2 Beckenbemessung 7.3 Literatur

189 193 193 194 196

8

197

Druckrohrleitungen

8.1 Rohrtypen und Rohrverbindungen 8.1.1 Stahlrohre 8.1.2 Druckrohre aus duktilem GuBeisen 8.1.3 Betonrohre 8.1.4 Rohre aus glasfaserverstarktem Kunststoffharz

197 199 203 203 204

XII

Inhaltsverzeichnis

8.1.5 Holzrohre 8.2 Hydraulische Bemessung von Druckrohrleitungen 8.2.1 Hydraulische Grundlagen 8.2.2 Wirtschaftlichster Rohrdurchmesser 8.3 Dynamische Stromungsvorgange - DruckstoBe in Rohrleitungen 8.3.1 Druckwellengeschwindigkeit 8.3.2 DruckstoBberechnung 8.3.2.1 Joukowsky-StoB 8.3.2.2 EinfluB der SchlieBzeit auf den Joukowsky-StoB 8.3.2.3 DruckstoB nach der Theorie der starren Wassersaule 8.3.2.4 DruckstoB nach der Theorie der elastischen Wassersaule 8.3.3 Charakteristikenverfahren 8.3.4 Abminderung von DruckstoBen 8.4 Statische Bemessung von Druckrohrleitungen 8.4.1 Spannungen und Rohrwanddicke 8.4.2 Einbeulen und Verformen 8.4.3 AuBere Belastungen von Druckrohrleitungen 8.4.3.1 AuBere Belastungen bei offen verlegten Druckrohrleitungen 8.4.3.2 AuBere Belastungen bei eingeerdeten Druckrohrleitungen 8.4.3.3 AuBere Belastungen bei grabenlos verlegten Druckrohrleitungen 8.4.4 SchnittgroBen in Rohrringrichtung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen 8.4.5 MaBgebende Nachweise fur die Druckrohrleitungsbemessung 8.4.5.1 Spannungs-ZDehnungsnachweis 8.4.5.2 Tragfahigkeitsnachweis 8.4.5.3 Verformungsnachweis 8.4.5.4 Stabilitatsnachweis 8.5 Rohrkriimmer, Rohrauflager und Dehnungsausgleicher 8.5.1 Rohrkrummer 8.5.2 Fixpunkte und Zwischenauflager 8.5.2.1 Auflagerkrafte 8.5.2.2 Beanspruchung der Rohrwandung im Auflagerbereich 8.5.3 Dehnungsausgleicher 8.6 Literatur

206 207 207 212 214 215 219 219 221 222 224 227 231 232 233 238 241 247 248 259

9

Druckstollen und Druckschachte

287

9.1 9.2 9.3

Konstruktive Ausbildung Statische Bemessung Literatur

287 290 303

264 267 267 268 268 268 271 271 273 274 277 282 284

Inhaltsverzeichnis

10

Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

XIII

305

10.1 Typen 10.2 Bemessung von Rohrabzweigen 10.2.1 Bemessung nach dem Flachenvergleichsverfahren 10.2.2 Uberschlagige Bemessung eines Hosenrohres 10.2.3 Spannungsermittlung mit der Finite-Element-Methode 10.2.3.1 Die flinf Schritte der Finite-Element-Methode 10.2.3.2 Ermittlung von Verschiebungen, Verzerrungen und Spannungen 10.2.3.3 Umsetzung von Finite-Element-Berechnungen 10.3 Literatur

305 307 307 314 318 318 326 329 332

11

333

Wasserschlosser und Schwailkammern

11.1 Anordnung 11.2 Aufgaben 11.2.1 Hydraulische Trennung des Zuleitungsdruckstollens von der Falleitung 11.2.2 Dampfung der DruckstoBentwicklung 11.2.3 Verbesserung der Regelung 11.2.4 Beschleunigter Ausgleich der Wassermengen 11.3 Typen und Bauweisen 11.3.1 Kriterien fur die Entwicklung verschiedener WasserschloBformen 11.3.2 BauHche Ausbildung 11.3.3 Typisierung nach der hydraulischen Funktionsweise 11.3.3.1 Einfache Becken- bzw. Schachtwasserschlosser 11.3.3.2 Kammerwasserschlosser 11.3.3.3 Gedrosselte Wasserschlosser 11.3.3.4 Differentialwasserschlosser 11.3.3.5 Windkessel-Wasserschlosser 11.4 Hydraulische Berechnung 11.4.1 SchachtwasserschloB - Grundgleichungen 11.4.2 Gedrosseltes WasserschloB 11.4.3 DifferentialwasserschloB 11.4.4 Losungsmethoden 11.4.4.1 Analytische Losungen 11.4.4.2 Numerische Behandlung 11.4.5 Stabilitatsproblem 11.4.5.1 Die Thomaschen Stabilitatskriterien 11.4.5.2 Beschleunigungs- bzw. Verzogerungszeit ta 11.4.6 Schwingungsvorgange 11.4.7 Bemessungs- und Optimierungsaufgaben 11.4.8 Uberschlagsformebi 11.4.9 WasserschloB und Triebwasserleitung

333 334 334 335 335 336 336 336 337 337 337 337 338 339 340 340 340 343 345 346 346 356 361 3 61 363 364 365 366 367

XIV

Inhaltsverzeichnis

11.4.9.1 Gekoppeltes Schwingungsverhalten 11.4.9.2 Gekoppelte Berechnung im Zeitbereich 11.4.9.3 Lastvorgaben fur die Stollenpanzerung 11.4.9.4 WasserschloBuberwachung mittels Fuzzy Logik 11.5 Sonderausfiihrungen 11.5.1 Anordnung bei Mitteldruckanlagen 11.5.2 Geheiztes WasserschloB 11.5.3 Windkessel-WasserschloB 11.6

12

Literatur

VerschlulJ- und Regelorgane bei Rohrleitungen

Anordnung und Grundformen von Krafthaus- und GrundablaOschiebern 12.1.1 Aufgaben und Anordnung 12.1.2 Grundtypen 12.1.3 Gebrauchliche Schieber in Turbinen- und Pumpenleitungen 12.1.4 Gebrauchliche Schieber in Grundablassen und Hochwasserentlastungsanlagen 12.1.5 SchnellschluBorgane 12.1.6 Be- und Entluftungsventile 12.1.7 Hilfseinrichtungen 12.2 Hydraulisches Verhalten 12.2.1 Stromungsvorgange 12.2.2 Verlusthohen 12.2.3 DurchfluB und AusfluB 12.2.4 Ermittlung der Energiehohen 12.2.5 Kavitation 12.2.6 DruckstoB 12.2.7 Schwingungen 12.3 Gestaltungsgrundsatze 12.4 Antrieb und Steuerung 12.5 Typen 12.5.1 Keilschieber und Flachschieber 12.5.1.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 12.5.1.2 Konstruktiver Aufbau 12.5.1.3 Hydraulisches Verhalten 12.5.1.4 Vor- und Nachteile 12.5.2 Drosselklappen 12.5.2.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 12.5.2.2 Konstruktiver Aufbau 12.5.2.3 Hydraulisches Verhalten 12.5.2.4 Vor- und Nachteile

367 370 377 378 379 3 79 379 379 389

391

12.1

391 391 393 394 395 395 397 398 399 399 399 401 405 406 409 409 410 411 412 412 412 413 414 415 415 415 416 418 420

Inhaltsverzeichnis

XV

12.5.3 Kugelschieber 12.5.3.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 12.5.3.2 Konstruktiver Aufbau 12.5.3.3 Hydraulisches Verhalten 12.5.3.4 Vor- und Nachteile 12.5.4 Ringschieber und Hohlstrahlschieber 12.5.4.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 12.5.4.2 Konstruktiver Aufbau 12.5.4.3 Hydraulisches Verhalten 12.5.4.4 Vor- und Nachteile 12.5.5 Kegelstrahlschieber 12.5.5.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich 12.5.5.2 Konstruktiver Aufbau 12.5.5.3 Hydraulisches Verhalten 12.5.5.4 Vor- und Nachteile 12.6 Literatur

421 421 422 424 425 425 425 428 429 431 432 432 433 434 437 438

13

439

Krafthaus

13.1 Krafthaustypen 13.1.1 Grundlegende Unterscheidungsmerkmale der Krafthaustypen 13.1.2 Besondere Aspekte bei unterschiedlichen Wasserkraftanlagentypen 13.2 Regelungs- und Leittechnik fiir den Wasserkraftanlagenbetrieb 13.2.1 Grundprinzipien der Regelungs- und Leittechnik 13.2.2 Fuzzy Logik zur Abbildung von Steuerungs- und Regelungsvorgangen 13.2.2.1 Grundlagen der Fuzzy Logik 13.2.2.2 Unscharfe Ansatze in der Fuzzy Logik 13.3 Betrieb und Unterhalt von Wasserkraftanlagen 13.3.1 Betriebs-, Anlagen- und Arbeitssicherheit bei Wasserkraftanlagen 13.3.2 Instandhaltung und Emeuerung von Wasserkraftanlagen 13.4 Literatur

440 441 449 455 455

14

477

Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

14.1 Unterscheidungsmerkmale 14.1.1 Bauweise hinsichtlich Wellenausrichtung und Wasserzufiihrung 14.1.2 Einteilung nach der Regelungsart 14.1.3 Einteilung in Abhangigkeit des Durchflusses Q und der Fallhohe hf 14.1.4 Einteilung in Abhangigkeit der spezifischen Drehzahl riq und der Fallhohe hf 14.1.5 Langsam-, Mittel-, Schnellaufigkeit 14.1.6 Einteilung nach dem Verwendungszweck und der Betriebsart

459 460 461 468 468 473 475

477 478 479 479 479 481 481

XVI

Inhaltsverzeichnis

14.2 Bemessungsgrundlagen 14.2.1 Turbinendrehmoment 14.2.2 Fallhohe, Energiehohe, spezifische Stutzenarbeit 14.2.3 Spezifische Drehzahl, Drehzahl, Synchrondrehzahl 14.2.4 Dimensionslose Kennwerte 14.2.4.1 Druckzahl y/ 14.2.4.2 DurchfluBzahl (p 14.2.4.3 Leistungszahl 77 14.2.4.4 Laufzahl oi 14.2.4.5 Durchmesserzahl S 14.2.5 Druckkennzahlen zur Kavitationsbeurteilung 14.2.5.1 Thoma-Beiwert o^/, 14.2.5.2 Saugkennzahl Sq 14.2.5.3 Zusammenhang zwischen an und Sq 14.2.5.4 NPSH-Wert 14.2.6 Turbinenkennlinien 14.2.6.1 Turbinenwirkungsgrad 14.2.6.2 Leistungs-, Wirkungsgrad- und Drehmomentenkennlinie 14.2.6.3 Muschelkurven und Muscheldiagramme 14.2.7 Numerische Stromungsberechnung 14.3 Turbinenbauteile 14.3.1 Bauteile von Uberdruckturbinen 14.3.1.1 Turbinenzulauf, Einlaufschacht und Spiralgehause 14.3.1.2 Saugrohr und Saugschlauch 14.3.2 Bauteile von Gleichdruckturbinen 14.3.3 Turbinenwelle, Getriebe und Turbinenlager 14.3.4 Getriebe und Riemenantrieb 14.4 Turbinenregelung 14.4.1 Turbinenregelungsarten 14.4.1.1 Leitradregelung 14.4.1.2 Laufradregelung 14.4.1.3 Dtisen- und Strahlablenkerregelung 14.4.1.4 Regelung bei Durchstromturbinen 14.4.1.5 Bypassregelung bei Hochdruckanlagen 14.4.2 Steuerung der Turbinenregelung 14.5 Pumpen und Pumpenturbinen 14.5.1 Kreiselpumpen 14.5.1.1 Grundlagen 14.5.1.2 Bemessung 14.5.1.3 Anordnimg, Bauweisen und Betrieb 14.5.1.4 Wellenkupplungen 14.5.2 Pumpenturbinen 14.5.2.1 Allgemeine Bauweisen und Betrieb 14.5.2.2 Sonderformen

481 481 483 484 487 487 488 488 488 488 488 489 490 490 490 490 490 494 495 499 501 501 501 507 511 511 513 514 515 515 517 517 518 518 519 522 522 522 523 526 530 531 531 533

Inhaltsverzeichnis

14.6

Literatur

15

Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

XVII

534

537

15.1 Propeller- und Kaplan-Turbinen 15.1.1 Konstruktion und Betriebsweise 15.1.1.1 Rohrturbinen 15.1.1.2 Straflo-Turbinen 15.1.1.3 Diagonaltiirbinen 15.1.2 Bemessung 15.1.2.1 Grundlagen 15.1.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 15.2 Francis-Turbinen 15.2.1 Konstruktion und Betriebsweise 15.2.2 Bemessung 15.2.2.1 Grundlagen 15.2.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 15.3 Pelton-Turbinen 15.3.1 Konstruktion und Betriebsweise 15.3.2 Unterschied zwischen Francis- und Pelton-Turbine 15.3.3 Bemessung 15.3.3.1 Grundlagen 15.3.3.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 15.4 Durchstromturbinen 15.4.1 Konstruktion und Betriebsweise 15.4.2 Bemessung 15.4.2.1 Grundlagen 15.4.2.2 Berechnungsschema zur Vordimensionierung 15.5 Wasserrader und Wasserkraftschnecken 15.5.1 Wasserrader 15.5.2 Wasserkraftschnecken 15.6 Literatur

537 537 541 545 547 547 547 553 553 553 557 557 560 560 560 565 566 566 571 571 571 573 573 574 574 574 577 579

16

581

Elektrotechnische Ausriistung

16.1 Grundlagen der elektrischen Energietechnik 16.1.1 Gleichstromtechnik 16.1.2 Wechselstromtechnik 16.1.3 Wechselwirkungen und Zusammenhange zwischen elektrischen Stromen und Spannungen und magnetischen Feldem 16.1.4 Kraftwirkung durch das Zusammenwirken magnetischer Felder 16.2 Grundprinzip der elektromagnetischen Energieumwandlung

581 582 585 589 5 93 594

XVIII

Inhaltsverzeichnis

16.3

Elektrische Maschinen und Transformatoren in Wasserkraftanlagen 16.3.1 Transformatoren 16.3.2 Bewegte elektrische Maschinen 16.3.3 Synchrone Wasserkraftgeneratoren 16.3.3.1 Polzahl und Frequenz 16.3.3.2 Ausbildung von Stander und Laufer 16.3.4 Asynchrongeneratoren 16.3.5 Generatorschutz und -Uberwachung 16.3.6 Entwicklungstendenzen bei Wasserkraftgeneratoren 16.3.6.1 Generatoren mit veranderbaren Drehzahlen 16.3.6.2 Hochspannungsgeneratoren 16.4 Betriebsarten von Wasserkraftgeneratoren 16.4.1 Leerlauf 16.4.2 Generatorbetrieb 16.4.3 Motorbetrieb 16.4.4 Ubergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten 16.4.5 Synchronisation 16.4.6 Inselbetrieb 16.4.7 Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb 16.4.8 Reluktanzbetrieb 16.4.9 Belastungsgrenzen der Synchronmaschine 16.5 Bemessung von Wasserkraftgeneratoren 16.5.1 Kuhlung 16.5.2 Einbau und Anordnung 16.5.3 Lauferarten 16.5.4 Erregereinrichtungen 16.5.5 Dimensionierung 16.5.6 Durchgangsdrehzahl 16.5.7 KurzschluBfestigkeit 16.6 Aufbereitung und Verteilung der Drehstromenergie 16.6.1 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad 16.6.2 Transformatoren 16.6.3 Eigenversorgung 16.6.4 Schaltanlagen und Energieableitung 16.6.5 Einbindung der Kraft^verke in das elektrische Verbundsystem 16.6.5.1 Aufgaben der Kraftwerke im Netzbetrieb 16.6.5.2 Hochspannungs-Gleichstrom-Kopplung unterschiedlicher Netze 16.6.5.3 Aufgaben der Netzleitwarte und Kraft:werkseinsatzplanung 16.6.5.4 Entwicklung des Strommarktes 16.7 Literatur

596 597 599 602 602 606 606 608 610 611 612 613 613 614 615 615 616 617 617 618 618 619 620 621 623 623 624 625 626 629 630 630 631 631 633 634 635 636 637 637

1 2 3 4 5 6 7 8 .8.1 8.2 .8.3 8.4 8.5 9

Inhaltsverzeichnis

XIX

Pumpspeicherkraftwerke

639

Zielsetzung Pumpspeichersysteme Historische Entwicklung der Pumpspeicherung Bautechnische Gesichtspunkte Maschinentechnische Gesichtspunkte Betriebsweisen von Pumpspeicherwerken Pumpspeicherkraft in Deutschland Sonderausfuhrungen Extreme Forderhohen und Leistungen Untertage-Pumpspeicherkraftwerke Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerke Luftspeicherkraftwerke Pumpspeicherwerk mit drehzahlvariablen Maschinensatzen Literatur

639 641 643 644 648 649 655 657 657 658 659 661 663 665

Wasserkraft und Umwelt

667

1 Einflilsseauf die Atmosphare 2 Beeinflussung der ober- und unterirdischen Gewasser .2.1 Veranderung der Gewassercharakteristik .2.1.1 FlieBgewassertypische Stromungsmuster .2.1.2 Geschiebe- und Schwebstoffhaushalt .2.1.3 AbfluB- und Hochwasserregime .2.1.4 FluBregulierung .2.1.5 Eisbildung und Eistransport .2.2 Wechselwirkungen mit dem Grundwasser 3 Einfliisse auf das biologische System .3.1 Bedeutung von Stromung und Substrat .3.1.1 Auswirkungen auf die Fischfauna .3.1.2 Auswirkungen auf das Zoobenthon .3.1.3 Auswirkungen auf die Pflanzenwelt .3.2 Temperaturregime .3.3 Sauerstoffhaushalt .3.4 Selbstreinigungsprozesse .3.5 Treibgut .3.6 Ufer-und Stauraumgestaltung 4 Einfliisse auf die oberen Bodenschichten 5 Einflilsseauf den Baugrund 6 Auswirkungen auf den Menschen

669 671 672 672 673 674 677 677 677 678 679 679 680 682 684 684 687 688 689 690 691 691

XX

Inhaltsverzeichnis

18.7

Spezielle Aspekte bei Mehrzweckanlagen in warm-trockenen Regionen 18.7.1 Wasserkraft und Bewasserung 18.7.2 Umweltrelevante GestaltungsmaBnahmen von Stauanlagen in Entwicklungslandem der warmeren Klimazonen 18.7.2.1 Gestaltungsprioritaten 18.7.2.2 Gestaltungs- und PraventionsmaBnahmen 18.7.3 Energetische Bewertung der Flachen-Inanspruchnahme von Wasserspeichem 18.7.3.1 Speicher-Parameter 18.7.3.2 Energetisches Potential von Bewasserungswasser 18.7.3.3 Potential von Biomasse im Stauraum 18.7.3.4 Spezifisches Gesamt-Energiepotential eines Wasserspeichers 18.7.3.5 Durch Speicherkraftwerke vermiedene C02-Produktion 18.7.3.6 Ergebnisse der vergleichenden Speicherpotential-Abschatzung 18.8 Besondere Umweltaspekte von der Errichtung bis zum Riickbau einer Anlage 18.9 Literatur

19

Mindestwasserregelungen

19.1 Gebrauchliche Methoden zur Mindestwasserfestlegung 19.1.1 KenngroBen 19.1.2 Emfache Verfahren 19.1.3 Habitatsimulationsmodelle 19.1.3.1 Hintergrund 19.1.3.2 FlieBgewasserhabitate und ihre Beschreibung 19.1.3.3 Schnittstelle Abiotik-Biotik 19.1.4 Entscheidungsmodelle 19.2 Mindestwasserregelungen in Deutschland 19.3 Vorgehensweise zur Bestimmung von Mindestwasserregelungen aus heutiger Sicht 19.4 Das Simulationsmodell CASIMIR 19.4.1 Konzeption im Hinblick auf Mindestwasserregelungen 19.4.2 Gewassersohle 19.4.3 Freiwasserraum und Fischhabitate 19.4.3.1 Fische als Zeigerorganismen 19.4.3.2 Praferenzfunktionen 19.4.3.3 Fuzzylogischer Ansatz fur die Habitatmodellierung 19.4.3.4 Darstellung der Habitateignung 19.4.3.5 Kriterien fur die Bewertung der Modellierungsergebnisse mit CASIMIR bei Mindestwasseruntersuchungen 19.5 Auswirkungen der Mindestwasserabgaben auf die Energieerzeugung in Wasserkraftanlagen

693 693 695 695 696 697 697 698 699 699 699 700 702 702

705 705 706 707 708 708 709 710 711 711 712 713 713 714 717 717 718 720 722 724 728

Inhaltsverzeichnis

XXI

19.6

Literatur

729

20

Durchgangigkeit fiir die Aquafauna an Wasserkraftstandorten

731

20.1 Fischaufstiegsanlagen 20.1.1 Anordnung von Fischaufstiegsanlagen 20.1.2 Ausbildung des Einstiegs in Fischaufstiegsanlagen 20.1.3 Leitstromung im Einstiegsbereich 20.1.4 AbfluB in Fischaufstiegsanlagen 20.1.5 Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen 20.1.6 Gestaltung der Sohle in Fischaufstiegsanlagen 20.1.7 Ausstieg aus Fischaufstiegsanlagen 20.1.8 Betriebszeiten 20.1.9 Wartung der Fischaufstiegsanlagen 20.1.10 Storungsvermeidung und Lenkung der Offentlichkeit 20.2 Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbaren Querbauwerken 20.2.1 Beckenpasse 20.2.2 Schlitz- oder Vertical-Slot-PaB 20.2.3 Rauhgerinne-BeckenpaB 20.2.4 Fischaufstiegsanlagen in Storsteinbauweise 20.2.5 Denil- oder GegenstrompaB 20.2.6 AalpaB 20.2.7 Fischschleuse 20.2.8 Fischaufzug 20.2.9 Umgehungsgerinne 20.2.10 Sohlenbauwerke 20.3 Fischschutz- und Fischabstiegseinrichtungen 20.4 Literatur

733 733 735 737 738 738 739 740 741 741 741

21

755

Ausfiihrungsbeispiele

21.1 Hochrheinkraftwerk Sackingen 21.2 Wasserkraftnutzung durch die Schluchseewerk AG 21.2.1 Werksgruppe Schluchsee 21.2.2 Werksgruppe Hotzenwald 21.2.3 Merkmale des Pumpspeicherbetriebes 21.3 Kraftwerksgruppe Schluchsee 21.4 Kraftwerksgruppe Hotzenwald 21.4.1 Pumpspeicherwerk Sackingen 21.4.2 Pumpspeicherwerk Hombergstufe 21.4.2.1 tFbersicht

742 743 746 746 747 747 748 749 750 750 751 752 754

756 758 758 759 759 761 766 766 769 769

XXII

Inhaltsverzeichnis

21.4.2.2 Konstruktive Gestaltung von Oberbecken und Unterbecken 21.4.2.3 Druckschacht zwischen Oberbecken und Verteilrohrleitung 21.4.2.4 Maschinenkaveme 21.4.2.5 Maschinensatze 21.4.2.6 Generatoren und Transformatoren 21.4.2.7 Schaltanlage und Leitwarte Ktihmoos 21.4.2.8 Betriebsstunden, Wirkungsgrad und spezifische Ausbaukosten 21.4.2.9 Naturmtegrierende Bauweise 21.4.2.10 Neubau einer Kleinwasserkraflanlage 21.5 Geplante Ausbaustufen der Schluchseewerke 21.6 Das GroBprojekt Drei-Schluchten-Kraftwerk am Jangtse/China 21.7 Kleinwasserkraftanlage GroBarl 21.8 Literatur

771 774 774 775 777 778 779 779 779 781 782 784 790

22

Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

791

22.1 22.2 22.3 22.4

KenngroBen und Symbole Griechisches Alphabet Einheitenabkiirzungen Einheiten und Umrechnungsfaktoren

791 805 805 806

Sachverzeichnis

809

1 1.1

Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung Ansatze der Wasserkraftnutzung

In der Entwicklung der Menschheit spielten von Anfang an das ortliche Wasservorkommen und dessen Nutzung sowie der Schutz gegen drohende Gefahren durch das Wasser eine ausschlaggebende Rolle. Die Geschichtsschreibung stellt vielfach die einzelnen Entwicklungsstufen in Verbindung mit dem Wasser und den das Wasser beherrschenden BaumaBnahmen, wie man aus den Zeittafeln Abb. 1.1 a-c gut erkennen kann. Ftir diese MaBnahmen pragten sich die Begriffe Hydrotechnik oder Allgemeiner Wasserbau ein. Mit „hydraulic civilizations" wurden sogar jene ersten groBeren Kulturen der Menschheit bezeichnet, die sich vor Jahrtausenden schon un FluBtal des Nils, hauptsachlich in Agypten, im Stromgebiet von Euphrat und Tigris in Mesopotamien, dem heutigen Staatsgebiet des fraks, femer in den FluBlandschaften des hidus (Pakistan) und des Hwangho (China) entwickelt hatten. Ob Wasserversorgung, landwutschaftlicher Wasserbau, Entwasserung mit Bewirtschaftung des verfiigbaren Wassers, Schiffstransport oder Hochwasserschutz, ftir alle derartigen Systeme muBten Bauten (Talsperren, Kanale, Verteilungssysteme, Schleusen, Schiffsanlegestellen, Uferdamme etc.) geschaffen, betrieben und erhalten werden. Die jtingsten, von Historikem, Archaologen und Wasserbauingenieuren umsichtig angestellten Forschungen belegen in eindrucksvoller Weise die groBartigen Leistungen der damaligen Volker, die mit Planung, Bau und Betrieb der die Zivilisation erst ermoglichenden Wasserbauwerke erbracht wurden. Im Gegensatz zur Nutzung der Windkraft, die beispielsweise durch Segel das Transportvermogen von FluBschiffen um ein Vielfaches erhohte und den Beginn der windunterstUtzten Schiffahrt auf Flussen und Kustengewassem entsprechend den agyptischen Geschichtsdaten auf etwa das Jahr 3.000 v. Chr. zurtickfiihrt, tritt das Wasser als sich immer emeuemde Naturkraft in seiner technischen Nutzung durch den Menschen erst ein Jahrtausend spater in den Vordergrund. Ab dem 5. Jahrtausend v. Chr. wurden die Menschen mehr und mehr seBhaft. Siedlungen und landwirtschaftliche Anbauflachen bedurften ausreichender Wasserversorgung. Hierfiir muBte das Wasser auch von tiefliegenden Vorkommen, ob FluB, Teich oder in das Grundwasser reichender Brunnen, in hoher gelegene Versorgungsgebiete gehoben werden. Hierzu diente lange Zeit die Muskelkraft von Mensch oder Tier. Ahnlich verhielt es sich mit dem Mahlen von Getreide. Brot war zu jener Zeit das Hauptnahrungsmittel. Bis jedoch fur diese Techniken die dem Wasser innewohnenden Krafte, d. h. das Arbeitsvermogen eines iiber dem Nutzungsstandort hoher liegenden Wassers mit Umsetzung von Lageenergie in Bewegungsenergie oder Staudruck zur breiten Anwendung gelangten, vergingen Jahrtausende. Dabei erklart sich die Lageenergie aus dem durch die Sonnenenergie eingeleiteten Wasserkreislauf mit Verdunstung, Wolkenbildung und Wolkenbewegung, schlieBlich Niederschlag und AbfluB.

Abb. 1.1a:

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Zeittafeln zur Geschichte der Wasserkraftnutzung

Abb. 1.1b:

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Zeittafeln zur Geschichte der Wasserkraftnutzung [nach 1.1]

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Abb. 1.1c:

Zeittafeln zur Geschichte der Wasserkraftnutzung [nach 1.1]

Ftir die Nutzung des Wasserkraftpotentials, d. h. fiir die Uberfuhrung der Wasserkraft in mechanische Arbeit bietet sich das Rad an. Es gestattet die Umsetzung von Wassergewicht, Wassergeschwindigkeit oder Wasserdruck in den Antrieb von Schopfwerken, Transmissionen, Miihlsteinen, Hammerwerken, Sagen usw. Fiir den Bergbau in der Friihgeschichte batten Wasserhebeeinrichtungen auch zur kontinuierlichen Wasserhaltung eine eminente Bedeutung. In der weiteren technischen Entwicklung entsteht in der Neuzeit aus dem Wasserrad die Wasserturbine mit all ihren unterschiedlichen Gestaltungsformen.

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung 1.2

5

Wasserradgetriebene Schopfwerke und Muhlen

Geschichtlich laBt sich ein wassergetriebenes Schopfwerk in das 3. Jahrhundert v. Chr. zuriickverfolgen. Nach der Beschreibung durch Philon von Byzanz wird ein aus einer endlosen Eimerkette bestehendes Schopfwerk durch ein mehr oder weniger unterschlachtiges Wasserrad mit horizontaler Achse angetrieben, dessen Leistung durch den jeweils herrschenden Wasserstrom bestimmt wird. Vitruv erwahnt in seinem etwa 20 v. Chr. erschienenen Werk sowohl stromungsgetriebene Schopfrader als auch Anlagen zur Drehung von MUhlsteinen mit vertikaler Achse, deren Antrieb bei unterschlachtigen Wasserradem tiber ein Kammradgetriebe erfolgte. Ein Kammradgetriebe ist dann entbehrhch, wenn das Wasserrad mit vertikaler Welle ausgerustet ist und der dariiberliegende Mahlstein direkt angetrieben wird. Allerdings mussen an die Wasserzufuhrung hohere Ansprtiche gestellt werden. Tritt an die Stelle eines offenen Wassergerinnes ein Druckschacht, aus dem das Wasser dem Wasserrad zuflieBt, lassen sich groBere Druckhohen erzielen. Derartige Schopfrader und Getreidemiihlen haben sich in ihrem Bauprinzip und in ihrer Anwendung bis in die heutige Neuzeit, besonders in Landem des Nahen Ostens erhalten. Das einen hoheren Wirkungsgrad liefemde oberschlachtige Wasserrad ist erst etwa im 5. Jahrhundert n. Chr. historisch in Erscheinung getreten. Bei diesem stromt das Triebwasser oberwasserseitig in Hohe des Scheitels in die becherformigen Zellen ein. Weitere interessante Entwicklungen zur Wasserkraftnutzung im 7. Jahrhundert n. Chr. sind die sogenannten FluBmiihlen (stationar), Schiffsmiihlen und Gezeiten- bzw. Flutmiihlen (s. a. Kapitel 4.4.1). In Mitteleuropa sind die ersten Mtihlenbauten seit dem 9. Jahrhundert zu verzeichnen. Wenn anfangs diese vomehmlich zum Mahlen des Getreidekomes und zum Heben von Lasten errichtet wurden, setzte sich sehr schnell die Anwendung in anderen Produktionsbereichen durch. Als beispielhafte handwerkliche Arbeitsgange sind zu nennen: Hammem, Walken, Stampfen, Schleifen, Sagen, Drehen und dergleichen mehr. Wasserrader trieben Geblase an und entwasserten Erzgruben mit Hilfe von Eimerketten. Noch Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts kam dem Wasserrad eine erhebliche Bedeutung zu. Nach dem 2. Weltkrieg setzte jedoch ein rapider RUckgang der wasserradgetriebenen Mtihlen ein. Mit ihm endete mehr oder weniger auch das technische Interesse an deren Sanierung und betrieblichen Verbesserungen. Nur noch wenige MUhlen sind im gewerblichen Einsatz. Verstarkt nimmt sich in einzehien Landem der Denkmalschutz der Ubrig gebliebenen Muhlen an, um sie als eindrucksvolle Zeugnisse einer groBeren handwerklichen Tradition und als technisches Kulturgut der vorindustriellen Arbeitswelt zu bewahren; eine detaillierte, Beschreibung erfolgt in den Kapiteln 4.3.2 bzw. 15.5. L3

Ubergang vom Wasserrad zur Wasserturbine

Das Wasserrad stellt die Urform einer Wasserkraftmaschine dar. In der Umwandlung von Lageenergie aus dem Gewicht des Wassers in Bewegungsenergie spiegelt sich eine der bewundemswerten Erfindungen des menschlichen Geistes wider, die mit dem Rad uberhaupt schon in der Fruhzeit der Menschheitsgeschichte zu

6

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

vermerken ist. Historisch kann das Rad 3.000 v. Chr. im siidlichen Mesopotamien (Sumer), d. h. in dem Zwei-Strom-Land zwischen Euphrat und Tigris, nachgewiesen werden. In der Folgezeit bildet es Kunstsymbol, Werkzeug und Maschine. Die Aufgabe des Muhlenantriebes hat das Wasserrad tiber Jahrtausende hinweg bewahrt, auch wenn zusehends aus Kostengriinden und Effizienz der Energieausbeute das Muhkad als erste hydraulische Maschine durch Wasserturbinen ersetzt wird, und so beispielsweise aus der Mtihle ein Kleinwasserkraftwerk zur Erzeugung elektrischen Stromes entstehen kann. Die Erfindung der Turbinen bedeutete einen groBen Schritt in der Wasserkraftnutzung. Die erste technische Einrichtung zur Anwendung der Reaktionskraft eines Wasserstrahles bildete das nach seinem Erfinder Segner (1704-1777, Gottingen) benannte Wasserrad. Hierauf folgte der nachste groBe Fortschritt mit der von dem Franzosen Foumeyron 1827 entworfenen hydraulischen Maschine, die ein vertikalachsiges Wasserrad mit radialem Wasseraustritt und einer Anordnung unterhalb des Unterwasserspiegels darstellt. Auf Henschel, einem Deutschen, und Jonval, einem Elsasser, gehen das Saugrohr und die achsial durchstromte Turbine mit Anordnung iiber dem Unterwasserspiegel zuruck. Doch wurden diese Turbinentypen bald aufgegeben. Dasselbe geschah mit den von den Schweizem Zuppinger (1846) und Schwamkrug (1850) entwickelten Impuls- bzw. Gleichdruckmaschinen. Die vom Pariser de Girard (1863) ersonnene Turbine ist in ihrem Wirkungsprinzip ein Mittelding zwischen Uberdruck- und Gleichdruckturbine; sie fand vielfach Anwendung bei Hochdruckanlagen, wurde aber dann zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgegeben. Einen entscheidenden Durchbruch in der Optimierung von Uberdruckturbinen gelang dem Englander Francis im Jahre 1849 (sogenannte Francis-Turbine), wahrend der Amerikaner Pelton 1890 die Freistrahlturbine (sogenannte PeltonTurbine) zu der heutigen modemen Form einer Gleichdruckmaschine fiihrte. SchlieBlich wurde 1913 Kaplan, einem Osterreicher, das Patent fiir seine Propellerturbine mit feststehenden Laufradschaufebi fiir den Einsatz bei Niederdruckanlagen, kurz danach ein weiteres Patent flir bewegliche Laufi*adschaufehi der heute nach ihm benannten Kaplan-Turbine erteilt. Diese Turbinenart erinnert an eine umgekehrt wirkende Schiffsschraube. Technische Verbesserungen fiir die Verstellbarkeit von Laufi*adschaufeln in Abhangigkeit von Lastschwankungen folgten unmittelbar durch Englesson. Theoretische Untersuchungen iiber Durchstromungen von Propellem wurden erfolgreich von dem Russen Joukowsky angestellt, der gleichfalls wesentliche Beitrage zum DruckstoBproblem 1898 veroffentlichte. Eine abgerundete, glanzend mathematisch aufl^ereitete Darstellung der DruckstoBerscheinungen in Triebwasserleitungen als Folge von SchlieBen und Offhen bei VerschluBorganen wurde durch den Italiener AlHevi 1913 geliefert. Seine DruckstoBtheorie bildet bis heute die Basis fiir sichere Betriebsweisen von Femleitungen und Rohrleitungssystemen aller Art. Einen weiteren Markstein in der Entwicklung von Wasserkraftanlagen im Niederdmckbereich bildet die Kombination von Propeller- bzw. Kaplan-Turbine mit dem vorgeschalteten Stromgenerator bei liegender Anordnung des Maschinensatzes mit horizontaler bzw. leicht geneigter Achse. Hierfiir hat sich die Bezeichnung Rohrturbmen eingeburgert. Der nachste bedeutsame Schritt war die Vereinigung von Turbinenlaufrad und Rotor des Generators zu einer Einheit von Turbine und

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

7

Stromerzeuger, indem die Laufradschaufeln die Speichen des Polrades des Generators bilden. Entscheidende Impulse lieferten hierfur Harza (1919, USA) und die Deutschen Fentzloff und Schmick bis hin zur ersten Bauausfiihrung eines derart ausgerusteten Laufwasserkraftwerkes durch Fischer im Jahre 1936. Die Turbinen mit AuBenkranzgenerator lieferte Escher-Wyss/Ravensburg und Zurich. Diese Maschinenbaufirma leistete in den nachfolgenden Jahrzehnten wesentliche Pionierarbeiten flir die technische Vervollkommnung dieser heute unter dem Handelsnamen Straight-Flow-Turbine (Straflo-Turbine) Ringgenerator und Turbinen vereinigenden Maschine, wobei vor allem Dichtungsprobleme zu losen waren. Die derzeit groBten Maschinenleistungen wurden mit 11 MW pro Maschine bzw. 5,45 MW/Maschine bei den 1994 durch Umriistung modemisierten FluBkraftwerken Laufenburg und Augst-Whylen am Hochrhein erreicht. Fiir die Rohrturbine mit vorgeschaltetem Generator entstanden vielfaltige Anwendungsfelder sowohl bei FluBwasserkraftwerken, die sich aufgrund der liegenden Maschinenanordnung durch extrem flache Krafthausbauten auszeichnen, als auch bei geteilten Kraftwerken mit gemaB Flut und Ebbe wechselnden FlieBrichtungen. Als Beispiel sei das nordfranzosische Gezeitenkraftwerk St. Malo an der Rance-Miindung mit seinen 20 Maschinensatzen von je 9 MW Leistung genannt. Hierfur erbrachten die Firmen Neyrpic (Turbinen) und Alsthom (Generatoren), beide Frankreich, erhebliche Entwicklungsarbeit. Im Bereich der Kleinwasserkraftwerke mit bescheideneren Maschinenleistungen trat der Ungar Banki 1917 mit seiner zweistrahligen Turbine hervor, die je nach DurchfluB als Uberdruck- oder als Gleichdruckmaschine arbeitete. Der Deutsche Ossberger vervollkommnete diesen Maschinentyp mit der heute weltweit verbreiteten Durchstromturbine. Michell, ein Australier, lieB sich 1903 eine in den Grundzugen ahnliche Maschine patentieren. Eine ahnliche Bedeutung erlangten die zunachst von Amerika (Firma Allis-Chalmers) ausgehenden, dann in Europa durch die Firmen Voith, Deutschland, und Kossler, Osterreich, in Varianten vielfach ausgeftjhrten S-Turbinen. 1.4

Ferniibertragung elektrischer Energie

Ein wesentliches Faktum fiir die groBraumige elektrische Energieversorgung ist die Stromiiberleitung vom Erzeugungsort zum Verbrauchsgebiet. Die erste hochgespannte Drehstromiibertragung (25 kV) vom Wasserkraftwerk Lauffen am Neckar nach dem rund 175 km entfemten Frankfiirt am Main zur intemationalen Elektrizitatsausstellung wurde am 12.9.1891 unter der Initiative von Oscar von Miller der Weltoffentlichkeit vorgestellt. Hierbei begannen 1.000 elektrische Gliihbimen zu leuchten und ein 10 m hoher, kiinstlicher Wasserfall zu sprudeln. Damit war der Weg frei flir eine neue Art der Energieversorgung. Bisher waren Energiegewinnung und deren Nutzung raumlich eng aneinander gebunden, da die Energie mechanisch ubertragen werden muBte. Mit der Moglichkeit, elektrischen Strom zu jedem beliebigen Ort zu befordem, war die Voraussetzung fiir konzentrierte Energiegewinnungsanlagen im groBen MaBstab vorhanden. Das neue Konzept lautete: Zentrale Energiegewinnung im Wasserkraftwerk und Transport der elektrischen Energie iiber Leitungen zum Verbraucher.

8

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

1.5

Wasserkraftanlagen und ihre Umgebung

Die Wasserkraft bestimmte vielerorts maBgebend die Entwicklung des volkswirtschaftlichen, gewerblichen und industriellen Lebens der einzelnen Volker. Die alteste, bis heute erhaltene Originaldarstellung einer Wasserkraftanlage ist ein romisches Mosaik aus dem 5. Jahrhundert. Es handelt sich um ein unterschlachtiges Muhlrad. In den Stadten wurden die Flusse und Bache oft aufgeteilt und umgeleitet. An den kiinstlich angelegten Gerinnen siedelten sich die Gewerbetreibenden an. Entlang der Miihlbache und Miihlkanale entstanden ganze Miihlenviertel, deren tFberreste zum Teil heute noch sichtbar sind. Das beschrankte Raumangebot entlang der Kanale fuhrte zu der typischen engen Bebauung mit der Hinterfront der Gewerbebetriebe zum Wasser hin, wie man es heute noch m Saarburg an der Saar sehen kann. Gleichzeitig traten an den Stadtbachen hygienische Probleme auf, da sie einerseits der Wasser- und Energieversorgung dienten, andererseits aber auch zum Abfuhren von Abwassem und Abfallen. An groBeren Flilssen entstanden Wehre oder Teilwehre zum Aufstau oder zur Umleitung des Wassers, wie m Heidelberg am Neckar oder in Trier an der Mosel. In vielen Stadten mit groBeren FlUssen gab es Schiffsmtihlen, so in Rom und Koln. Bruckenmiihlen nutzten die hohere FlieBgeschwindigkeit im Bereich der massiven Bruckenpfeiler aus. Dabei standen an den schiffbaren Fliissen die Interessen der MUhlenbesitzer oft im Gegensatz zu denen der Schiffahrt, die durch Wasserentzug und Wehrbauten behindert wurde. Parallel dazu gab es seit dem 17. Jahrhundert ein weiteres Feld, das die Nutzung der Wasserkraft vorantrieb. Wasserrader wurden benutzt, um Hebewerke oder Pumpen anzutreiben. So wurde flir die Stadt London Trinkwasser mit Hilfe eines von drei Wasserradem angetriebenen Hebewerkes in der Themse bereitgestellt. Die Wasserspiele, Springbrunnen und Fontanen der barocken Gartenbaukunst erft)rderten groBe Wassermengen. Ein Beispiel sind die Garten von Versailles, woflir das Wasser der Seine entnommen wurde. Auch dort trieben Wasserrader die Hebewerke an. Im Raum Miinchen muBten die Wasserspiele der zahlreichen SchloBanlagen gespeist werden. Im SchloB Nymphenburg trieben schon im filihen 18. Jahrhundert Wasserrader Kolbenpumpen an. Anfang des 19. Jahrhunderts wurde im dortigen Johannisturm eine von drei Wasserradem getriebene Pumpe eingebaut, die aus betrieblichen Grunden durch einen Windkessel erganzt wurde und noch in Betrieb ist. Eine ganze Anzahl derartiger alter Wasserkraftanlagen ist bis heute erhalten und zum Teil auch noch fiinktionsfahig. Ab etwa der Mitte des 19. Jahrhunderts konnten die vorherrschenden Wasserrader den wachsenden Anspruchen der entstehenden Industrie- und Gewerbebetriebe nicht mehr gerecht werden und verloren durch die Konkurrenz der Dampfinaschinen, teilweise auch der Windmtihlen und spater insbesondere der Wasserturbinen, an Bedeutung. Viele der MUhlen wurden stillgelegt. Damit erschienen auch viele der Stadtbache, haufig ohnehin zu unschonen Kloaken degradiert, Uberfliissig. Sie wurden entweder stillgelegt, aufgelassen oder uberdeckt und verdohlt. Seit jeher spielt die Bewirtschaftung des Wassers im Bergbau eine besondere Rolle, indem durch Stollensysteme und Hebewerke, die sogenannten Kunste, das

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zusickemde Wasser abgefuhrt wird. Gleichzeitig ntitzte man aber auch stets die mechanische Energie des Wassers, indem Wasserrader Pumpen, Hebezeuge, Pochwerke etc. antrieben. Zur optimalen Ausnutzung des vorhandenen Wassers wurden Stollen-, Graben- und Teichsysteme errichtet, wie diese noch heute im Erzgebirge [1.2] und im Harz [1.3] erhalten sind. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden anstelle der meist unterirdischen Wasserrader Turbinen eingebaut und die einfacher zu handhabende elektrische Energie genutzt. Die ersten FluBkraftwerke waren zur Unterstutzung der hydraulischen Maschinen oft noch zusatzlich mit Dampfmaschinen oder Gasturbinen fiir den Antrieb der Generatoren bei Niedrigwasserfiihrung ausgeriistet. Pumpspeicher-, Mittelund Hochdruckanlagen folgten. Im Jahre 1924 entstand als erste grol3e Speicheranlage in Deutschland, wiederum auf Initiative von Oscar von Miller, das Kraftwerk Walchensee (124 MW) in Oberbayem. Erne eindrucksvolle Entwicklung der modemen Wasserkraftgewinnung setzte damit ein. In den Anfangszeiten der Gewinnung von elektrischem Strom aus Wasserkraft wurden haufig die alten MUhlrader zunachst weiterbenutzt. Anstatt ihre Kraft mechanisch iiber Getriebe auf die Mahl- oder Hammerwerke zu ubertragen, trieben die Mtihlrader Generatoren an, die die Drehbewegung des Rades in elektrischen Strom umwandelten. Elektrische Leitungen brachten den Strom zu den Arbeitsmaschinen. Turbinen mit deutlich hoheren Wirkungsgraden traten an ihre Stelle. Doch das Prinzip ist geblieben: Vom Triebwasser wird eine Turbine in eine Drehbewegung versetzt, die direkt oder Uber ein Getriebe auf einen Generator Ubertragen wird. Beispielsweise stellt eine hochmodeme Pelton-Turbine, eine BecherradTurbine, im Grunde ein fortentwickeltes Hochleistungswasserrad dar. Im 19. Jahrhundert hat man begonnen, je nach Erfordemis Fltisse auszubauen, d. h. sie erhielten ein befestigtes Bett, je nach Maanderform wurden Altarme stillgelegt, mit der gestreckteren Linienfiihrung Kurven begradigt. Die Mal3nahmen dienten der besseren Abfiihr von Hochwasser und der Gewinnung von nutzbarem Land. Durch die verkiirzten Fliei3strecken stieg aber auch das Gefalle der Fltisse. Erosion der FluBsohle, Eintiefiingen und ein Absinken des Grundwasserspiegels waren vielerorts die Folge. Um die FluBsohlen wieder zu stabilisieren, waren Querverbauungen erforderlich. Viele der so entstandenen Wehre und Stutzschwellen wurden gleichzeitig zum Bau von Wasserkraftanlagen benutzt. Auch der Schiffbarmachung groBer Fltisse dienten diese MaBnahmen. Fiir den Bau von Wasserkraftanlagen waren zunachst wirtschaftliche Griinde maBgebend. Teilweise entstanden architektonisch gelungene Bauwerke, denen man den Kraftwerkscharakter durchaus nicht ansah und die sich harmonisch in ihre Umgebung einftigten. Zusatzkosten konnten zu jener Zeit eher aufgefangen werden, da der Erlos fur eine kWh Strom dem Stundenlohn eines Industriearbeiters entsprach. Die Kraftwerksbauer zeigten ihr SelbstbewuBtsein durch stolze Bauten auch nach auBen hin. Heute ist der Erlos fiir elektrischen Strom relativ gesehen auf ein Hundertstel gesunken. War es bei Kleinwasserkraftanlagen noch moglich, durch eine gelungene Architektur einen positiven Charakter der Gesamtanlage mit den ausgedehnten technischen Einrichtungen zu erzielen, so behielten bei groBen Anlagen die nuchtemen technischen Erfordemisse die Oberhand. Wehrbauten und Krafthauser mit den Betriebseinrichtungen bestimmten das auBe-

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re Bild, die starren technischen Dimensionen lieBen fiir Asthetik nur kleine Spielraume ubrig. Die zunehmende Sensibilisierung der Erbauer flir das Erscheinungsbild bis hin zur erwiinschten Ablesbarkeit von Zweck und Konstruktion am Bauwerk sorgte flir Veranderungen im Baustil. Aber auch die technischen Fortschritte mit den maschinentechnischen Anlagenteilen von Wasserkraftwerken gaben den Ausschlag. Bei den Moselkraftwerken Koblenz (1951) und Trier (1961) ist diese Entwicklung deutlich nach auBen hin sichtbar. Obwohl beide Kraftwerke etwa die gleiche installierte Leistung bei gleichen auBeren Bedingungen aufweisen, sind sie im Erscheinungsbild vollig unterschiedlich. Wahrend die Anlage in Koblenz (16 MW) iiber Kaplan-Turbinen mit stehenden Wellen verfligt, arbeiten in Trier (19 MW) Kaplan-Rohrturbinen, deren Achsen nur etwa 7° von der Horizontalen abweichen. Die unterschiedlichen VerschlUsse - Walzen in Koblenz, hydraulisch gesteuerte Uberstrombare SektorverschlUsse in Trier - tun ein tibriges. Windwerke, Bedienungssteg, hohe Pfeilerbauten entfielen. Dieselbe vorteilhafle Entwicklung laBt sich auch bei kleineren Anlagen beobachten. Viele der alteren Anlagen wurden als Ausleitungskraflwerke angelegt. Das Triebwasser wurde in einem kiinstlichen Kanal dem Kraftwerk zugeleitet und unterhalb in das FluBbett zurtickgegeben. Diese Bauweise ermoglichte den Bau des Kraftwerks auBerhalb des FluBbettes in trockener Baugrube, hatte aber andererseits die Entstehung leerer, ehemaliger FluBgerinne zur Folge, die nur noch der Abfuhr von Hochwasser dienten. Der zahlreichen sonstigen Funktionen eines nattirlichen FlieBgewassers waren sie beraubt. Auch mit den FlieBgewassem im stadtischen Raum wurde keineswegs sorgsam umgegangen. Je nach den technischen und wirtschaftlichen Erfordemissen wurden sie kanalisiert, verbaut oder iiberdeckt; zum Teil waren sie auch so verschmutzt, daB sie von der Oberflache verschwinden muBten. Beim Begriff „Wasserkraftanlagen im stadtischen Raum" muB man unterscheiden zwischen den Situationen „Stadt an einem FluB oder Strom" und „FluB in einer Stadt". Im ersten Fall stellt der FluB, durch seine Dimension bedingt, eine eigene Zone dar, die von den bebauten Gebieten deutlich begrenzt ist und diese wiederum voneinander trennt. Die einzebien Teile greifen nicht ineinander, und der FluB bestimmt durch seine Gegenwart und Dominanz das gesamte auBere Erscheinungsbild der Stadt. Ein Kraftwerk beeinfluBt hauptsachlich diese FluBzone, weniger die bebauten Zonen. Dies trifft fur Anlagen an Rhein und Mosel zu. Anders ist dies im zweiten Fall bei kleinen Flussen im stadtischen Bereich. Hier pragt die Stadt das Bild, in das ein Gewasser eingefugt ist. Es ist eine starke, stadtebauliche Wechselwu-kung zwischen Stadtteilen und FluB vorhanden, so daB auch ganz spezifische Anforderungen an die stadtebauliche Einfiigung eines Wasserkraftwerkes in das Stadtbild als geschlossene Einheit zu richten sind. Es ist heute selbstverstandlich, daB bei Planungen von Wasserbauten, so auch bei Wasserkraftanlagen in freier Natur, Fachleute vieler verschiedener Richtungen beteiligt sind. Die weitgehende Schonung und Erhaltung der naturlichen Umwelt erfolgt durch okologische Untersuchungen in Verbindung mit landschaftspflegerischen Begleitplanen. Daraus entstehen Gestaltungsvorgaben fur Konzeption und Auslegung von Wasserbauten. Teilweise wu*d auch versucht, dem ursprtinglichen Zustand, den die Fltisse vor einer Begradigung hatten, wieder naher zu kommen.

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Der Mensch schafft so Natur aus zweiter Hand und somit Lebensraum fiir bedrohte Tiere und Pflanzen, ebenso Erholungsraum fur den Menschen selbst. Ein Beispiel fiir derartige BaumaBnahmen in der freien Natur moge aus dem Bereich der Schluchseewerk AG, Freiburg, und der Rheinkraftwerk AlbbruckDogem AG herangezogen sein (s. a. Kapitel 21). Am Hochrhein erforderte die Aufgabenerweiterung der dreistufigen Hochdruck- bzw. Pumpspeicheranlage Schluchsee/Hausem - Witznau - Waldshut im Sudschwarzwald zusatzliche Speichermoglichkeiten im Rhein als Unterlauf zum Ausgleich der schwankenden AbflUsse, insbesondere fur das Laufwasserkraflwerk Albbruck-Dogem. So entstand im Jahre 1978 das Aubecken auf einer Insel zwischen dem 3,5 km langen Oberwasserkanal und dem Hochrheinbett westlich des Stauwehres Dogem. Als Ersatz fiir diese ehemalige Aue-Insel wurde mit dem 550.000 m^ umfassenden Aushub fur das Becken eine neue, 6 ha groBe Grtinzone im Rheinvorland aufgeschiittet. Diese Aufschiittung wurde nach okologischen Gesichtspunkten angelegt und bepflanzt und hat sich inzwischen zu einem bedeutenden Refugium fiir Vogel, Amphibien und Pflanzen entwickelt. Der Naherholung des dichtbesiedelten Raumes dienen ausgedehnte Wanderwege, die langs des Aubeckens in dem mit zahh*eichen Feuchtbiotopen ausgestatteten Deponiegebiet vorbildlich geschaffen wurden. Zu den okologischen Untersuchungen und BegleitmaBnahmen treten bei einer Wasserkraftanlage im Stadtbereich noch stadtebauliche Kriterien hinzu. Die Auswirkung der Anlage auf den Charakter des Stadtgebietes, architektonische Gesichtspunkte und ihre soziookologischen Auswirkungen mtissen jeweils untersucht werden. Der Anspruch auf wirtschaftliche Energiegewinnung bleibt dabei ein Zielkriterium. SchlieBlich sei betont, daB durch Auflagen der Aufsichtsbehorden, aber auch durch FordermaBnahmen mit der Modemisierung und Sanierung alter Wasserkraftanlagen eine Aufwertung der Landschaft oder des angrenzenden Bebauungsgebietes erreicht wird, woftir sonst im allgemeinen keine Kostentrager zu finden sind. Mit technischem Konnen, architektonischem und sozialem Einfuhlungsvermogen, mit Phantasie und der Bereitschaft auch zu ungewohnlichen Losungen, lassen sich Wege finden, Landschaften und Stadtgebiete nach wie vor als lebendigen Organismus zu begreifen, dem jeweils ein unverwechselbares Geprage eigen ist und weiterhin eigen bleiben soil. 1.6

Mehrzweckaufgaben der Wasserkraft

Der Bau von Wasserkraftanlagen bietet neben der Gewinnung regenerierbarer Energie mannigfaltige Chancen fiir die Erfxillung einer ganzen Reihe wasserbaulicher, energiewirtschaftlicher, naturpflegender und stadtebaulicher Aufgaben. Dementsprechend sind viele Wasserkraftanlagen und darunter nahezu alle groBeren Anlagen Teil eines komplexen, iibergeordneten Systems, das verschiedenartige infrastrukturelle Aufgabenstellungen zu erfiillen hat und nur in seltenen Fallen allein der Nutzung der Wasserkraft und damit der Erzeugung von elektrischer Energie dient.

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1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Je nach urspriinglicher Anforderung konnen die Wasserkraftnutzung das primare Ziel und die zusatzlich zu tlbemehmenden Aufgaben einen Nebennutzen darstellen. GleichermaBen kann eine MaBnahme aber auch aus anderen Griinden realisiert und zusatzlich noch das zur Verfligung stehende Energiepotential des Wassers einer Nutzung zugefuhrt worden sein. Sind in diesem Sinne zusammen mit der Wasserkraftnutzung eine Anzahl anderer bedeutender, vielfach von den nattirlichen Gegebenheiten bestimmter Funktionen zu erfuUen, so bezeichnet man diese als Mehrzweckaufgaben. Zu diesen haufig miteinander verkntipften Mehrzweckaufgaben zahlen insbesondere [1.4]: - der Hochwasserschutz durch die Schaffung von kiinstlichem Speicherraum, der Hochwasserabfltisse infolge von starken bzw. lang andauemden Niederschlagsereignissen aufiiimmt, zeitlich verzogert wieder abgibt und so negative Auswirkungen in den anschlieBenden, tieferliegenden Gewasserabschnitten reduziert (s. Kapitel 18.2.1.3); - die Regulierung der Grundwasserstande und Gewasserstrecken, indem entweder die zum Teil erheblichen Schwankungen der Wasserspiegellagen im jeweiligen FlieBgewasser durch Staubauwerke gedampft oder eine bedeutende Sohleintiefung durch sogenannte StUtzschwellenbauwerke reduziert werden, um die indirekten negativen Auswirkungen der Grundwasserstandveranderungen auf Flora und Fauna sowie vor allem Bauwerke zu verringem bzw. zu vermeiden (s. Kapitel 18.2.2); - die Abgabe von Mindestwasser an den Unterlauf des Gewassers durch den Wasserruckhalt wahrend hoherer Abfliisse und anschlieliende Abgabe in Zeiten (extrem) niedriger Abfliisse, beispielsweise zum Erhalt der biologischen Funktionsfahigkeit und Durchgangigkeit eines Fliei3gewassers (s. Kapitel 18-20); - die Forderung der biologischen Vielfalt, indem FlieBgewasser ktinstlich aufgestaut werden und so neue Wasserflachen und Uferzonen entstehen, die die Ausbildung einer neuen Artenvielfalt gestatten (s. Kapitel 18); - die Speicherung und gezielte Abgabe von Trink- und Brauchwasser fur den menschlichen Verbrauch, die Tierhaltung sowie fur industrielle Prozesse durch den Bau von Talsperren unterschiedlicher GroBe (s. Kapitel 18.7); - die Sicherstellung der Schiffahrt durch die Regulierung von FlieBgewassem mit Hilfe kaskadenformig angeordneter einzebier Staustufen oder groBerer Sperrbauwerke einschlieBlich einer eventuellen Niedrigwassererhohung im Unterlauf, wodurch unter anderem erhebliche Treibstoffemsparungen zu erzielen sein konnen [1.5]; - die Schaffung von Arbeitsplatzen, die direkt oder indirekt mit dem Whtschaftsbetrieb Wasserkrafl zusammenhangen, und die Steigerung der lokalen Wertschopfung, da die innerhalb der Wertschopfiingskette notwendigen Primarenergietrager ortlich vorhanden und nicht bezogen bzw. importiert werden mtissen; - MaBnahmen zur dauerhaften Sicherung des Lebensunterhaltes und der Lebensqualitat, indem vor allem in ariden und semiariden Gebieten das dort nur temporar in groBerem Umfang vorkommende Wasserdargebot zwi-

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schengespeichert sowie gegebenenfalls aufbereitet wird und so beispielsweise eine landwirtschaftliche Bewasserung sowie Fischereiwirtschaft in diesen Speichem ermoglicht und auf diese Weise die vielfach vorhandenen gesundheitlichen sowie hygienischen Probleme reduziert werden (s. Kapitel 18.7); - die Schaffung von Freizeit- und Erholungsraum, indem das Landschaftsbild und die Struktur desselben bereichert und die Ausubung verschiedenartiger Sportarten am, auf und im Gewasser (Wandem, Radfahren, Angeln, Schwimmen, Segeln, Surfen, Tauchen etc.) sowohl fiir die lokale Bevolkerung als auch ^ r Touristen ermoglicht werden. Die Erftillung dieser Mehrzweckaufgaben einschlieBlich der Wasserkraftnutzung wirft zweifelsohne immer gesamtgesellschaftliche, d. h. gesamtwirtschaftliche, soziale und okologische Fragestellungen auf. Diese miissen in einem umfassenden AbwagungsprozeB bewertet und einer Entscheidung zugeftihrt werden, um im Falle der Projektverwirklichung oder deren Fortftihrung eine allgemeine Akzeptanz und gesellschaftspolitische Durchsetzbarkeit zu erzielen (s. a. Kapitel 3). 1.7

Wasserkraftnutzung im Spiegelbild der Energietrager

1.7.1

Nutzung von fossilen Energietragern und Kernbrennstoffen

Bereits vor iiber 600.000 Jahren vermochte der Mensch, das Feuer als Energiequelle zu nutzen. Er lemte in der Folgezeit, auBer mit Holz auch mit sich standig emeuemden Energien wie Wasser und Wind umzugehen. Nach der Erfindung der Dampfmaschine vor mnd 200 Jahren setzte die industrielle Entwicklung und damit einhergehend der enorme Anstieg des Energieverbrauches ein. Die sich wahrend Jahrmillionen gebildeten fossilen Energiequellen wurden ausschopfbar, zuerst die Kohle, dann das Erdol und das Erdgas. Der Kolbendampfmaschine folgten Ende des 19. Jahrhunderts die thermischen Stromungsmaschinen, deren Merkmale die Verwendung von erhitzten Gasen und Dampfen als Energietrager und die Umwandlung der Energie in standig durchstromten Schaufelradem dieser Dampfund Gasturbinen sind. In derartigen Kraftwerken erfolgt der Ubergang zunachst von Warme zu der im Dampf oder Gas gespeicherten potentiellen Energie, dann in kinetische und schlieBlich in mechanische Energie. Letztere iibertragt sich auf den mit der Turbine gekuppelten elektrischen Generator, der die Rotationsenergie in elektrischen Strom umwandelt. In der zweiten Halfte des 20. Jahrhunderts traten zu den konventionellen Warmekraftwerken die nuklearen Kraftwerke hinzu, bei denen die fur die Erzeugung von hochgespanntem Wasserdampf notwendige thermische Energie aus der Kemspaltung vor allem von Uran oder Thorium stammt. Den weitaus groBten Anteil an elektrischer Energie liefem weltweit die thermischen Kraftwerke, jedoch werden sich je nach Auffinden neuer Lagerstatten binnen unterschiedlicher Jahrzehnte oder Jahrhunderte die Brennstoffvorrate an Kohle, Erdol, Erdgas und Spaltelementen erschopfen. Mit der zunehmenden Verknappung dieser Energien sind Preissteigerungen zu erwarten.

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1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

1.7.2

Nutzung erneuerbarer Energien

Aufgrund der begrenzten Vorkommen und der Umweltbelastung durch thermische Energien treten die emeuerbaren Energien und deren technischen Nutzungsarten in den Vordergrund. Sie leiten sich direkt aus der Sonnenstrahlung ab. Erschöpfliche Fossile Energiequellenn Energieträger Kernspaltungsenergie

Gesamtes "*^"ieangebot

Unerschöpfliche Energiequellen Sonnenenergie Geothermische Energie Rotationsenergie der Erde (Gezeiten) 1—, j ^ -5:*—-— ^"^ ^^1^ ^AGezeitenkraftwerk

Sonnenstrahlung

^""^ ' A O Geothermisches Heiz-/ O Sonnenkollektor Kraftwerk Windenergie O Absorber Thorium Erdöl UmgebungsO passive Nutzung Wind- I^T^^i^^'^^- ^ASolarthermisches Kraftwerk wärme Erdgas generator A Solarzelle Biomasse OWärmepumpe ,,,,„^ Photovoltaisches Wasserkraft OHeizkessel Kraftwerk ^ O Kericht-Heiz-/ Wellenenergie Kraftwerk I I PhotoelektroA Wasser^•'''r~^ T-> • 1 Erzeugte Energie Biogasanlage chemische Zellen Meereskraftwerk A Wärme wärme ^ A Wellenkraftwerk 0 Strom A Meereswärmekraftwerk 1 I Brennstoff E n e r g i e q u e l l e Umwandlungsanlage

Uran

Kohle

13

A b b . 1.2:

^

Ubersicht iiber die erschopflichen und unerschopflichen Energien [nach 1.6]

Die Leistungsdichte der Sonneneinstrahlung vor dem Eintritt in die Atmosphare betragt 1,37 kW/m^. Hiervon treffen aufgrund von Absorption, Streuung und Reflexion innerhalb der Atmosphare schlieBlich etwa 0,3 kW/m^ bei unbewolktem Himmel auf die Erde. Bei direkter Nutzung der Sonnenstrahlung erfolgt die Energieerzeugung gleichzeitig, d. h. sie ist nur bei Sonnenschein moglich. Die indirekte Nutzung kann dagegen durch die Lageenergie des Wassers, durch die Bewegungsenergie von Wellen und Wind, femer durch die Warmeenergie der Umgebung und durch die chemische Energie in den Pflanzen geschehen. Die ebenfalls technisch nutzbare Gezeitenenergie (Ebbe und Flut) ergibt sich aus der wechselnden Anziehungskraft von Erde, Mond und Sonne, wahrend die geothermische Energie (Erdwarme) sich aus den teils fliissigen und sehr heiBen Tiefenbereichen des Erdinnem erklart. Eine Ubersicht iiber die erschopflichen und unerschopflichen Energien vermittelt Abb. 1.2. Des weiteren ist in Abb. 1.3 schematisch die Energiebilanz der Erde dargestellt. Aus dieser geht u. a. hervor, dai3 in bezug auf die eingestrahlte Sonnenenergie global nur 0,04 %o an Primarenergie genutzt werden. In Industrielandem steigt dieser Wert auf ca. 1 %. Uber 9/10 dieses Primarenergieverbrauches entfallen auf die fossilen Brennstoffe Steinkohle, Braunkohle, Holz, Ol und Erdgas.

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung eingestrahlte Sonnenenergie 100 %,

Abb. 1.3:

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Reflexion an der Lufthülle 31 % Absorption in der Lufthülle 17,4 % Reflexion an der Erdoberfläche 4,2 % Einstrahlung auf Kontinente 14,4 % Primärenergieverbrauch 0,004 % -inBiomassegespeichert 0,18 % * Erdwärme^0,02%^ ' Gezeiten 0,002 % Einstrahlung auf Meere I 33 %

Energiebilanz der Erde [nach 1.6]

Uber die Leistungsdichte emeuerbarer Energiequellen gibt die Tabelle 1.1 Auskunft. Die technischen Anlagen zur Nutzung emeuerbarer Energien erfahren derzeit eine vielseitige Weiterentwicklung und Optimierung. So entwickelten sich aus dem Jahrtausende zuruckreichenden Wasserrad die heutigen Turbinen in Wasserkraftwerken und aus der Windmiihle die Windkraftanlagen (Windrader), die beide der indirekten Nutzung der Sonneneinstrahlung zuzuordnen sind. Die direkte Nutzung der Sonneneinstrahlung kann durch ein Aufsvindkraftwerk vorgenommen werden, wie es als jiingste Entwicklung aus der Kombination von Windrad, Kamin und Treibhaus mit Prototypen Aufsehen erregt hat [1.7]. Als weitere technische Entwicklungen zur Nutzung der direkten Sonneneinstrahlung sind die Rinnenkollektoren (Flachkollektoren) aus Brennglasem entstanden, femer das Turmkraftwerk (solarthermisches Kraftwerk) aus dem Sonnenkocher und der Parabolspiegel aus dem Hohlspiegel. Die Photovoltaik erlaubt wie das Aufwindkraftwerk die Nutzung der direkten und diffusen Sonnenstrahlung. Hier wird das Sonnenlicht durch Solarzellen (u. a. aus Silicium) unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt. Tabelle 1.1: Leistungsdichte nutzbarer emeuerbarer Energiequellen 1 Energiequelle 1 Sonnenstrahlung Wind 1 Gezeitenstromung Wellenenergie 1 Erdwarme 1 Wasserkraft

Leistungsdichte [kW/m^] 0,25 0,13 0,002 14,5 0,00006 108

Anmerkung auf ebene Erdoberflache bei 6 m/s; bei 20 m/s: 1,04 kW/m^

|| 11

je m Wellenfront; Wellenhohe 1,5 m

11

bei 6 m/s DurchfluBgeschwindigkeit

|

16

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

1.7.3

Kriterien der Energieversorgung und Vergleich der Energieerzeugungsformen

Zur ausreichenden Energieversorgung der Bevolkerung sind grundsatzlich alle verfiigbaren Energiequellen und Energietrager im Hinblick darauf zu nutzen, daB die Energiepolitik einen Teil der Wirtschaftspolitik ist. Letztere ist im Prinzip auf wirtschaftliches Wachstum und Vollbeschaftigung mit Preisstabilitat und gesamtwirtschaftlichem Gleichgewicht ausgerichtet. Auch diirfen von der Energieversorgung keine Gefahren ftir Leben und Gesundheit der Menschen ausgehen, ebenso sollte die Umwelt so gering wie moglich belastet werden. Dies gilt fiir die lokale als auch fiir die globale Okosphare zur Sicherung der Lebensgrundlagen der jetzigen und kiinftigen Generationen. Treibhauseffekte und Ozonloch weisen auf die erdumspannenden Dimensionen der Klimabelastungen hin. Erklartes Ziel ist daher, den AusstoB von Kohlendioxyd, Schwefeldioxyd und Stickstoffoxyden mittelfristig drastisch zu senken, was nur durch Reduzierung des Energieverbrauches, durch Steigerung der Energieeffizienz und durch erhohten Emsatz umweltfreundlicher, emeuerbarer Energien zu erreichen sein wird. Die Bevolkerungsexplosion in den Landem der Dritten Welt laBt einen Anstieg von derzeit ca. 6 Mrd. Menschen binnen der nachsten drei Jahrzehnte um mehr als die Halfte erwarten. Damit erhoht sich ebenso die Nachfrage nach Gtitem, technischen Einrichtungen und Dienstleistungen, und diese haben einen mit dem wirtschaftlichen Wachstum einhergehenden Energiezuwachs zur Folge (s. Abb. 1.4). Die ungleiche Verteilung von Lebensstandard und Energiebedarf iiber die Erde hinweg zeigt sich darin, dafi 80 % des KohlendioxydausstoBes auf 25 % der Weltbevolkerung zurtickgehen. Es liegt nahe, daB selbst bei einer betrachtlichen Reduzierung der Schadstoffemissionen in Industrielandem deren positive Entwicklung auf das Weltklima schnell wieder durch Industrialisierung und Energieverbrauch in den Schwellen- und Entwicklungslandem weitgehend kompensiert wird. Dieser bedrohlichen Entwicklung kann nur durch Ausschopfiing aller Moglichkeiten fiir den Ersatz der emissionstrachtigen Energietrager durch umweltfi*eundliche Energieressourcen begegnet werden. In naher Zukunft kann der Bedarf an elektrischer Energie je nach Land und Region zum groBen Teil nur durch fossile Energien, durch Kemenergie und Wasserkraft gedeckt werden. Die anderen emeuerbaren Energien miissen nachkommen. GroBe und kleine Wasserkraftanlagen werden auf Jahrzehnte hinaus unter den erneuerbaren Energiequellen die giinstigsten Voraussetzungen fiir erne umweltfreundliche Energieerzeugung sicherstellen. Ihr EinfluB auf den Lebensraum des Menschen und auf die Biosphare halt sich in engen Grenzen, wie dies insbesondere aus dem Vergleich der verschiedenen Emissionen der unterschiedlichen Energieerzeugungsformen m Kapitel 18.1 entnommen werden kann. Nach Stand von 1998 werden die seither entdeckten, globalen, technisch und whtschaftlich ausschopfbaren Energieressourcen unter Voraussetzung der heutigen Forderraten und Verbrauchsprognosen beim Erdol noch bis zu ca. 90 Jahre, beim Erdgas bis zu etwa 145 Jahre, bei Steinkohle ca. 180 Jahre und bei Braunkohle ca. 225 Jahre ausreichen.

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

Abb. 1.4:

17

Entwicklung von Weltbevolkerung und Stromverbrauch

Wie nach jiingsten Daten sich in Deutschland die Elektrizitatsversorgung auf verschiedene Energiequellen stiitzt, geht aus der Tabelle 2.6 hervor. Da ein derartiges, von mehreren Energietragem gepragtes Energieversorgungssystem eine groBe Flexibilitat und Versorgungssicherheit gewahrt, besteht keine einseitige Abhangigkeit. Sowohl kostengiinstig als auch umwelt- und ressourcenschonend soil ein die Erzeugung, Umwandlung, Verteilung und Nutzung umfassendes Energieversorgungssystem sein. Hierbei kommt der Klimavertraglichkeit eine sehr groBe Bedeutung zu. Die Nutzung der verschiedenen Energieressourcen hat daher technischen, okologischen, ethischen, sozialen, gesellschaftspolitischen, aber auch okonomischen Anforderungen zu gentigen. Zielkonflikte sind hierbei nicht ausgeschlossen. Zur Verminderung der Kohlendioxydemission konnte innerhalb der fossilen Energietrager die Bevorzugung von Mineralol oder Erdgas als weniger kohlenstoffhaltige Energiequellen in Frage kommen. Auf Erdgasbasis arbeitende Warmekraftwerke (Gasturbinen-Kraftwerk oder Kombi-Kraftwerke, bestehend aus Gasturbine, Abhitzekessel und Dampfturbine) haben einen bis zu 60 % niedrigeren KohlendioxydausstoB als Kohlekraftwerke. Bei Erdgas handelt es sich jedoch um einen der wertvollsten Energietrager und Rohstoffe, der ungeachtet der groBen, jedoch absehbar sich erschopfenden Lagerstatten und ungeachtet der weitaus geringeren Kraftwerksbaukosten nicht auf Dauer als Substitution fiir Braunund Steinkohle in Frage kommen sollte. hmerhalb eines Energieversorgungssystems nehmen heute erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke als Bestandteile sogenannter dezentraler Energieversorgung einen sehr wichtigen Platz ein. Einen interessanten AufschluB iiber die verschiedenen Arten der Energieerzeugung vermittelt Tabelle 1.2 unter Heranziehung umweltrelevanter KenngroBen. Hierbei driickt die sogenannte Energieriickzahlzeit jene Zeitspanne fiir den Betrieb aus, innerhalb derer die gleiche Energiemenge erzeugt wird, als wie sie fiir

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1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

die Herstellung der Kraftwerksanlage und fur den laufenden Betrieb benotigt worden ist. Tabelle 1.2:

Vergleich verschiedener Energiequellen [1.4]/[l.8]

IlKleinwasserkraft iLaufwasserkraft ISpeicherwasserkraft llPhotovoltaik (Strom) llSolarthermie (Warme) Windkraft iBiomasse (Warme) iKohlekraftwerk lOlkraftwerk llErdgaskraftwerk ||Kemkraft (Uran)

Energieruckzahlzeit [a] 2-3 1-2 1-2 3-8 0,5-5 0,6-2 10-20 2 2 2

L

1

Emtefaktor [-] 40-100 100-200 100-200 3-5 20-100 9-30 10-20 30-80 10-30 4-30 ?-100

Ausnutzungs- Nettowirkungs-1 dauer [h/a] grad [%] ca. 6.000 65-88 ca. 8.000 ca. 2.500 ca. 1.500 5-15 ca. 1.500 ca. 25 ca. 2.000 32-40 ca. 40 ca. 8.760 25-42 ca. 6.500 22-38 ca. 6.000 25-55 (-ca. 70) ca. 6.000 ca. 7.500 ca. 40 1

Ahnlich bezeichnet der Emtefaktor das Verhaltnis der wahrend der Betriebsdauer erzeugten Energie zu jener Energiesumme, die fur Herstellung, Betrieb und Abbruch eines Kraftwerkes aufzubringen ist, wobei jeweils eine gleich grolJe Betriebsdauer zugrundegelegt wird und eine Umrechnung auf vergleichbare Primarenergietragereinheiten erfolgt. Aktuelle nordamerikanische Untersuchungen [1.9] auf der Basis der Lebenszyklus-Analyse mit einem lOOjahrigen Betrachtungszeitraum, die problemlos auf Europa tibertragen werden konnen, haben ftir den Emtefaktor gemaB Abb. 1.5 analoge Werte wie die in Tabelle 1.2 wiedergegebenen Werte aus den 1990er Jahren erbracht. In beiden Studien zeichnen sich die unterschiedlichen Wasserkraftanlagentypen durch einen bedeutend hoheren Emtefaktor als alle anderen Energieerzeugungsformen aus. Dartiber hinaus sind aus der Tabelle 1.2 die Vergleichswerte ftir die Ausnutzungsdauer zu entnehmen, also jener Zeit pro Jahr - ein Jahr umfaBt 8.760 Stunden -, in denen die Anlagen am Netz sind und Leistung erzeugen. Insbesondere Wasserkraftanlagen aller Typen sind hierbei neben der Maschinenverfiigbarkeit (s. Tabelle 17.3 und Kapitel 3.3.1.6) vor allem vom natiirlichen Wasserdargebot abhangig.

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

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Erntefaktor (erzeugte Energie/investierter Energie) mit begrenzter Anpassungsfähigkeit 300

250

200

^m ^^

Repräsentativwerte für vorhandene Technologien, gültig für die nordöstliche Region von Nordamerika

C

Wertebereich der in der Literatur weltweit veröffentlichen Angaben; diese Werte repräsentieren die weltweit unterschiedlichen Energiesysteme.

150

100

50 21

16

14

0

Abb. 1.5:

Emtefaktoren verschiedener Energieerzeugungsformen [1.4]/[1.9]

SchlieBlich gehen aus dieser vergleichenden Aufstellung in Tabelle 1.2 und in Abb. 1.6 auch noch die Nettowirkungsgrade hervor, die im thermischen Bereich und vor allem bei der Sonnenenergienutzung eine stete Steigerung infolge des Entwicklungsfortganges erfahren. Die aufgefiihrten Zahlenwerte lassen die gunstigen Relationen fiir die mit Erdgas befeuerten Warmekraftwerke erkennen, die in der Gegeniiberstellung zu Wasserkraftwerken ebenfalls Vorteile verdeutlichen. Hinzu kommt, daB Genehmigungs- und Planungszeiten fiir ein gasbefeuertes Blockheizkraftwerk in den allermeisten Fallen nicht einmal ein Drittel jener bei Wasserkraftwerken ausmachen. Femer ist die Amortisationszeit gegeniiber einem Wasserkraftwerk ebenfalls weitaus ktirzer. Der Wirkungsgrad dieser Anlagengruppe weist allerdings in Abhangigkeit des Bautyps starke Unterschiede auf. So bewegen sich reine Gaskraftwerke im unteren Bereich, wahrend kombinierte Gasund Dampfkraftwerke, die sogenannten GUD-Anlagen, am oberen Bereich liegen. Die Betriebskosten der Wasserkraftanlagen liegen hingegen auf einem bestechend niedrigen Niveau von lediglich etwa 20 bis 25 % derjenigen von thermischen Anlagen, wobei hierbei das Fehlen von „Brennstoffkosten" besonders zu Buche schlagt.

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

20

100 Elektrischer Nettowirkungsgrad [%]

orv

"- -"

80 60

40

20

. Kerngp_ kraftTIl- und • werke Gaskraftwerke Gasturbinenkraftwerke

kraftwerke-

Photovoltaikanlagen 0 0,01

1

0,1

10

100

1.000

Elektrische Nennleistung 10.000 [MW]

Nettowirkungsgrade verschiedener Kraftwerkstypen in Abhangigkeit der elektrischen Nennleistung (Blockleistung) [1.10]

Abb. 1.6:

SchlieBlich erfaBt der Flachenbedarf gemaB Abb. 1.7 bei Wasserkraftwerken nicht nur die Grundflache der Kraftwerksanlage selbst, sondem vor allem bei Speicherwasserkraftanlagen auch das iiberstaute Areal. Dabei muB berucksichtigt werden, daB in vielen Landem die Speicher nicht nur zur Energieerzeugung angelegt wurden. Vielmehr dienen diese Anlagen auch weiteren Zwecken, wie beispielsweise der Trinkwasserbevorratung, dem Hochwasserschutz oder dem Tourismus. Bei derartigen Mehrzweckanlagen (s. Kapitel 1.6) muB somit bei emer Flachenbetrachtung eine Nutzungsaufteilung erfolgen. 2

Flächenbedarf [km /TWh]

600

Grundund _ Spitzenlasteinsatz

Grundlastkraftwerke mit begrenzter Anpassungsfähigkeit

Repräsentativwerte für vorhandene Technologien, gültig für die nordöstliche Region von Nordamerika

500

Wertebereich der in der Literatur weltweit veröffentlichen Angaben; diese Werte repräsentieren die weltweit unterschiedlichen Energiesysteme.

400

300

200 152 100

0

Abb. 1.7:

0,1

4

0,5

<^^ Direkter Flachenbedarf verschiedener Energieerzeugungsformen [1.4]/[l .9]

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

21

In technischer Hinsicht besticht die Wasserkraft bei einem Vergleich mit anderen regenerativen Energietragem durch ihre in der Kegel permanent hohe Verfiigbarkeit tiber das ganze Jahr, womit ihr im Kahmen der gemischten regenerativen Stromangebote eine besondere Bedeutung zuwachst. Im westeuropaischen Kaum liegt die Leistungsverfiigbarkeit bei Laufwasserkraftanlagen bei 96,8-97,6 % und deren Arbeitsverfiigbarkeit bei iiber 98 %. Bei Pumpspeicherkraftwerken ist die Zeitverfilgbarkeit, also die Zeit, wahrend der die Anlagen in Betrieb oder in Bereitschaft sind, die entsprechende KenngroBe, die in Deutschland in der Kegel bei iiber 86 % liegt. Gerade bei Pumpspeicherkraftwerken wird die kurzfristige Verfugbarkeit kUnftig eine immer bedeutendere Kolle spielen, um die notwendigen Steuer- und Kegelungsaufgaben innerhalb des hochentwickelten westeuropaischen Stromverbundnetzes den Kundenansprtichen entsprechend sicherzustellen (s. Kapitel 17.6 und 17.7). Bei einer Betrachtung der umweltrelevanten Gesichtspunkte in den zahlreichen verfugbaren Vergleichen der verschiedenen Energieerzeugungsformen und deren detaillierter jeweiliger Einzelbetrachtung kommt man schlieBlich stets zur zentralen Aussage fiir die Wasserkraft, daB diese Anlagen einerseits die Umwelt global gesehen nur sehr gering belasten und andererseits auf lokaler Ebene jedoch mannigfaltige Beeintrachtigungen haben konnen (s. Kapitel 18-20). 1.7.4

Kiinftige Entwicklung der Wasserkraftnutzung

Die Wasserkraftnutzung bringt einige Unwagbarkeiten mit sich. Diese liegen in der wassermengenwirtschaftlichen Bewertung, in der hauptsachlich vom Baugrund und von eventuellen Umsiedlungen abhangigen Standortfrage, in der Akzeptanz und in der Durchsetzbarkeit. Dies gilt ebenso fiir die Untersuchungsserien einer Umweltvertraglichkeitspnifiing und fiir Kosteniiberschreitungen. Doch darf nicht ubersehen werden, daB in den allermeisten Fallen mit der Wasserkraftnutzung eine groBere Anzahl anderer, vielfach von den natiirlichen Gegebenheiten bestimmten Mehrzweckaufgaben zu erfullen sind (s. Kapitel 1.6). Besonders m Entwicklungslandem erweisen sich die Umsiedlungsfragen als sehr heikel, da den betroffenen Menschen vorwiegend nicht die gebiihrenden Entschadigungen fiir den Landverlust und fiir die Wiederansiedlung auf fremdem Boden gezahlt werden (s. Kapitel 18.6). Hieraus resultieren erhebliche Akzeptanzprobleme und haufige, oft iiberregionale Widerstande gegen groBe Wasserkraftprojekte. Da weltweit rund 2,4 Mio. MW an Wasserkraftwerksleistung installiert werden konnen, aber hiervon derzeit nur etwa ein Funftel ausgebaut sind, wird sich in den nachsten Jahrzehnten ein Bauboom fur Wasserkraftanlagen einstellen. Um fiir die von UmsiedlungsmaBnahmen betroffenen Menschen auskommliche Lebensbedingungen andemorts, d. h. in nachster Umgebung der kunftigen Stauraume von Speicherkraftwerken zu schaffen, hat die Weltbank zusammen mit den zustandigen staatlichen Institutionen Kahmenrichtlinien vorgegeben. Als zumutbare Kriterien fur die diesbezugliche Weiterverfolgung von GroBprojekten werden beispielsweise als Minimum fiir nutzbare Ausbauleistung 5 kW pro Hektar kunftig iiberfluteter Flache und 7 kW pro umzusiedebiden Bewohner angesehen. Insbesondere in Europa muB sich die Wasserkraft vor dem Hintergrund der in den letzten Jahren bedeutend gefallenen Energiepreise fiir fossile Energietrager

22

1 Entwicklungsstufen der Wasserkraftnutzung

und der verstarkt wirkenden Liberalisierung der Energiemarkte als Energiequelle weiterhin positionieren [1.11]. Eine bereits in vielen Fallen mit unterschiedlicher Auspragung zur Anwendung gelangte Moglichkeit stellt fiir die Wasserkraft, die als emeuerbare Energiequelle unter Energieerzeugungsgesichtspunkten weitgehend positive Umweltauswu*kungen hat, die Kennzeichnung mit einem Umweltzeichen bzw. Herkunftszertifikat, auch als „Label" bezeichnet, dar (s. a. Kapitel 16.6.5.4). Auch wird mit der weiteren Nutzung dieser Energiequelle und den kontinuierlichen, nachhaltigen VerbesserungsmaBnahmen im Einzugsgebiet der Erzeugungsanlagen ein bedeutender Beitrag zum Schutz unserer Umwelt geleistet. 1.8 [1.1]

Literatur

Tonsmann, F.: Zeittafebi zur Geschichte der Wasserkraftnutzung. In: Berichtsband zur Tagung Geschichte der Wasserkraftnutzung (Koblenz 1982). Koblenz, 1985, Seite 113-115 [1.2] Doring, M.; Scheuermann, G.: Das Wasserkraftwerk Drei-Btider-Schacht bei Freiberg/Sachsen. In: Wasserwirtschaft, Wassertechnik 45 (1995), Heft4, Seite 31-36 [1.3] Doring, M.: Unterirdische Wasserkraftwerke im Bergbau. In: Wasserwhtschaft 83 (1993), Heft 5, Seite 272-278 [1.4] Heimerl, S.: Systematische Beurteilung von Wasserkraftprojekten. In: Mitteilungen des Institutes ftir Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2002, Heft 112 [1.5] Mosonyi, E.: The Benefits of run-of-river plants for inland navigation. In: Hydropower & Dams 2 (1995), Heft 5, Seite 85-88 [1.6] Informationsstelle fiir Elektrizitatsanwendung (Hrsg.): Emeuerbare Energien. Zurich [1.7] Schlaich, J; Schlaich, S.: Emeuerbare Energien nutzen. DUsseldorf: Werner-Veriag, 1991 [1.8] Cap, F.: Graue Energie und der Treibhauseffekt. In: Osterreichische Zeitschrift fiir Energiewirtschaft 45 (1992), Heft 12, Seite 507-519 [1.9] Gagnon, L: Comparing Environmental Impacts of Power Generation Options. Untersuchungen der Hydro Quebec, Kanada, kn Auftrag der Internationalen Energie-Agentur, 2000 [1.10] Geiger, B.; Wagner, U.: Strom - umweltschonende Energieversorgung von der Erzeugung bis zur Anwendung. In: Siemens Power Journal 1997, Heft 4, Seite 5-10 [1.11] Giesecke, J.; Heimerl, S.: Wasserkraftnutzung im sich verandemden Strommarkt. In: Osterreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 51 (1999), Heft 9/10, Seite 242-248

23

2

Grundlagen der Wasserkraftnutzung

2.1

Energie des Wassers

2.1.1

Energie des ruhenden Wassers

Die Energie des ruhenden Wassers, d. h. die Lageenergie oder die sogenannte potentielle Energie, ist die mechanische Energie, die ein Wasserkorper aufgrund seiner Lage relativ zu einem sogenannten Bezugsniveau aufweist. So besitzt ein Korper der Masse m im Schwerefeld der Erde die potentielle Energie: Ep =

^ . g - m - h , 3,6-10''

[kWh]

(2.1)

mit: - + Z--

••HD+Z--

Pahs

Pamb

+z

(2.2)

[m]

P>vg

ho Z Pw

P Pahs Pamh

160

[kWh] [m/s^] [kg] [m] [m] [m] [kg/m']

potentielle Energie Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s^) Masse potentielle Energiehohe Druckhohe geodatische Hohe Dichte des Wassers fur T= 10°C; p^ = 999,73 kg/m^ s. Tabelle 6.1 tjberdruck absoluter Druck Atmospharendruck

^p

g m h,

150

Abb. 2.1:

140

130

120

110

100

90

80

70

60

[N/m^] [N/m^] [N/m^]

50

40

Staukette des Rheins zwischen dem Bodensee und Basel

30

20

10 km0

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

24

Es bleibt zu vermerken, daB es sich bei dem hier angegebenen Wert 9,81 m/s^ fiir die Erdbeschleunigung g um einen Mittelwert handelt, der sich tatsachlich zu 9,78 m/s^ am Aquator und zu 9,83 m/s^ am Nord- bzw. Stidpol der Erde ergibt. Das Wesen der Wasserkraftnutzung besteht nun darin, die Lageenergie des Wassers durch z. B. Aneinanderreihen mehrerer Stauwerke und Talsperren entlang eines Wasserlaufes nutzbar zu machen, indem die so ortlich konzentrierte Fallhohe abgearbeitet wird. Hierbei ist fiir die Energieausnutzung langs einer derartigen Kaskadenstrecke (s. Abb. 2.1) von Bedeutung, ob die Stauwurzel der unteren Stauhaltung an das Sperrbauwerk (Wehr, Staudamm, Staumauer etc.) der oberen nachstfolgenden heranreicht oder nicht. Eine weitere Moglichkeit bietet sich gemaB Abb. 2.2 mit der Verktirzung der FlieBstrecke (FluBkriimmung), dem Aufstau durch eine Talsperre im Oberlauf und der am Standort des Kraft:werkes am Unterlauf konzentrierten Fallhohen an.

Abb. 2.2: 2.1.2

Wasserkraftanlage mit FHeBstreckenverkiirzung in einer FlieBgewasserkriimmung (DruckstoUenkraftwerk - italienische Bauweise) [2.1] Energie des flieOenden Wassers

Die Energie des flieBenden Wasser, d. h. die Bewegungsenergie oder die sogenannte kinetische Energie ist die mechanische Energie, die einem Korper - idealerweise einer Punktmasse - aufgrund seiner Geschwindigkeit innewohnt. So besitzt ein Korper der Masse m mit einer Geschwindigkeit v relativ zu einem Bezugssystem die kinetische Energie: 1 -g-m-k 3,6-10'

'jfi'a'V

2'3,6'10'

[kWh]

(2.3)

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

25

mit: h=a~

[m]

(2,4)

Ek kinetische Energie [kWh] hk kinetische Energiehohe [m] a Coriolis-Beiwert, vereinfachend a= \ [-] V Geschwindigkeit, vereinfachend querschnittsgemittelt [m/s] Der Coriolis-Beiwert a stellt einen Korrekturbeiwert fur die Geschwindigkeiten im jeweiligen Querschnitt dar, durch den die im allgemeinen ungleichmafiige Verteilung der Geschwindigkeit iiber den Querschnitt beriicksichtigt wird. Haufig wird jedoch vereinfachend der Beiwert a = 1 gesetzt, wobei dies bei Querschnitten mit sehr ungleichmaBiger Geschwindigkeitsverteilung zu groBeren Fehlem fuhren kann. Zusatzlich zur potentiellen Energie wird bei der Wasserkraftnutzung die kinetische Energie genutzt, wie es heute durch den Einsatz von Turbinen geschieht. Dieser Energieanteil wurde bereits vor mehreren tausend Jahren mit sogenannten unterschlachtigen Wasserradem abgearbeitet; die potentielle Energie wurde erst sehr viel spater durch kiinstlichen Aufstau mittels sogenannter mittel- oder oberschlachtiger Mtxhlrader genutzt. 2.1.3

Nutzbare Gesamtenergie des fliefienden Wassers

Der Ursprung der Wasserkraft ist solar, denn erst durch die Sonneneinstrahlung wird der hydrologische Kreislauf in Gang gehalten. Die Gesamtenergie des Wassers ergibt sich damit aus der Summe der potentiellen und der kinetischen Energie zu:

E = Ep^E,=

J

'g'm'(h,+k)

[kWh]

(2.5)

3,0 10 E

Energie

[kWh]

Der in der Formel (2.5) enthaltene Term (hp + hjj ist in Verbindung mit den Beziehungen (2.2) und (2.4) auch als Bernoulli- oder Energiegleichung fiir ideale FlUssigkeiten bekannt und stellt die Energiehohe hs des Wassers Uber einem Bezugshorizont dar (s. Abb. 2.3): P v' hE=hp+h=—^^—-^z + -— P>vg 2'g HE

Energiehohe

[m]

(2.6) [m]

Da in der Praxis aber niemals ideale Zustande anzutreffen sind, muB die Gleichung (2.6) dahingehend erweitert werden, daB diese auch bei reibungsbehafteten FlUssigkeiten anzuwenden ist und damit die EinflUsse von Reibung, Oberflachenspannungen, Turbulenzen etc. berUcksichtigt werden. Es wu-d daher die Verlusthohe Kj als charakteristische Lange eingefuhrt, wobei man die kontinuierlichen Verlusthohen entlang eines Weges, in Abb. 2.3 z. B. K^oi zwischen den Punkten 0 und 7, sowie die ortlichen Verlusthohen, die konzentriert

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

26

an einem bestimmten Punkt, beispielsweise an einem Ventil, auftreten, unterscheidet. Y . . k1

E

0

SL

0 W

v2/:

v02/2g

v01

. .^. . V . .

E1

v 1 2 /2g

Oberwasser

f,N f,B

E2...

hp0

v 23

v0

h T-'

E3.,

z0

Bezugshorizont Abb. 2.3:

0

Prinzip der Energieumwandlung (geschlossene Leitung zwischen den Punkten 0 und 3)

Die sogenannte erweiterte Bemoullische Gleichung lautet dann: 2

(2.7) Die ortlichen Verluste h^j werden, da sie im wesentlichen vom Quadrat der FlieBgeschwindigkeit v abhangen, im allgemeinen Verlustansatz erfaBt: //,,=C--^ 2g hyj Ci

[m]

Verlusthohe Verlustbeiwert

(2.8) [m] [-]

Die kontinuierlichen Verluste beruhen uberwiegend auf der inneren Fliissigkeitsreibung und werden vielfach auch als Wandreibungsverluste bezeichnet und ebenso durch einen von Fliissigkeit und Berandung abhangigen Verlustbeiwert <^ beriicksichtigt.

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

27

Die Verlusthohe entlang einer FlieBstrecke vom Punkt 1 bis zum Punkt N setzt sich infolge der vielfaltigen unterschiedlichen Beeinflussungen aus einer Summe von n Einzelverlusten zusammen und ergibt sich zu:

K.iN=Y,^j=Y,'^>~

[m]

(2.9)

Die GroBen der im einzelnen anzusetzenden Verlustbeiwerte werden an den entsprechenden Stellen noch detaillierter beschrieben werden. Die Drucke po bis zum Punkt 0 und/?5 ab dem Punkt 3 in der Abb. 2.3 entsprechen in der Kegel dem Atmospharendruck pamb, da es sich hier meist um Freispiegelgeriime handelt. Aus der Massenbilanz zwischen den Querschnitten 1 und 2 (s. Abb. 2.3) ergibt sich unter der Annahme, dafi die FlUssigkeit homogen und inkompressibel ist, was fur Wasserlaufe in der Kegel angenommen wird, die sogenannte Kontinuitatsgleichung: Q= [v'dA=vrAi=V2'A2=

const.

[mVs]

(2.10)

A

Q DurchfluB [mVs] A DurchfluBquerschnitt [m^] Eine fur die Wasserkraftnutzung besonders wichtige KenngroBe stellt die abgegebene elektrische Leistung P dar, die den Zusammenhang zwischen dem nutzbaren DurchfluB Q und der vorhandenen Fallhohe hf verdeutlicht, wobei hier zusatzlich noch eine tJberschlagsformel zur Vordimensionierung integriert ist [2.1]:

P = ^
= Cp-Q-hf [kW]

(2.11)

(elektrische) Leistung [kW] Gesamtwirkungsgrad [-] Fallhohe [m] Leistungsuberschlagsbeiwert(incl. Generator, Trafo etc.): [kg/s^m^] cp « 8,0 fiir Kleinwasserkraftanlagen: fur mittlere Wasserkraftanlagen: cp « 8,5 fiir groBere Wasserkraftanlagen (> 50 MW): cp » 8,8 Bei dieser KenngroBe sind einige unterschiedliche Leistungsbegriffe in Gebrauch, wobei hier vor allem Brutto-, Netto-, Nerm- und EngpaBleistung sowie die unter Abschnitt 3.2.3 beschriebene Ausbauleistung hervorzuheben sind. Die elektrische Bruttoleistung eines Maschinensatzes ist dabei die an den Generatorklemmen abgegebene elektrische Leistung, und die Nettoleistung ist diejenige, die an der Oberspannungsseite des Maschinetransformators abgegeben wu*d, verringert um den elektrischen Leistungsbedarf aller Hilfs- und Nebenanlagen. Die Neimleistung wird bei Wasserkraftanlagen ublicherweise nur fur einzelne Maschinensatze verwendet und bringt die hochste Dauerleistung zum Ausdruck, fur die die einzelne Maschine bestellt wurde. Die EngpaBleistung einer Wasserkraftanlage, die international auch als maximale Leistung bezeichnet wird, ist die hochste von der gesamten Anlage mit alien Maschinensatzen dauemd ausfahrbare elektrische Lei-

28

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

Stung, wobei vorausgesetzt wird, daB sowohl DurchfluB als auch Fallhohe einen optimalen Wert aufweisen; bei Laufwasserkraftanlagen entspricht diese haufig der Ausbauleistung. Die mit der Wasserstromung in der Triebwasserzufilhrung entstehenden Energieverluste Ay,/ (s. Abb. 2.3) infolge Reibung, Umlenkungen, Eintritts- und Austrittsverlusten, Querschnittsanderungen, VerschluB- und Regelorganen etc., werden in (2.11) durch den sogenannten totalen Wirkungsgrad r{tot erfaBt, in dem zusatzlich auch die EnergieeinbuBen der Maschinengruppen, des Getriebes bzw. Riemenantriebes - sofem vorhanden -, der Umspannanlage etc. sowie die Entnahme zur Eigenversorgung der Wasserkraftanlage eingeschlossen sind: ^tot

=^L'^T

' ^Getriebe ' ^G ' ^Trafo ' '^Eig

["]

(2.12)

ijtot T]L

Gesamtwirkungsgrad: rjtot = 0,70-0,80 [-] Wirkungsgrad der Triebwasserzuleitung: J7L = (hf- K,i)/hf= 0,80-0,85 [-] r]T Wirkungsgrad der Turbine: T]T = 0,88-0,92, s. Kapitel 14.2.6 [-] ^Getriebe WirkuHgsgrad dcs Getriebes/Riemenantriebes: JjGetriebe = 0,97-0,98, s. Kapitel 14.3.4 [-] 7]G Wirkungsgrad des Generators: rjQ = 0,96-0,98, s. Kap. 16.6.1 [-] HTrafo Wirkungsgrad der Umspannanlage, Leitungen etc.: /7rra/o = 0,98-0,99 [-] rjEig Eigenversorgung der Wasserkraftanlage: T]Eig = ^,99, s. K. 16.6.3 [-] Ein dem totalen Wirkungsgrad entsprechender Begriff ist der Anlagenwirkungsgrad r]A, auch als hydraulischer Koeffizient bezeichnet, der sich aus dem Verhaltnis von erbrachter elektrischer Leistung P TAX theoretisch moglicher hydraulischer Leistung Phydr der Wasserkraftanlage bzw. aus der Anlagenverlustleistung Pveriust ergibt: ^A=-f-

= l-^^r\tot

[-]

(2.13)

rjA Anlagenwirkungsgrad bzw. hydraulischer Koeftizient [-] Phydr theoretisch mogliche hydraulische Anlagenleistung [kW] Pveriust Anlagenverlustleistung [kW] Es ist aber auch moglich, wie aus (2.11) ersichtlich, anstatt des totalen Wu*kungsgrades r]tot die jeweiligen Verlusthohen /zy,, direkt zu verwenden, indem diese von der vorhandenen Fallhohe hf subtrahiert und anschlieBend die noch verbleibenden Wirkungsgradverluste beriicksichtigt werden. Genau betrachtet wird im allgemeinen unter der Fallhohe hf die Roh- oder Bruttofallhohe hfg^ also die Differenz zwischen dem Ober- und dem Unterwasserspiegel (Uberdruckturbinen) bzw. dem Mittelwert der Beruhrungspunkte zwischen Strahlachsen und Strahlkreisdurchmesser bei Pelton-Turbinen einer Wasserkraftanlage, verstanden. Daraus ergibt sich dann in Anlehnung an Abb. 2.3 die Nettofallhohe hfj^ als Differenz der Energiehohen zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsquerschnitt der Turbine zu: hf,N = hf,B - Koi - hv.23 (2.14)

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

29

Die theoretisch mogliche Erzeugung an elektrischer Energie in einem bestimmten Zeitabschnitt bezeichnet man als Arbeitsvermogen Ea. Ea= \P{t)dt=^'^,ot' 0

\Q{t\hf{t)dt

[kWh]

(2.15)

0

hfj^ Nettofallhohe [m] hfB Bruttofallhohe [m] Ea Arbeitsvermogen [kWh] t Zeit [s] Hieraus lafit sich das Jahresarbeitsvermogen Ea ermitteln, indem tiber die Gesamtarbeitszeit des entsprechenden Jahres integriert wird. Die Obergrenze des theoretisch vorhandenen Wasserkraftpotentiales wird als das theoretische Flachenpotential bezeichnet und entspricht dem theoretischen Arbeitsvermogen. Dieses beinhaltet den Niederschlag, der auf eine bestimmte Flache fallt (z. B. das Einzugsgebiet eines Wasserkraftwerkes), abziiglich der Anteile ftir Verdunstung, Versickerung und andere Verluste, sowie den auf den jeweiligen Schwerpunkt bezogenen Hohenunterschied zwischen der Flache und dem FlieBgewasser, dem sogenannten Vorfluter, in den die Flache letztendlich entwassert. Diese KenngroBe ist jedoch fur energiewirtschaftliche Zwecke wenig realistisch. Eine aussagefahigere GroBe fiir die Wasserkraftnutzung ist das Linienpotential, auch als Wasserkraftpotential bezeichnet. Darin wird ein konkreter Abschnitt eines FlieBgewassers erfaBt, das einen bestimmten mittleren AbfluB aufweist und innerhalb des betrachteten Abschnittes einen gewissen Hohenunterschied uberwindet. Der tatsachlich nutzbare Anteil dieser Potentiale unterliegt einer Reihe von technischen, okonomischen, okologischen und anderen Einschrankungen. Letztendlich liegt das technisch nutzbare Potential bzw. das technisch nutzbare Arbeitsvermogen eines FluBabschnittes in der Regel bei 40 bis 50 % des theoretischen Potentials, wobei dieses durchaus in Einzelfallen bei ungiinstigen Randbedingungen auch auf nur 10 % absinken kann [2.2] (s. a. Kapitel 3.2.1). 2.1.4

Potentielle Energie eines Speichervolumens

Die in einer Talsperre gemaB Abb. 2.4 aufgestaute Wassermasse besitzt gegentiber einem z. B. durch die Turbinenachse vorgezeichneten Bezugshorizont die potentielle Energie: j,o'lU

dabei betragt die dem Speichervolumen V innewohnende, nutzbare Gesamtenergie jedoch nur: 3,6 •lU V ho hs

Volumen Wasserspiegelhohe uber Bezugshorizont Hohe des Massenschwerpunktes bzgl. des Bezugshorizontes

[m^] [m] [m]

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

30

und wofiir die Hohe hmax des Stauziels bei Speicherkraftwerken mit geringen Stauspiegelschwankungen tiberschlagig genahert werden kann zu [2.1]: Kax

« hnin + (^, 5 - 0, 85)

' {knaxjheo " Kin

)

[m]

(2.18)

Dabei muB berticksichtigt werden, daB sich mit der Beckenentleerung bzw. -fiillung der Wasserspiegel und damit die Massenschwerpunktlage hs andert, wodurch wiederum die nutzbare Gesamtenergie E bzw. Leistung P des Speichers variiert. Zur Verdeutlichung ist im rechten Teil der Abb. 2.4 der Verlauf des Speicherabflusses Q sowie der zugehorenden Leistung P aufgetragen (s. a. Kap. 3.2.1). höchstmöglicher Stau Stauziel momentaner Wasserspiegel Schwerpunkt des Speichervolumens Absenkziel

-Freibord tiefstmögliche Betriebswasserspiegelabsenkung

2.2

max theo

i . . . . . Unterwasserspiegel

Abb. 2.4:

Überlast

Q max

max

^ Q [m /sec] P [kW]

Speicherraum einer Talsperre [2.1] Verfiigbares Wasserkraftpotential

Um eine Vorstellung iiber die GroBenordnung des verfugbaren Wasserkraftpotentiales zu gewinnen (s. Abschnitt 2.1.3), sind in Tabelle 2.1 Zahlenangaben iiber das theoretisch nutzbare, das technisch nutzbare und das tatsachlich genutzte Wasserkraftpotential sowie die derzeit in Bau befindliche Anlagenleistung angegeben. Die Untergliederung erfolgt im wesentlichen nach Kontinenten, wobei sich die teilweise relativ ungenauen Schatzwerte entsprechend den ortlichen Untersuchungsfortschritten und Entscheidungsfindungen sowie den die jeweilige Erhebung durchfiihrenden Organisationen (UNIPEDE, WEC etc.) standig verandem konnen [2.3]. Deutlich wird durch diese Daten, daB in Europa der Ausbau nur noch in geringem MaBe, in Afrika, Asien, der Russischen Federation sowie Sudamerika jedoch noch in groBem Umfang moglich ist und dort entsprechend zahlreiche MaBnahmen laufen. Anzufiigen ist noch, daB weltweit bereits ca. 300.000 MW in konkreten Projektplanungen Berucksichtigung geftinden haben sowie ca. 71.000 MW in Pumpspeicherkraftwerken installiert bzw. im Bau und etwa 34.000 MW m Planung sind. Eine hierauf gerichtete Darstellung bezuglich der jahrlichen Energieerzeugung und des Anteils der Wasserkraft daran geht aus der Tabelle 2.2 hervor. Unterschiedliche Szenarien, u. a. von der UNIPEDE, lassen eine Steigerung der elektrischen Energieerzeugung im Jahr 2020 auf ca. 23.000 TWh/a erkennen, wobei der Wasserkraftanteil dann etwa 28 % betragen soil.

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung Tabelle 2.1:

31

Weltweites Wasserkraftpotential 2004 [nach 2.4] theoretisch nutz- technisch nutz- derzeit genutztes inBau bares Wasser- bares Wasserbefindliche Wasserkraftkraftpotential Anlagenleistung potential kraftpotential [GWh/a] [MW] [GWh/a] [GWh/a] « 2.900 « 85.300 « 4.000.000 « 1.750.000

Afi-ika 1 Asien mit Tiirkei und Russ. Fod. 1 Europa 1 Nordamerika mit Zentralamerika Sudamerika 1 Ozeanien 1 Welt 1 Tabelle 2.2:

« 19.400.000 « 3.200.000

« 6.800.000 « 1.140.000

« 851.600 « 551.700

« 92.000 « 2.800

« 7.200.000 « 6.200.000 « 594.000 « 40.594.000

« 1.663.000 « 2.815.000 « 200.000 « 14.368.000

« 700.000 « 557.700 « 45.100 « 2.791.400

« 3.400 « 16.700 « 200 « 118.000

||

Weltweite Energieerzeugung 2001 [2.5] gesamte elektrische Energieerzeugung [GWh/a] « 443.600 « 4.992.100 « 3.553.100 « 890.300 « 4,756.500

Afrika Asien mit Ttirkei Europa Russ. Federation Nordamerika 1 Stidamerika mit 1 « 801.500 Zentralamerika 1 Ozeanien | « 247.100 1 Welt «15.684.200

elektr. Energieerzeugung aus Wasserkraft [GWh/a] « 81.400 « 612.900 « 618.600 « 175.900 « 573.300 « 525.800 « 39.100 « 2.627.000

Anteil der elektr. Energieerzeugung aus | Wasserkraft [%] 18,3 1 12,3 17,4 19,8 12,1 65,6 15,8 16,7

1

In der Tabelle 2.3 und der Abb. 2.5 sind die analogen Werte des Wasserkraftpotentiales (Laufwasser) fiir die Bundesrepublik Deutschland angegeben. Die Aufteilung erfolgt nach technisch nutzbarem und derzeit genutztem Wasserkraftpotential in Laufwasserkraflwerken. Es ist daraus deutlich ersichtlich, dai3 mehr als drei Viertel des Potentials in Bayem (ca. 65 %) und Baden-Wiirttemberg (ca. 22 %) gegeben sind, der Norden der Bundesrepublik Deutschland sich hingegen kaum durch Moglichkeiten der Stromerzeugung aus Wasserkraft hervorhebt.

32

Abb. 2.5:

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

Wasserkraftpotential in der Bundesrepublik Deutschland 2004 in TWh/a [2.6]

Aus der langerfristigen Betrachtung der verfiigbaren Wasserkraft gemaB der Darstellung in Abb. 2.6 in Verbindung mit Tabelle 2.6 wird die besondere Abhangigkeit dieser Energieerzeugungsform vom Wasserdargebot deutlich. Nachdem sich die Jahre 1999 bis 2002 durch eine iiberwiegend erhohte Wasserfiihrung und damit hohere Erzeugung auszeichneten, flihrte der verhaltnismaBig trockene Sommer im Jahr 2003 zu einer deutlich verminderten Stromerzeugung, die je nach regionalen Unterschieden riind 10 bis 20 % unter den Werten des Jahres 2002 lag. Trotz dieser spurbaren Mindererzeugung deuten die noch als vorlaufig zu betrachtenden Werte des Jahres 2003 im Vergleich zur dargestellten 10-Jahres-Periode darauf hin, daB es sich hierbei im deutschlandweiten Mittel um kein extrem schlechtes Erzeugungsjahr handelt. Die Erzeugung des Jahres 2004 war anfangs noch spurbar durch die geringen Niederschlage und damit Grundwasserstande des Vorjahres gepragt, entwickelte sich dann aber nach heutigem Stand zu einem durchschnittlichen Wert ahnlich dem des Jahres 1999.

33

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

Tabelle 2.3: Wasserkraftpotential (Lauf- und Speicherwasser) in der Bundesrepublik Deutschland 2004 [2.6] 2004 genutztes 1 technisch > IMW 1 gesamt nutzbares [GWh/a] [%]| [GWh/a] [%] | [GWh/a] 6.294 3.914 (62,2 %) 4.227 (67,2 %) 1 12.315 (85,5 %) 14.400 11.403 (79,2 %) 4 (4,4 %) 4 101 (4,1%) 222 (27,2 %) 206 (25,2 %) 815 2 (5,3 %) 2 45 (4,9 %) 269 (76,8 %) 350 249 (71,1%) 377 (53,9 %) 700 349 (49,9 %) 975 (65,0 %) 902 (60,2 %) 1.500 154 (91,0%) 166 (98,3 %) 169 81 (25,3 %) 320 75 (23,4 %) (7,2 %) 362 24 26 (6,6 %) 5 (54,0 %) ca. 10 5 (50,0 %) (9,0 %) 414 (8,4 %) 37 35 ca. 25.480^ ca. 17.322 (68,0 %) ca. 18.707 (73,4 % ) |

^""•""---i^^serkraftpotential

baden-Wurttemberg bayem berlin/Brandenburg iHessen Mecklenburg-Vorpommem iNiedersachsen iNordrhein-Westfalen Sheinland-Pfalz jSaarland Sachsen ISachsen-Anhalt ISchleswig-Holstein fXhuringen [Deutschland gesamt Leistung [MW]

1

1 Stromerzeugung Wasser, gesamt brutto [GWh]

1

1 Strom erzeugung Wasser, gesamt netto [GWh]

Stromerzeugung [GWh]

Trend installierte Leistung, netto [MW] -4- 25.000 -1 1

4.800 4-

-4- 20.000

4.700 4-

-4- 15.000

y

4.600 4-

-4- 10.000

4.500 4-

-4- 5.000

fl 1994

Abb. 2.6:

1995

1

1

1996

1997

1 1998

1999

2000

2001

2002

2003 2004 (vorläufig) (vorläufigl)

Entwicklung der Stromerzeugung in der Bundesrepublik Deutschland aus Wasserkraft 1994-2004 der offentlichen Versorger, der Deutschen Bahn sowie der industriellen und privaten Energieversorgung mit Brutto-ZNettobetrachtung bzgl. der Pumpspeicherkraft sowie Trendangabe zur installierten Leistung (netto) [nach 2.6]/[2.7]

Als erganzende Information ist in Tabelle 2.4 und Abb. 2.6 noch zwischen der Bmtto- und Nettoerzeugung der Wasserkraft unterschieden. Der Nettowert bertick-

34

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

sichtigt dabei die Stromerzeugung aus naturlichem ZufluB in den Pumpspeicherkraftwerken, der in Deutschland im Durchschnitt mit ca. 25 % der Erzeugung angesetzt werden kann. Die Differenz zwischen beiden Werten in Hohe von rund 75 % der Pumpspeichererzeugung beinhaltet somit den reinen Walzbetrieb (s. Kapitel 17.7). Neben den absoluten Werten lafit sich die Abhangigkeit der Wasserkraft vom Wasserdargebot besonders gut aus dem Kennwert der Erzeugungsmoglichkeit aus Wasserkraft (KEW) ablesen, der das Verhaltnis zwischen jahrlicher Erzeugung und Regelarbeitsvermogen der Wasserkraftanlagen ausdrlickt. Tabelle 2.4: Entwicklung der Stromerzeugung in der Bundesrepublik Deutschland aus Wasserkraft 1994-2004 der offentlichen Versorger, der Deutschen Bahn sowie der industriellen und privaten Energieversorgung mit Brutto/Nettobetrachtung bzgl. der Pumpspeicherkraft sowie dem KEW (Kennwert der Erzeugungsmoglichkeit aus Wasserkraft) [nach 2.6]/[2.7] 1994 iLaufwasser 17.397 GWh ISpeicherwasser 1.109 GWh |Pumpspeicher 3.955 GWh 22.461 GWh IWasser gesamt brutto 4,3 % lAnteil an Gesamtbruttostromerzeugung 19.495 GWh IWasser gesamt netto KEW [ 105

1995 18.442 GWh 1.305 GWh 4.470 GWh 24.217 GWh 4,5 %

1996 16.508 GWh 777 GWh 4.381 GWh 21.666 GWh 3,9 %

1997 16.471 GWh 1.608 GWh 4.543 GWh 22.622 GWh 4,1 %

20.865 GWh 110

18.380 GWh 97

19.215 GWh 94

1998 16.923 GWh 1.003 GWh 5.018 GWh 22.944 GWh 4,1 %

1999 19.059 GWh 1.497 GWh 4.967 GWh 25.523 GWh 4,6 %

2000 20.863 GWh 3.338 GWh 3.761 GWh 27.962 GWh 4,9 %

2001 19.831 GWh 3.200 GWh 3.792 GWh 26.823 GWh 4,6 %

19.180 GWh 96

21.797 GWh 111

25.141 GWh 123

23.979 GWh

ILaufwasser ISpeicherwasser Pumpspeicher Wasser gesamt brutto lAnteil an Gesamtbruttostromerzeugung [Wasser gesamt netto KEW

2002 20.294 GWh ILaufwasser ISpeicherwasser 3.200 GWh IPumpspeicher 3.762 GWh 27.256 GWh IWasser gesamt brutto lAnteil an Gesamtbrutto4,7 % 1 stromerzeugung IWasser gesamt netto 24.435 GWh [^^___124 KEW

12lJ

2003 (vorlaii f i s ) _ ca. 17.20 OGWh ca. 3.20 OGWh ca. 3.90 OGWh ca. 24.30 OGWh C2I. 4,0 %

200^i (vorlaufig) ca. 18.500 GWh ca. 3.000 GWh ca. 4.200 GWh ca. 25.700 GWh ca. 4,2 %

ca. 21.37 5 GWh ca. 101

ca. 22.550 GWh ca. l l l |

SchlieBlich vermittehi die in der Tabelle 2.6 bzw. Abb. 2.7 zusammengestellten Zahlenwerte eine Ubersicht tiber die gesamte in der Bundesrepublik Deutschland

2 Grundlagen der Wasserkraftnutzung

35

erzeugte elektrische Energie (Bruttoerzeugung) in den Jahren 2001 bis 2003 sowie die Prognose fiir 2020. Gegenliber der Bruttoerzeugung der offentlichen Versorgung steht alien Verbrauchem letzten Endes jedoch nur eine geringere Menge von elektrischer Energie zur Verfugung. So ist zum ersten der Kraftwerkseigenverbrauch mit ca. 8 % abzuziehen, woraus sich die Netto-Stromerzeugung ergibt. Nach dem anschlieBenden Abzug des Pumpstromverbrauchs (2003 ca. 8,3 TWh) und des Austauschsaldos (2003 ca. 8,1 TWh Export) erhalt man den Netto-Verbrauch. SchlieBlich smd von der Netto-Verbrauchssumme noch die Netzverluste und die nicht erfaBbaren Verluste abzuziehen, die ca. 4 % des Nettoverbrauchs betragen. Als OrientierungsgroBe fiir die in einem Versorgungsgebiet von Seiten des Energieversorgungsuntemehmens bereitzustellende Energiemenge dient in der Regel der Nettoverbrauch pro Haushalt. Im Jahr 2000 betrug dieser fiir einen Durchschnittshaushalt mit 2 Personen und mit Speicherheizung ca. 3.380 kWh/a und ohne Speicherheizung etwa 2.900 kWh/a. Durch die Effizienzsteigerung der emgesetzten Gerate sowie durch andere EnergieeinsparungsmaBnahmen ist dieser Wert in den letzten Jahren stetig zuriickgegangen. Tabelle 2.6: Bruttoerzeugung elektrischer Energie in der Bundesrepublik Deutschland 2001-2003 sowie Prognose 2020 [2.6]/[2.8] 2001 2002 [GWhl i[%]I [GWh] i[%]I 1 Laufwasser 19.831 (3,4) 20.294 (3,5) 1 Speicherwasser 3.300 (0,5) 3.200 (0,6) 1 Pumpspeicher 3.792 (0,6) 3.762 (0,6) 1 Wasser gesamt 26.823 J4^ 27.256 (4,7) 11.509 (2,0) 16.800 (2,9) 1 Windenergie 1 Photovoltaik -140 220 (0) (0) 6.300 (1,1) 5.400 (0,9) Abfalle 1 Biomasse 3.100 (0,5) 4.200 (0,7) 47.872 (8,2) 53.876 (9,3) 1 Regenerativ gesamt 171.305 (29,2) 164.829 (28,3) 1 Kemenergie 155.034 (26,4) 155.540 (26,7) 1 Braunkohle 1 Steinkohle 142.123 (24,2) 137.498 (23,6) 3.999 (0,7) 4.508 (0,8) HeizOl 51.122 (8,8) 53.739 (9,2) 1 Erdgas 13.694 (2,4) 1 sonst. gasfOrmige Brenn- 11.714 (2,0) stoffe incl. Biogas 1.150 (0,2) 1 ubrige Brennstoffe 1.000 J O ^ 1 Insgesamt 583.376 (100)1 581.708 "(100)1

2003 (vorlaufig) [GWh] 17.200 (2,8) 3.200 (0,5) -3.900 (0,6) 24.300 (4,0) 18.700 (3,1) - 3 7 0 (0,1) - 5.400 (0,9) -4.700 (0,8) - 53.470 (8,7) 166.048 (27,3) 160.108 (24,9) 151.586 (25,0) - 4.400 (0,7) 55.929 (9,2) - 15.843 (2,6)

ilM.

2020 [GWh]

1 ([%!)

25.500 (4,3) 5.400 (0,9) 30.900 (5,2) 15.100 (2,5) 300 (0,1) 7.000 (1,2) 4.000 (0,7) 57.300 (9,6) 54.000 (9,0) 165.600 (27,6) 175.800 (29,3) 5.000 (0,8) 123.000 (20,5) 17.300 (2,9)

- 1.200 (0,2) 2.000 -608.584 "(100)1-600.000

(0,3) (100)1

2 Grundlagen der Wasserkraflnutzung

36

übrige Brennstoffe ^ sonst. gasförmige Steinkohle 24,9 % Heizöl 0,7 %

Erdgas 9,2 % Wasser gesamt 4,0 % (45,3 %) Windenergie 3,1 % (35,2 %)

Braunkohle 26,3 % Abb. 2.7:

2.3 [2.1] [2.2] [2.3] [2.4] [2.5] [2.6]

[2.7] [2.8]

Kernenergie 27,3 %

Photovoltaik 0,1 % (0,7 %) Müll/Abfälle 0,9 % (10,1 %) Biomasse 0,8 % (8,8 %)

Bruttoerzeugung elektr. Energie in der Bundesrepublik Deutschland 2003

Literatur Mosonyi, E.: Water power development. Band I + 11. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 Giesecke, J.: Perspektiven der Wasserkraftnutzung in Baden-Wurttemberg. In: Wasserwirtschaft 80 (1990), Heft 6, Seite 285-294 Mosonyi, E.: Hydropower. In: Our Fragile World - Challenges and opportunities for sustainable development. Oxford: Eolss Publishers, 2001 Bartle, A. (Hrsg.): Hydropower & Dams - World atlas & industry guide 2004. Sutton: Aqua-Media International, 2005 British Petrol (Hrsg.): BP Statistical Review of World Energy. 2002 Heimerl, S.; Giesecke, J.: Wasserkraftanteil an der elektrischen Stromerzeugung in Deutschland 2003. In: Wasserwirtschaft 94 (2004), Heft 10, Seite 28-40 Heunerl, S., Stuttgart: PersonHche Auskunft, 2005 Heimerl, S.: Systematische Beurteilung von Wasserkraftprojekten. In: Mitteilungen des Institutes fur Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2002, Heft 112

37

3

Grundsatze der Planung und Projektierung

3.1

PlanungsprozeB und Projektentwicklung

3.1.1

Proj ektphasen

Im Rahmen der Planungsaktivitaten fiir ein Wasserkraftanlagenprojekt, wozu sowohl die Errichtung neuer als auch die Reaktivierung und Emeuerung bestehender Wasserkraftanlagen zahlen, treten verschiedene Phasen auf, die im folgenden kurz dargestellt werden sollen (s. Abb. 3.1). Diese aufeinanderfolgenden Schritte sind im Grunde inhaltlich stets gleich und differieren letztlich nur in ihrem zeitlichen Umfang und der jeweils notwendigen Betrachtungstiefe. 100

100

75

\ 75

50

^ 50

25

0

90 100 Zeitlicher Verlauf [%]

Abb. 3.1:

Typischer Proj ektzeitplan mit Kostenverlauf [3.1 ]/[3.2]

Potentialstudie („Masterplan") Aufgabe der Potentialstudie ist die Grundlagenermittlung fiir die projektierte Wasserkraftanlage. Dabei sollen das insgesamt vorhandene, nutzbare Wasserkraftpotential ermittelt und die sich anbietenden Standorte in einer zu untersuchenden Region lokalisiert werden. Die Kostenungenauigkeit liegt hier noch bei ± 30 %. Projektvorstudie („Pre-feasibility study") Im Rahmen der Vorstudie sollen kritische Punkte herausgefunden und eine Bedarfsklarung sowie eine iiberschlagige Wirtschaftlichkeitsuntersuchung durchge-

38

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

ftihrt werden. Bei der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung greift man normalerweise auf Zahlenwerte zuruck, die fiir andere Projekte erfaBt wurden, und ermittelt so uberschlagig die Bauelementkosten (Stauanlage, Triebwasserzufuhrung, Krafthaus, Maschinengruppen, Umspannanlage etc.), deren Ungenauigkeit bei ± 2025 % liegen. Projektstudie („FeasibiIity study") Mit der Machbarkeits- oder Durchfuhrungsstudie soil abschlieBend festgestellt werden, ob und in welcher Form ein Projekt wirtschaftlich sinnvoll ist. Dazu werden die in den bisherigen Vorstudien beschafften Grundlagen der Hydrologie, Topographic, Geologic, Baugrund, Baukonzeption, Jahresarbeitsvermogen und Marktverhaltnisse etc. iiberpriift und detaillierter erfaBt. Aus den daraus ermittelten Projekt- und Bauwerksaltemativen wird eine ausgewahlte Alternative optimiert und ausgearbeitet. Nach der Erstellung eines Bauprogramms und einer Kostenabschatzung, die Ungenauigkeit liegt nun bei ± 15-20 %, folgt eine okonomische Evaluierung, d. h. eine Kosten-Nutzen-Betrachtung. Auf der Basis der so gewonnenen Erkenntnisse sollte dann die Erstellung der Genehmigungs- und Ausschreibungsunterlagen moglich sein. Bei groBeren Projekten vergehen bis zum AbschluB der Projektstudien und der Planungsarbeiten in der Kegel 5 bis 10 Jahre, oftmals auch mehr. Genehmigungsverfahren, Ausschreibung und Vergabe Nach dem erfolgreich abgeschlossenen Genehmigungsverfahren ist bei der anschlieBenden Ausschreibung von besonderer Bedeutung, daB bei den hierzu gehorenden Unterlagen auf eine sehr detaillierte und umfangreiche Beschreibung des Projektes einschlieBlich der Baulose sowie Lieferungen geachtet wird. Diese Unterlagen sollen zum einen potentiellen Anbietem eine gute Kalkulationsgrundlage liefem und zum anderen dem Auftraggeber einen relativ guten Vergleich der abgegebenen Angebote ermoglichen. Gleichzeitig soUten diese Unterlagen den zu erbringenden Leistungsumfang im Sinne einer Ausfiihrungsvorschrift beschreiben und festlegen, da sie meistens nach Auftragserteilung Bestandteil des Vertrages zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber werden. In vielen Fallen wird eine Vorauswahl bzw. Praqualifikation der Anbieter, die dann die Ausschreibungsunterlagen erhalten, also eine sogenannte beschrankte Ausschreibung durchgefiihrt, um auf diese Weise die Fachkompetenz zu sichem und den zeitlichen Ablauf etwas zu straffen. Des weiteren muB sich der Auftraggeber bereits vor der Ausschreibung grundsatzliche Gedanken dartiber machen, ob er das Projekt an einen Generaluntemehmer vergeben und dann als sogenanntes „schlusselfertiges" Objekt iibemehmen will, oder ob er die einzelnen Baulose unterschiedlichen Auftragnehmem Ubertragt und damit auch die Frage der hiervon unabhangigen Bauleitung und Bautiberwachung (Qualitatskontrolle, Rechnungspriifiing und anderes mehr) klaren muB, d. h. Ingenieurbiiro, Consulting-Fhma, Eigenregie o. a. Bei Emeuerungs- und Modemisierungsarbeiten von bestehenden maschinellen Ausrustungen oder elektrischen Anlagenteilen wird in der Kegel der Auftrag direkt an einen Hersteller vergeben.

3 Grundsatze der Planung und Prqjektierung

39

Aus den eingereichten Angeboten wird nach deren LFberprtifung abschlieBend ein Auftragnehmer ausgewahlt und mit diesem ein Bau- und Liefervertrag unter Einbeziehung der gultigen Bauvorschriften und Vertragsbedingungen geschlossen. Die eingereichten Angebote werden dabei nicht nur unter flnanziellen Gesichtspunkten begutachtet, viehnehr spielt auch die im Angebot moglicherweise zusatzlich unterbreitete Ausfiihrungsart (Sondervorschlage) eine wesentliche Rolle. Detailplanung - Ausfiihrungsprojekt - Inbetriebsetzung - AbschluBarbeiten Mit dem AbschluB des Vertrages beginnt die Ausarbeitung von detaillierten Bauplanen, die auf den Ausschreibungsunterlagen und der im Angebot unterbreiteten Ausfiihrungsart auft)auen. Im Rahmen der Detailplanung miissen fast immer einzebie Bauwerksteile in einem Modellversuch Uberpriift und optimiert werden, da Wasserkraftanlagen nur in sehr seltenen Fallen Serienfertigungen sind, wie beispielsweise einige der Lechstaustufen, sondem viehnehr stets besondere ortliche Aspekte beriicksichtigen miissen. Bei der Durchfuhrung der Modellversuche ist unbedingt darauf zu achten, daB diese von einer Institution durchgefiihrt werden, bei der ausreichendes Erfahrungspotential und detaillierte Kenntnisse der ModellgesetzmaBigkeiten vorhanden sind, da nur so eine Ubertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf das zu realisierende Bauwerk sichergestellt werden kann. Die Erfahrung zeigt, daB die einmalige Investition flir einen Modellversuch in keinem Verhaltnis zu den Kosten und dem Arger, den ein unzureichend fiinktionierendes Bauwerksteil permanent verursachen kann, steht. Neben den rein physikalischen Modellversuchen werden immer haufiger mathematisch-numerische Modelle zur Untersuchung der komplexen Stromungs- und Stofftransportprozesse eingesetzt, sofem die entsprechende Erfahrung im Umgang mit derartig umfangreichen Verfahren vorhanden ist (s. a. Kapitel 14.2.7). Von Vorteil ist die groBere Flexibilitat bei der Gestaltung, wobei allerdings oftmals eine Kalibrierung anhand von Naturmessungen notwendig ist, so daB dieses Verfahren als eine sinnvolle Erganzung der bisherigen physikalischen Modellversuche unter Umstanden auch in Kombination mit denselben - betrachtet werden darf Vor dem Beginn der eigentlichen BaumaBnahmen sollte eine Dokumentation aller Bereiche des gesamten Bauumfeldes erstellt werden, um eventuelle Auswirkungen der BaumaBnahme sowie des Bauwerkes selbst eindeutig nachvollziehen zu konnen (z. B. Setzungen an benachbarten Bauwerken, Auswirkungen auf Flora und Fauna etc.). Parallel lauft die bei groBeren Projekten mehrere Jahre dauemde Ausfiihrungsphase an, in der das Bauvorhaben realisiert wird. Auf den AbschluB der Bauarbeiten, Lieferungen, Installationen und den Probebetrieb folgt die endgiiltige Inbetriebnahme der Anlage, eventuell bereits auch in Teilabschnitten. Im Rahmen der Inbetriebnahme und des Probebetriebes wird eine Einzelpriifimg samtlicher Komponenten und anschlieBend der Komponentengruppen (z. B. Maschinensatze) durchgefiihrt. Nach einem alien Vorgaben voll entsprechenden Probebetrieb folgt die Ubemahme durch den Auftraggeber, hier also den Wasserkraftanlagenbetreiber. Parallel hierzu werden die AbschluBarbeiten durchgefiihrt. Diese beinhalten die Erstellung der endgtiltigen Konstruktions- und Bauplane, in die alle ausfuhrungs-

40

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

notwendigen Anderungen eingetragen werden, sowie der Montage- und Wartungsplane. Die Inbetriebnahme und die AbschluBarbeiten konnen bei groBeren Projekten bis zu zwei Jahre in Anspruch nehmen. Bereits wahrend der Ausfiihrungsphase beginnt die etappenweise Kostenabrechnung; eine endgUltige Abrechnung erfolgt nach dem AbschluB aller Arbeiten und etwaiger Erganzungsleistungen. 3.1.2

Besondere Aspekte bei Reaktivierung, Modernisierung und Erweiterung

Je nach Region, technischen, okonomischen, okologischen und gesellschaftspolitischen Randbedingungen ist der Umfang des noch nutzbaren technischen Wasserkraftpotentials uber die bereits bestehenden Nutzungen hinaus relativ gering, so daB es sinnvoll sein kann, stillgelegte Wasserkraftanlagen wieder zu aktivieren und bestehende zu modemisieren bzw. zu erweitem. Auch aus Griinden des Umweltschutzes kann eine derartige MaBnahme angebracht sein, allerdings nur dann, wenn die daraus folgenden MaBnahmen in ihrer Umweltbeeintrachtigung nicht deren Nutzen tiberwiegen. Die Reaktivierung von Wasserkraftanlagen, insbesondere von kleineren Wasserkraftanlagen bis 5 MW installierter Leistung ist beispielsweise in Deutschland wahrend der letzten Jahren wieder attraktiver geworden, da deren Betrieb heute wirtschaftlicher moglich ist und sie dariiber hinaus aus unterschiedlichen Griinden von politischer Seite aus zum Teil stark gefordert werden. Grundlage zur Aufrechterhaltung der gewtinschten Verfugbarkeit, Leistungsabgabe und Lebensdauer einer bestehenden, in Betrieb befindlichen Wasserkraftanlage ist die Durchfiihrung regehnaBiger, iiber die normale Anlagenuberwachung hinausgehender Inspektionen aller Komponenten der Anlage (s. Abb. 3.2), die vom eigenen Personal in Zusammenarbeit mit dem jeweiligen Komponentenhersteller in bestimmten Intervallen vorgenommen werden sollten (s. Kapitel 13.3). Dabei sollte auch stets die vorhandene Bau- und Anlagensubstanz auf deren Beschaffenheit, Werkstoffqualitat und Standsicherheit Uberpriift werden. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden die notwendigen ModemisierungsmaBnahmen und gegebenenfalls Erweiterungen geplant und durchgefuhrt, die vor allem folgende Grtinde haben, wobei insbesondere die Erhohung der Wirtschaftlichkeit dominiert: - Austausch alter Anlagenteile (Turbine, Generator, Lager, Verschltisse etc.) Oder ganzer Komponentengruppen gegen neue mit einem hoheren Wirkungsgrad; - Erhohung des nutzbaren Abflusses (BemessungsabfluB) sowie eventuell der Fallhohe zur Erzielung einer groBeren Energieausbeute je nach den hydrologischen, energiewirtschaftlichen und okologischen Gegebenheiten, wobei im Falle von Ausleitungskraftwerken eventuelle MindestwasserabfluBauflagen zu beachten sind; - Ausbau bzw. Erweiterung der Anlage (Einbau einer weiteren Turbine, Emeuerung einer Freispiegelleitung, Ersatz der Freispiegelleitung durch direkt gefuhrte Druckstollen etc.) fur eine groBere Energieausbeute;

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

41

Umriistung bestehender Anlagen auf den neuesten Stand von Maschinentechnik, Regelung, Steuerung und Automatisierung flir einen wartungsarmen und damit wirtschaftlicheren Betrieb; Personalreduzierung aus wirtschaftlichen Grunden nach Durchfuhrung von Automatisierungsmafinahmen (Femuberwachung etc.); Optimierung der hydraulischen Auslegung (Anstromung des Einlaufbauwerkes, der Rechenanlage oder der Turbinen; Reduzierung der Kavitationsgefahr, Abstromverhaltnisse im Turbinenauslauf und Unterwasser, Stromungslenkung im Triebwasserweg etc.); Verbesserung der Einbindung in die umgebende Landschaft, Wiederherstellung eines Gewasserkontinuums etc.; Nutzung von noch vorhandenen Energiereserven; Nutzung von staatlichen FordermaBnahmen (Investitionshilfen, steuerliche Anreize etc.); Anpassungen an erweiterte Vorschriften (Umweltgesetze, Arbeitssicherheit, Arbeitsstattenverordnungen, Denkmalschutz etc.). Kraftwerksleistung/ Zunahme des Ausfallrisikos

Optimierung Leistungssteigerung • Emeuenmg Komponentenaustausch

Abb. 3.2:

Alter Zeitlicher Verlauf der Leistungsentwicklung einer Wasserkraftanlage einschliefilich Ausfallrisiko (sog. „Badewannenfunktion") und moglicher Ma6nahmen [3.2]

Eine individuelle Betrachtung muB in Verbindung mit der Modemisierung bzw. Umriistung einer Wasserkraftanlage eine zugehorige Stauanlage oder gar ein vorgeschaltetes Speicherbecken erfahren. Sollte deren Bewirtschaftung mehr und mehr durch Auflandungen beeintrachtigt sein, kann Abhilfe bzw. Vorbeugung durch intervallweise Ausbaggerung der Sedimente, durch erhohte ErosionsschutzmaBnahmen (Hangsicherung, Aufforstung, Terrassierung etc.), durch Gewasserregulierung oder durch Anordnung eines Vorbeckens erzielt werden. Nur im ungilnstigsten Fall wird das Speicherkraftwerk sich in ein Laufwasserkraftwerk umwandeln.

42

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Fur die Emeuerung und Modemisierung von Kleinwasserkraflanlagen - rund 75 % der in Deutschland derzeit laufenden Anlagen sind auf einem Stand der Technik vor 1970 - haben iiber die bereits angesprochenen Aspekte hinaus noch folgende weitere Gesichtspunkte eine wesentliche Bedeutung: - Verhinderung des Auslaufens bestehender Wassemutzungsrechte; - Moglichkeit der Verkniipfting mehrerer Aufgaben wie z. B. Netzparallelbetrieb, Eigenstromverwertung oder auflagenbedingte Blindstromlieferung; - Nutzung von noch vorhandenen Energiereserven vor Ort und damit Substitution anderer Energiequellen (z. B. GebirgsMtten, Einsiedlerhofe etc.); - Verbesserung der dezentralen Energieversorgung; - Nutzung von speziellen staatlichen FordermaBnahmen ftir Kleinwasserkraflanlagen. 3.1.3

Projektentwicklung im Rahmen von Finanzierungsmodellen

Seit Anfang der 1990er Jahre erlebt die Energiewirtschaft einen tiefgreifenden Wandel. Wie in anderen Wirtschaftsbereichen auch, wo eine Deregulierung auf Kapital- und Warenmarkten den grenzenlosen Weltmarkt offiiet, erfahrt die Energieversorgung zunehmend eine Abkehr des Staates, statt dessen eine Hinwendung zu marktwirtschaftlich ausgerichteten Verantwortungsbereichen. In exportorientierten Industrielandem soil die Energieversorgung so kostengiinstig und effizient wie moglich sein, um beste Vorbedingungen im intemationalen Wettbewerb von Produkten zu gewinnen und ebenfalls dem privaten Verbraucher Kostenvorteile zu verschaffen. Dagegen ist in Entwicklungs- und Schwellenlandem in zunehmendem MaBe eine nicht ausreichende Energieversorgung eine der entscheidenden Ursachen fur die Verzogerung wirtschaftlicher Entwicklung und zur Verbesserung des Lebensstandards. Dabei ist insbesondere in den staatlichen Finanzierungsmoglichkeiten ein EngpaB festzustellen. Auf der anderen Seite suchen Kapitalgeber und Investitionsgtiterindustrien fur Kraftwerksbau, Maschinen- und Elektrotechnik weltweite, ausreichende Renditen und Produktionsausriistung verheiBende Markte. Angesichts des global standig steigenden Energiebedarfes wird ftir international aktive Investorgruppen mehr und mehr der Zugang zum landesweiten Energiemarkt geoffiiet. An die Stelle bisher geschtitzter Markte treten bei intemationaler Konkurrenz im offenen Wettbewerb zu gewinnende, durch Liberalisierung und Privatisierung gekennzeichnete Energiemarkte. Parallel zur Freigabe und Deregulierung der Energiemarkte haben sich unabhangige Finanzierungs- und Projektgesellschaften, die sogenannten Independent Power Producers (IPP), gebildet und in aller Welt privat finanzierte thermische Kraftwerke vielfach in Rekordzeiten erstellt. Auch im Bereich der Wasserkraftanlagen sind erste derartige Projekte verwirklicht worden, auch wenn solche Projekte einen wesentlich schwierigeren Stand haben. Hierbei wh-ken sich die hoheren Risiken des Standortes, des Energiemarktes, der politischen und damit rechtlichen Stabilitat sowie der Hoheren Gewalt bzw. der moglichen Naturereignisse negativ aus. Lange Planungs-, Genehmigungs- und Bauzeiten sowie hohe Investitionen

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

43

sind gegeniiber beispielsweise Gas- und Dampfkraftwerken ebenso nachteilig wie Umsiedlungen und ausgedehnte Speicherbecken. Im Bereich der Wasserkraft sind dagegen private Betreibermodelle haufiger anzutreffen, die unter den AbkUrzungen EOT fur „Build-Operate-Transfer", BOOT „Build-Own-Operate-Transfer" oder ahnlichem gelaufig sind. Bei einem derartigen BOT-Finanzierungsmodell wird einem privaten Projekt- bzw. Bautrager das Recht eingeraumt - aber auch die Verpflichtung auferlegt -, innerhalb der Konzessionszeitspanne Finanzierung, Planung, Bauausfiihrung und Betrieb einer Wasserkraftanlage einschlieBlich Stromverkauf in eigener Verantwortung zu ubemehmen. AnschlieBend muB die Wasserkraftanlage nach einer vereinbarten Zeit an den Konzessionsgeber, in der Regel den Staat, iibereignet werden. Bisherige Beispiele unterstreichen die erhebliche Minderung von Bau- und Betriebskosten bei derartig privat initiierten Projekten. Zweifellos bergen die Geologic bzw. der Baugrund und die Hydrologie die groBten Risiken, deren Einschrankung in Problemfallen geboten ist. Weitere spezifische Risiken, die der staatlichen Mitverantwortung unterzogen werden miissen, liegen in Umsiedlungs- und Enteignungsverfahren, in Sicherungen des Projektgebietes gegen Gewalteinwirkungen und im Energiemarkt selbst, da die Energieabnahme zu garantierten Preisen die einzige Einnahmequelle ist. Weitere wesentliche Gesichtspunkte sind die Wasserrechte, Planungs- und Genehmigungsverfahren, Verkehrsanbindungen, steuerliche Regelungen, Wahrungsrisiken, Versicherungen und manches mehr. Nur gut vorbereitete Projekte, d. h. Systemlosungen von kompetenten Partnem in Form von Projektgesellschaften o. a. (s. Abb. 3.3), werden in Verbindung mit ausgewogenen Konzessions- und Energieabnahmevertragen die BOT-Modelle attraktiv erscheinen lassen und damit die Befi-iedigung des ortlichen Energiebedarfes als Voraussetzung fur die Wirtschaftsentwicklung und den Wohlstand beschleunigen. In der tJbereinkunft eines BOT-Modelles handehi alle Beteiligten nach dem Grundsatz, den hochstmoglichen Gewinn bei geringstem, weil von mehreren Seiten getragenem Risiko zu erzielen. Von bedeutendem Vorteil ist femer, daB Wasserkraftwerke eine um ein Vielfaches langere Lebenszeit als thermische Kraflwerke haben und sich so die Vorteile langfristig auszahlen. Regierung (Rahmenvertrag, Konzession) Glaubiger/Banken (Treuhand-ZDarlehensvertrag)

Wasserbehorde (Wassemutzungsvertrag) Energieversorgungsuntemehmen (Energieabnahmevertrag)

Baukonsortium I (Konsortialverembanmg mit Aufgabenverteilung) T

>y

T

I Planung I | Bau | [elektro- und maschinentechnische Ausrustung |

Abb. 3.3:

Projektstruktur bei Betreibermodellen

44

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Auch im Bereich des Anlagenbetriebes sowie der Instandhaltung und Emeuerung werden zunehmend ahnliche Konzepte verfolgt, die eine Mischung zwischen BOT-Modellen und dem sogenannten schlusselfertigen Bauen darstellen. Fiir den Anlagenbetreiber ist bei derartigen ROT-Vertragen („Rehabilitate-Operate-Transfer") von Vorteil, daB er von der MaBnahmenermittlung bis zum AbschluB derselben nur einen Ansprech- und Vertragspartner hat, der im Gegenzug ftir die GesamtmaBnahme verantwortlich zeichnet, die gemeinsam gesteckten Ziele garantiert und die moglichen Risiken iibemknmt. Insbesondere durch die Personah-eduzierungen auf Seiten der Anlagenbetreiber werden derartige vertragliche Bindungen zunehmen. 3.2

Grundlagen fur Auswahl und Weiterentwicklung von Wasserkraftstandorten

Bei der Entscheidungsfindung ftir die Auswahl eines neuen oder die Weiterentwicklung eines existierenden Wasserkraftstandortes sind im wesentlichen die folgenden Kriterien zu beachten, auf die nachfolgend detaillierter eingegangen wird: - Wassermengenwirtschaftliche GroBen (s. Kapitel 3.2.1 und 3.2.3), d. h. das Wasserkraftpotential des betrachteten Flusses bzw. FluBabschnittes oder Einzugsgebietes einschlieBlich eventueller Beileitungen etc.; - Lage der Wasserkraftanlage in bezug auf das Stromversorgungsnetz und Lage relativ zum hauptsachlichen Abnahmeort der erzeugten Energie sowie die dort benotigte Energiemenge (s. Kapitel 3.2.2 und 3.2.3); - Topographic (s. v. a. Kapitel 4); - Geologische Situation (s. Kapitel 13); - Baugrundbeschaffenheit (s. Kapitel 13); - Anordnung hn System bereits bestehender Wasserkraftanlagen oder Wasserbauwerke im Sinne der Mehrzwecknutzung, vor allem Dampfung extremer Abfliisse im Unterliegerbereich bei zeitweise arbeitenden Wasserkraftanlagen, die Bedarfsspitzen abdecken und somit im Schwellbetrieb arbeiten, durch Anordnung eines Unterwasser-Ausgleichsbeckens (s. v. a. Kapitel 4); - Landschaftsschutz (s. Kapitel 18); - vorgegebener bzw. benotigter MindestwasserabfluB (s. Kapitel 19); - Siedlungs- und Verkehrsverhaltnisse (Bau-, Verkehrswege), z. B. entlang von Stauhaltungen bei Laufwasserkraftwerken; - Gelande zur voriibergehenden Nutzung fur Baustelleneinrichtungen (Gebaude, Lagerflachen, Deponien fiir Aushub etc.); - EinfluB auf eventuell vorhandene Schiffahrt (Notwendigkeit von Schleusen, Mindestwassertiefe und -breite etc.) (s. Kapitel 1.7.3); - Freizeit- und Erholungsraume fur die ortsansassige Bevolkerung sowie gegebenenfalls Attraktivitatssteigerung des Fremdenverkehrsangebotes (s. Kapitel 18).

3 Grundsatze der Planung und Projektierung 3.2.1

45

Wassermengenwirtschaftliche Erhebungen

Ftir die effiziente Stromerzeugung aus Wasserkraft und damit die Wahl von Maschinentyp und -anzahl stellt das naturgegebene, ortliche Wasserdargebot neben der davon funktionell abhangigen Fallhohe die eigentliche Grundlage dar. Auch fur die Ausgestaltung und Dimensionierung aller Zusatzbauwerke, wie beispielsweise des Wehres, ist die Kenntnis der AbfluBverhaltnisse entscheidend, miissen diese doch in besonderen Betriebsfallen, wie z. B. bei Hochwasser, einwandfrei funktionieren. Somit ist es von zentraler Bedeutung, tiber moglichst detaillierte Angaben zur GroBe des Wasserdargebotes sowie zu dessen jahreszeitlicher Verteilung zu verfiigen [3.2]. Als wesentliche Grundlage hierfur miissen sorgfaltige Erhebungen iiber das langjahrige AbfluBverhalten vor Ort sowie das Einzugsgebiet herangezogen bzw. durchgefuhrt werden. Es ist naheliegend, daB sich diese hydrologischen Erhebungen iiber einen moglichst langen Zeitraum erstrecken sollten, damit neben verlaBlichen Bemessungsabfliissen (MittelwasserabfluB MQ) auch die Extremwerte der Abfliisse bestimmt werden konnen (hochster HochwasserabfluB HHQ und niedrigster NiedrigwasserabfluB NNQ). Um eine annahemd zutreffende Aussage zu erhalten, sollten die wassermengenwirtschaftlichen Daten mindestens ftir einen Zeitraum von 10 Jahren, moglichst jedoch fiir 25 oder mehr Jahre, vorliegen. In vielen Fallen steht aber auch nur eine unzureichende Datenmenge fiir den vorgesehenen Standort zur Verfugung. In derartigen Fallen konnen dann mit Hilfe statistischer Verfahren aus der Wassermengenwirtschaft entsprechend Daten synthetisch erzeugt werden [3.3]. So kann beispielsweise im einfachsten Fall iiber das Flachenverhaltnis zwischen emem oder moglichst mehreren existierenden Pegebi und Kraftwerksstandort durch eine Interpolation einschlieBlich einer Priifixng der Korrelation der Pegelwerte eine Umrechnung erfolgen und so synthetische AbfluBwerte erzeugt werden. Zusatzlich kann das Heranziehen von Niederschlagsaufzeichnungen hilfreich sein. Aus den in emer Zeitreihe erfaBten Ganglinien fur Wasserstand, ZufluB und AbfluB ermittelt man die jeweilige Dauerlinie. Diese gibt z. B. den DurchfluB bezogen auf die Zahl der Tage pro Jahr an, an denen ein bestimmter DurchfluB unteroder iiberschritten wird (s. auch Abb. 3.7). Die uber einen moglichst Jahrzehnte umfassenden Zeitraum gemittelte ZufluBdauerlinie und die Jahresganglinie stellen die ersten Grundlagen, beispielsweise fiir die Wahl des Typs von Speicherkraftwerken, dar, da im Zusammenhang mit dem Energiebedarf die Moglichkeiten eines Tages-, Wochen- oder Jahresspeichers zu entscheiden sind (s. a. Kapitel 2.1.4). Auch wahrend des Betriebes wird auf der Basis dieser Daten eine Bewirtschaftungsstrategie unter Zuhilfenahme modemer Rechenverfahren ermittelt, die aufgrund des tatsachlichen Verlaufs und der vorhersehbaren Entwicklungen der ZufluB- und AbfluBverhaltnisse laufend in kiirzeren, uberlappenden Intervallen angepaBt wird, um eine optimale Ausnutzung zu ermoglichen, wobei zunehmend auch die Anforderungen des Energiemarktes hinsichtlich der Kraftwerkeinsatzstrategie beriicksichtigt werden (s. Kapitel 3.2.2 und 16.6.5), um eine Ertragsoptimierung zu ermoglichen.

46

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Laufwasserkraftwerke konnen nur in einem durch die Stauhaltung und die zulassigen Wasserspiegelschwankungen bestimmten Rahmen Wasser speichem. Bei diesem Anlagentyp bildet die ZufluBdauerlinie die eigentliche Grundlage fur die Wahl des nutzbaren Ausbauzuflusses (s. Kapitel 3.2.3), wobei die Abfliisse iiber das Stauwehr (z. B. Hochwasser) gesondert zu betrachten sind. Dabei kann durch eine gezielte Einsatzoptimierung unter Umstanden auch zu einer zufluBabhangigen Stauzielsteuerung tibergegangen und damit die Energieausbeute sinnvoll erhoht werden. Reine Pumpspeicherkraftwerke, d. h. diejenigen ohne naturlichen ZufluB, konnen unter wassermengenwirtschaftlichen Gesichtspunkten relativ unabhangig betrieben werden. Lediglich die Verluste unter anderem infolge Verdunstung mtissen durch Beileitungen ausgeglichen werden. Vor allem bei Kleinwasserkraftanlagen kann die detaillierte Betrachtung der hydrologischen Verhaltnisse eine wertvolle Entscheidungshilfe bei der Standortwahl und vor allem bei der Wirtschaftlichkeitsbewertung sein. 3.2.2

Energiewirtschaftliche Erhebungen

Neben den am geplanten Standort vorhandenen Bedingungen (Wasserdargebot etc.) ist auch die Bedarfsseite zu untersuchen, d. h. es ist zu priifen, in welcher Form die aus der Wasserkraft gewonnene Energie optimal nach Menge und Zeit in das lokale Versorgungsnetz oder in ein Uberregionales Verbundnetz eingespeist werden kann. Der lokale, regionale oder tiberregionale Energiebedarf ist je nach Netzstruktur und Versorgungsgebiet grundsatzlich starken Schwankungen unterworfen. Lediglich Kraftanlagen, die primar fiir den Betrieb einer industriellen Anlage oder ahnlichem mit permanentem Einsatz (z. B. AluminiumhUtte) errichtet wurden, stellen hier eine Ausnahme dar. Wird heute die Energieversorgung noch iiberwiegend dem regionalen Bedarf entsprechend ausgelegt und tiberregional ein Verbundsystem zur Sicherung der gleichmaBigen, permanenten Energieversorgung betrieben (s. Kapitel 16.6.5 und 17), so gibt es mittlerweile konkrete Uberlegungen mittels eines HochspannungsGleichstrom-tJbertragungsnetzes einen kontinentalen Verbund („global link") in Ost-West- und Nord-SUd-Richtung einzurichten (s. Kapitel 16.6.5.2), durch den beispielsweise die Vorteile der Zeitverschiebung ausgeniitzt und so eine VergleichmaBigung der taglichen Lastganglmien erzielt werden konnten [3.4]. Es sind offensichtlich die technischen Voraussetzungen dazu bereits weitestgehend gegeben, und ein Wirkungsgrad von 80 % scheint erreichbar, wie es die vorhandenen sowie in Bau bzw. Planung befindenden Verbindungen zwischen GroBbritannien und Frankreich sowie im Ostseeraum zwischen den Anrainerstaaten Norwegen, Schweden, Danemark, Finnland und Deutschland belegen. Auf den ebenfalls diskutierten, groBtechnisch aber noch nicht einsetzbaren Energietransport mittels Wasserstoff wird in den Abschnitten 4.4.6 bzw. 17.1 eingegangen.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung 100 %" =^ Maximum

47

Pumpspeicher- und Speicherkraftwerke zur Spitzenlastdeckung

Leistungsbedarf [kW]

0'

Abb. 3.4:

1

I

I

I

2

4

6

8

I

10

I

12

I

14

I

16

I

18

I

20

I

22

2400 U h r

Typische Tagesganglinie des Leistungsbedarfes und deren Deckung durch Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke

Die saisonalen Schwankungen sind von der Witterung, der Jahreszeit, den Arbeits- und Urlaubszeiten sowie den konjunkturellen Schwankungen in der Wirtschaft abhangig. Die taglichen Schwankungen ergeben sich aus dem Arbeits- und Freizeitrhythmus, dem Bedarf in den Haushalten, den Lebensgewohnheiten, dem Verkehr und der Witterung. Eine typische Ganglinie fiir den Leistungsbedarf eines Tages ist in der Abb. 3.4 wiedergegeben; gleichzeitig ist darin die Deckung des Energieverbrauchs durch die gangigen Kraftwerkstypen eingetragen. Den Grundlastkraftwerken ordnet man Kraftwerke mit einer - im optimalen Wirkungsgradbereich - gleichmaBigen Erzeugung von Energie aus preisgiinstigen Rohstoffen zu (Kohle-, Kemkraft-, Laufwasserkraftwerke), die mehr als 5.500 Stunden pro Jahr im Einsatz sind (maximal 8.760 h abziighch Revisionszeiten), dabei unter mitteleuropaischen Verhaltnissen ca. 30 % des Energiebedarfes decken und sehr wirtschaftlich arbeiten. Mittellastkraftwerke sind Kraftwerke, die in der Lage sind, auf umfassendere Nachfrageschwankungen zu reagieren (Steinkohlestaub-, 01-, Gas- oder Speicherkraftwerke), zwischen 1.500 und 5.500 Stunden pro Jahr im Einsatz sind und dabei ca. 40 % des Energiebedarfes decken. Die Spitzenkraftwerke schlieBlich sind fiir die Abdeckung von kurzfi-istigen Nachfrageschwankungen bzw. fiir auf wenige Stunden beschrankte Spitzenbelastungen ausgelegt (Gasturbinen-, 01-, Speicher-, Pumpspeicherkraftwerke), wobei deren jahrliche Einsatzzeiten bei 1.000 bis 1.500 Stunden liegen. Die genannten Betriebszeiten sollen lediglich eine etwaige Vorstellung vermittebi. Sie unterliegen sehr stark den ortlichen Randbedingungen hinsichtlich Energiequelle, Energieverteilung, Charakter des Versorgungsgebietes, Vemetzung im Verbundsystem etc. In der Abb. 3.5 sind vergleichend die durchschnittlichen hivestitionsaufwendungen bzw. die sogenannte spezifische Investition sowie die daraus resultieren-

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

48

den durchschnittlichen spezifischen Stromgestehungskosten dargestellt (s. a. Kapitel 3.3.1.6). Es ist ersichtlich, dal3 hierfur der Standort der jeweiligen Energiequelle, aber auch die Bau- und Betriebs- bzw. Unterhaltskosten sowie Entsorgungskosten der Abfallprodukte fiir die Gesamtanlage eine bedeutsame Rolle spielen und somit letztlich die Stromgestehungskosten einer einzelnen, separat betrachteten Anlage deutlich abweichen konnen. Dariiber hinaus spielen die Verfugbarkeit bzw. Ausnutzungsdauer der jeweiligen Energieerzeugungsform (s. Tabellen 1.2 und 17.3) eine wichtige Rolle. Dabei werden heute in der Regel die extemen Kosten der Energieumwandlung nicht berticksichtigt, da erne einheitliche Defmition und Erfassung derselben noch nicht moglich ist. Gleichzeitig wird aber auch die Rolle der energie- und wirtschaftspolitisch bedingten Subventionen im liberalisierten Strommarkt verdeutlicht, wenn man die durchschnittlichen Endkundenstrompreise im Jahr 2000 fur Tarifkunden von ca. 0,11 €/kWh bei einer Bandbreite von 0,09-0,13 €/kWh und fur Sondervertragskunden von 0,05 €/kWh beriicksichtigt. In den letzten Jahren sind im sich offiienden Strommarkt eine ganze Reihe von Stromprodukten mit weitaus groBeren Preisdifferenzen moglich geworden, die von Billigstangeboten bis hin zu sogenannten Grunen-Strom-Angeboten mit unterschiedlichster Auspragung reichen (s. a. Kapitel 16.6.5.4). Heute steht es dem Einzelkunden letztlich frei, gezielt derartige Stromprodukte zu beziehen. Inwieweit solche Angebote allerdings infolge der heute fast immer notwendigen Preiszuschlage vor allem fur die Durchleitung durch Netze Dritter sich auf Dauer durchsetzen werden, wh-d die weitere Entwicklung zeigen. D durchschnittliche Investitionsaufwendungen [€/kW] • durchschnittliche spez. Stromgestehungskosten [€/kWh]

7.000

7.000

0,80 +•

5.000 0,60 +•

4.000 + 3.000 -|- 2.000 1.200

0 09 260

0,06

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, ^^^ .1.000

1.200

^^ .^-^^

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J" Abb. 3.5:

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1.000

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Durchschnittliche Investitionen [€/kW] und Stromgestehungskosten [€/kWh] fiir unterschiedliche Energieerzeuger (Stand 2001)

Auch werden durch den zunehmend freieren Marktzugang die Moglichkeiten von Investitionen in der Energieerzeugung durch beispielsweise Aktiengesell-

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

49

schaften etc. vereinfacht. Allerdings wird sich durch diese Entwicklung der Wettbewerb ebenfalls verscharfen. P Q hf

[MW] [m3/s] [m]

T1*t o t *•- [-] -•

50

Abb. 3.6:

100 150 200 - Ausbauzeit Ta 330 Tage

250

300 350365 Zeit [Tage]—•

Charakteristischer Leistungsplan einer Wasserkraftanlage [nach 3.5]

Auf der Basis der wassermengenwirtschaftlichen Erhebungen (s. Kapitel 3.3) und der Anlagenplanungen in Verbindung mit den Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (s. Kapitel 3.3) wird schlieBlich der Leistungsplan, auch Werkleistungsplan genannt, erstellt (s. Abb. 3.6). Dieser ist die graphische Darstellung der Zusammenhange zwischen DurchfluB, Fallhohe und Leistung. Der DurchfluB entspricht dabei seiner Dauerlinie; die Fallhohe und die Leistung werden in Abhangigkeit vom jeweiligen DurchfluB als Dauerlinie dargestellt; in manchen Fallen wird auch noch der Gesamtwirkungsgrad rftot in Abhangigkeit des zugehorigen Durchflusses mit aufgetragen. Der Leistungsplan dient zur Ermittlung des Regelarbeitsvermogens. 3.2.3

Ausbaugrad

Der AusbaudurchfluB Qa ist der DurchfluB, fiir den ein Kraftwerk ausgelegt ist, d. h. bei dem es die maximale Leistung - die sogenannte Ausbauleistung - mit dem giinstigsten Wirkungsgrad erbringt. Der Ausbaugrad X eines Laufwasserkraftwerkes ist das Verhaltnis des Ausbaudurchflusses Qa zum MittelwasserabfluB MQ: [-]

(3.1)

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

50

Bei einem Speicherkraftwerk hingegen ergibt sich der Ausbaugrad fa aus dem Verhaltnis des Speichervolumens V^p zur Jahreswasserfracht der Zuflusse Vzufa =

'Sp

Qa MQ Vsp Vzu

(3.2)

[-]

Ausbaugrad AusbaudurchfluB MittelwasserabfluC Speichervolumen Jahreswasserfracht der Zuflusse

[mVs] [mVs]

[m^l Die Wahl des Ausbaugrades einer Wasserkraftanlage hangt ab von der AbfluBcharakteristik des auszubauenden Gewassers (gleichmal3iger oder stark schwankender AbfluB), von der Einsatzart der Wasserkraftanlage (Inselbetrieb, im Verbund als Grund- oder Spitzenlastkraftwerk), von weiteren Wassemutzungen (Schiffahrt, Pflichtwasserabgaben, Naturschutz etc.) und vom Kosten-Nutzen-Verhaltnis (s. Abb. 3.8 und Kapitel 3.3.1.6). Ein niedriger Ausbaugrad {Qa,i in Abb. 3.7) wird bei der geplanten Erzeugung von Grundlastenergie gewahlt, wobei eine hohe Abgabesicherheit vorhanden ist und niedrige Investitionen notwendig sind. Ein mittlerer Ausbaugrad {Qa,ii in Abb. 3.7) wird bei einer in der Kegel flachen AbfluBdauerlinie mit einer ausgepragten Hochwasserspitze gewahlt, bei der der AusbaudurchfluB Qa etwa dem AbfluB Qjoo (der AbfluB, der an mindestens 100 Tagen iiberschritten wird) entspricht, wobei mittlerweile erkannt wurde, daB auch ein Q50 oder weniger bereits wirtschaftlich sein kann (z. B. Donaukraftwerk Wien-Freudenau sogar Qs?). Ein hoher Ausbaugrad {Qa,iii in Abb. 3.7) wird bei der geplanten Erzeugung von Spitzenstrom in Verbundnetzen gewahlt, wobei allerdings mit hoheren Investitionen zu rechnen ist. k

k

Q,.„,-

\ ^ - A bfluBdai lerlinie

Q.,.-

Q„r ••

100 Abb. 3.7:

200

300 365 Tage

1^ ^ j ^ A b f l u B d a u e r l inie

!

...^i^

1

i*^""*^

1 100

1 200

"^ 1 300 365 Tage

Beispiele fur die moglichen Ausbaugrade einer Wasserkraftanlage

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Bereich Speicher 1

51

Gesamtzufluß QZu zu Speicher 1

f Pflichtwasserabfluß Q P f l Speicherverlustabfluß QVer Ableitungsabfluß Q A b l Nutzbarer Kraftwerkszufluß Qn

K

V Überleitungsabfluß Q Üb er

>i Anlagebedingter Verlustabfluß Q AV (Wehr, Schleuse) Betriebsbedingter Verlustabfluß Q B V (Maschine, Netz)

Bereich Kraftwerk

Kraftwerksverlustabfluß Q K V z. B.: Leerschuß, Brauchwasser, Kühlwasser, Spaltwasser

T Speicherinhaltsänderung AI Bereich Speicher 2 Zuflüsse und Abflüsse wie bei Speicher 1

Abb. 3.8:

Schema der Zufliisse, Abfliisse und Durchfliisse bei Wasserkraftanlagen [nach 3.6]

52

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

3.3

Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten

Die grundlegende Beurteilung eines Wasserkraftprojektes im Zusammenhang mit einem Neubau, einer Modemisierungs- oder einer ReaktivierungsmaBnahme sowie einer Wertermittlung stellt ein wesentliches, fiir die Projektrealisierung letztlich ausschlaggebendes Kriterium dar [3.2]. Dabei laBt sich die RealisierungswUrdigkeit einer Wasserkraftanlage hauptsachlich auf die folgenden fiinf Bearbeitungsstufen innerhalb eines Planungsprozesses ausrichten [3.7]: 1. Charakterisierung der Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerkes, dessen Konzeption und Betrieb durch seine hydrologischen und technischen Parameter bestimmt werden mit in der Wirtschaftlichkeitslehre herkommlichen Berechnungsverfahren bzw. Kennwerten. 2. Vergleich verschiedener altemativer technischer Losungen zur Ausnutzung des verfugbaren Wasserkraftpotentials einer bestimmten FluBstrecke und Auswahl der wirtschaftlichsten Variante sowie Feststellung der Prioritaten im Rahmen der Vorstudie. 3. Erarbeitung eines wirtschaftlich optimalen Projektes, wobei die ProjektgroBe bzw. der Ausbaugrad und die Auswahl der hierfur in Frage kommenden Losungen mit Hilfe einer okonomischen Zielfimktion unter Beachtung der technischen, okologischen und sozialen Randbedingungen zu ermitteln sind. Dieses Vorgehen bedeutet ein echtes Optimierungsverfahren. 4. Vergleich einer Wasserkraftanlage mit altemativen regenerativen Kraftwerken, die sich ftir eine vergleichbare Stromerzeugung anbieten konnten. 5. Analyse von Mehrzweckprojekten: Hier ist es erforderlich, zuerst eine gerechte Verteilung der Investitionsaufwendungen und Betriebskosten zwischen den verschiedenen Zielprojekten abzuschatzen bzw. die Zuordnung der die Energieerzeugung allein betreffenden Kostenanteile zu ermitteln. Um diese Themenkomplexe abarbeiten zu konnen, werden entsprechend den jeweiligen Anforderungen unterschiedliche Bewertungs- und Beurteilungsverfahren eingesetzt. Allen Verfahren liegt das als wutschaftliches Handehi bezeichnete Bestreben zugrunde, die zur Verfiigung stehenden finanziellen Mittel optimal im Sinne des Untemehmenszieles einzusetzen. So haben einerseits die rein betriebswirtschaftlichen Verfahren die Gewinnmaximierung bzw. Verlustminimierung aus der Sicht des Untemehmens bzw. Betreibers zum Ziel, wahrend andererseits in die gesamtwirtschaftlichen Betrachtungen zusatzlich eine Reihe von gesamtgesellschaftlichen, d. h. gesamtwirtschaftlichen, sozialen und okologischen Zielen einbezogen werden. Dabei stehen beide Ansatze keinesfalls im Gegensatz zueinander, sondem erganzen einander im Informationsgehalt fiir den bzw. die Entscheidungstrager.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

53

Bei groBeren bzw. in ihren Auswirkungen umfassenderen Vorhaben werden heute (iblicherweise beide Ansatze in einem Gesamtverfahren verkniipft [3.2]: 1. Im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung werden zunachst die unternehmensintemen Gesichtspunkte in Form des Investitionsumfanges sowie dessen Auswirkungen auf Betriebsfuhrung, Unterhaltung und Ertragsentwicklung beurteilt (s. Kapitel 3.3.1). 2. In erweiterten Nutzen-Kosten-Untersuchungen werden die gesamtwirtschaftlichen und gesamtgesellschaftlichen Aspekte unter EinschluB der Umweltgesichtspunkte unterschiedlicher Auspragung einbezogen (s. Kapitel 3.3.2). Die Ergebnisse derartiger Betrachtungen konnen dabei die im Rahmen eines Planungsprozesses eigentlich zu fallenden Entscheidungen selbst nicht vorwegnehmen. Sie stellen vielmehr eine Hilfe flir denjenigen dar, der letztendlich die Entscheidung zu treffen und zu vertreten hat. Ihnen kommt allerdings die besondere Rolle zu, die Grundlage fiir eine sachgerechte, konstruktive Behandlung der anstehenden Thematik zu liefem und somit schluBendlich auch die notwendige Akzeptanz zu erreichen. 3.3.1

Betriebswirtschaftliche Betrachtung

FUr die betriebswirtschaftliche, untemehmensbezogene Beurteilung von Projekten emschlieBlich deren Altemativen stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Verfiigung, die sich aus den Wirtschaftswissenschaften und der Systemtheorie entwikkelt haben und unter dem Sammelbegriff der Nutzen-Kosten-Untersuchungen erfaBt werden. Die Inhalte dieser Werkzeuge sind an zahlreichen Stellen ausflihrlich dargelegt, so daB auf weitere Ausfuhrungen verzichtet wh*d (s. z. B. [3.2]/[3.8]/[3.9]). Die Kostenvergleichsrechnung (KVR) und deren erweiterte Form, die Erweiterte Kostenvergleichsrechnung (EKVR) bzw. Gewinnvergleichsrechnung, stellen die einfachsten Methoden dar. Grundgedanke dieser Verfahren ist die Minimierung des Arbeitsaufwandes, indem ftir den relativen Vergleich von Altemativlosungen die Zahl der einzubeziehenden Kosten- und Nutzenkomponenten auf diejenigen reduziert wird, die zwischen den Altemativen unterschiedlich sind. Eine reine KVR unterstellt somit a priori, daB die Ertrage beider Losungen gleich sind. Bei der erweiterten Betrachtung werden zusatzlich noch die Differenzleistungen zwischen unterschiedlichen Altemativen erfaBt und monetar bewertet. Erst die auf beiden KVR-Verfahren aufbauenden umfassenderen Wutschaftlichkeitsbetrachtungen gestatten einerseits eine Aussage tiber die absolute Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Ausfuhmngsmoglichkeiten oder andererseits iiber die Relation der Varianten zueinander. Generell gibt ein derartiges Vorgehen dem Planer eine weitaus groBere Sicherheit als die immer wieder verwendeten LFberschlagsformebi oder Orientiemngswerte, wie diese beispielsweise flir die spezifische Investition in Abhangigkeit der Kraftwerksleistung existieren. Gerade bei Wasserkraftanlagen, bei denen nahezu jeder Standort Besonderheiten aufweist und daher eine einheitliche Herstellung „von der Stange" - im Gegensatz zu z. B. Windkraftanlagen - im Gmnde unmog-

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

54

lich ist, konnen derartige Richtwerte nur eine erste, sehr grobe Hilfe darstellen, die keine generellen Aussagen zulassen. 3.3.1.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Neben der technischen Machbarkeit miissen kostenintensive Vorhaben auch nach den Kriterien der Wirtschaftlichkeit untersucht werden. Die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung bezieht sich dabei auf die finanzwirtschaftliche Beurteilung des Vorhabens. Hierbei wird zuerst die sogenannte Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgefiihrt. Bei dieser werden alle auftretenden Zahlungsstrome einschlieBlich ihrer zeitlichen Abfolge ermittelt und beurteilt. Stellt man die Aufwendungen und Ertrage entsprechend fur den zu betrachtenden Zeitraum einander gegeniiber, so ergibt sich prinzipiell der in Abb. 3.9 dargestellte Verlauf der Summenlinien. Verkaufserlös für 1 Grundstück u. a.

€ Amortisationszeitpunkt

,../ +

Aufwendungen \ , •

I Abbruchkosten

Standortaufgabe

-

Erträge

alternativ: Reinvestition + Weiterbetrieb

Grundstückserwerb ^ ^ Gesamtinvestition Bauzeitl

Abb. 3.9:

Nutzungsdauer

Jahre

Schematischer Verlauf der Summenlinien der Aufwendungen und Ertrage fur ein Wasserkraftprojekt im zu betrachtenden Zeitraum [3.2]

Im darauf folgenden Schritt miissen die daraus resultierenden Ergebnisse, z. B. der Amortisationszeitpunkt, beurteilt werden. Uber die spatere Realisierung emer Projektidee entscheidet letztendlich der gesunde und erfahrene Menschenverstand des Initiators, indem dieser samtliche Untersuchungsergebnisse mit seinen personlichen Zielen vergleicht und eine Entscheidung iiber das Projekt trifft. Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung sind die Genauigkeit und die Eintrittswahrscheinlichkeit der zugrunde gelegten Daten von entscheidender Bedeutung. Entsprechend kann in der filihen Projektierungsphase die Kosten- und Ertragsrechnung nur auf uberschlagig ermittelten Schatzwerten des Livestitionsumfanges und der Betriebskosten beruhen. Ein darauf aufbauender Vergleich von verschiedenen Ausl^hrungsvarianten kann somit nur dann eine substantielle Aussage evident liefem, wenn es sich um eine Gegeniiberstellung in sich konsistenter Altemativen handelt.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

55

Es ist daher in Kenntnis dieser Zusammenhange zielflihrend, die gesamte Wirtschaftlichkeitsuntersuchung entsprechend dem Planungsfortschritt bzw. dem Betriebszeitpunkt beispielsweise nach dem nachfolgenden Schema zu strukturieren, permanent zu verfeinem und fortzuschreiben [3.2]/[3.8]: 1. Abschatzung der voraussichtlichen Projektkosten bzw. Investitionen. 2. Erkundung und Festlegung der Randbedingungen, z. B. Nutzungsdauer, Stromertrage, Zinssatz, Steuem etc. 3. Ermittlung und Gegentiberstellung der Kapitalwerte und Annuitaten aus den Investitionen und den laufenden Aufwendungen (Betriebsfuhrung etc.). 4. Sensitivitatsanalyse unter Variation maBgebender wahrscheinlichkeitsbehafteter BerechnungsgroBen, durch die der EinfluB dieser einzebien GroBen auf das Ergebnis ermittelt werden kann. 5. Gesamtbeurteilung und Ergebnisinterpretation entsprechend den individuellen Zielvorstellungen als eigentlicher Kern der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung. Als betriebswirtschaftliche Beurteilungsgrundlage spielt die Investitionsrechnung (Schritte 1-3) eine zentrale Rolle - und analog die Kosten-Nutzen-Analyse als gesamtwirtschaftliche Betrachtung -, indem diese bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung die Entscheidungsgrundlagen liefert. Die Ergebnisse dieses als Entscheidungshilfe dienenden Werkzeugs miissen jedoch wegen der Unsicherheiten der prognostizierten Entwicklung und der Wertansatze sinnvollerweise durch Sensitivitatsuntersuchungen und Risikobetrachtungen vervollstandigt werden, um dem Entscheidungstrager ein fiindiertes Urteil zu ermoglichen. 3.3.1.2 Investitionsrechnung zur Untersuchung der Wirtschaftlichkeit Im Rahmen der Investitionsrechnung wird die finanzwirtschaftliche Betrachtung eines Projektes vorgenommen, um dessen absolute oder relative Vorteilhaftigkeit beurteilen und die Gefahr falscher Investitionsentscheidungen auf ein Minimum beschranken zu konnen. Als Aktivitat der Kapitalverwendung bzw. des Kapitaleinsatzes sind Investitionen grundsatzlich mit Mittelfltissen zu unterschiedlichen Zeitpunkten und in verschiedene Richtungen verbunden, die in einem sogenannten Investitionsplan bzw. Zahlungskalender dargestellt werden (s. Abb. 3.9). Dieser mit Hilfe der Investitionsrechenverfahren ermittelte Plan der Mittelfltisse liefert schlieBlich die Antworten auf die dargelegten Fragestellungen. Erganzt wird er durch die Betrachtung der wesentlichen EinfluBgroBen im Rahmen einer sogenannten Sensitivitatsanalyse, um eventuelle Risiken erkennen zu konnen. Ftir die Investitionsrechnung stehen unterschiedliche Methoden zur Verfugung, die sich in die zwei Hauptgruppen der statischen und der dynamischen Verfahren unterteilen lassen. 3.3.1.3 Grundlagen der Zinsrechnung, Abschreibung und Annuitat Bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen miissen unterschiedliche Zahlungen oftmals auf einen bestimmten Zeitpunkt bezogen werden, um eine Vergleichbarkeit herzustellen. Dies wird durch die Aufzinsung (Akkumulierung) einer friiheren Zahlung oder Abzinsung (Diskontierung) einer spateren Zahlung relativ zum Bezugszeitpunkt erreicht (s. Abb. 3.10a).

56

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Wird eine einmalige Zahlung Z auf einen spateren Zeitpunkt in n Jahren bezogen, so erhalt man deren End- oder Barwert W zu diesem spateren Bezugszeitpunkt wie folgt: W = Z'q'' =Z\l

+ iy

[€]

(3.3a)

und fiir eine kontinuierliche Zahlungsreihe z mit n gleichen Geldbetragen gilt: = Z'^, \=Z'^—= Z'^ ^ [€] (3.3b) W = z-aa=Z'^—q-1 (p/lOO) i / ' ' ' ' Ftir eine einmalige spatere Zahlung, die meist auf den Gegenwartswert bezogen wird, ergibt sich der Barwert zu diesem frUheren Bezugszeitpunkt zu: W = Z-q-"=Z-{l

+ iy'=Z^—L— (7 + /)

[€]

(3.4a)

und fiir eine gleichformige Zahlungsreihe zu: W = z^a,=z^ W Z z q p / n Qa Gd AZ

I

/

'

= z ^ ^ = z^

[^^

[€]

(3.4b)

End- Oder Barwert einmalige Zahlung gleiche Zahlungen einer Zeitreihe Zinsfaktor: q = 1 + p/100 = 1 + i ZinsfuB kalkulatorischer Zinssatz: i = p/100 (s. a. Kapitel 3.3.1.5) Zahlungszeitpunkt bzw. Beginn der Zahlungsreihe Akkumulierungsfaktor/Akkumulations-ZEndwertfaktor Diskontierungs-/Barwert-/Rentenbarwertfaktor Akkumulierung

Jz J z Jz

Jz Jz

Jz

Diskontierung Jz

Jz

Jz

ZA

Steigerungsrate r

T

Jz

Jz

Abb. 3.10:

...

-2

-1 1 2 Bezugszeitpunkt X

...

n-1

• '^'z " I z'" J z " I'z

Jz n [a]

..

^ f " f""|

H

-n -n-1 a

[€] [€] [€] [-] [%] [-] [a] [-] [-]

\

\

\

1 2 ... b Bezugszeitpunkt X

Vz'^z \

n-1

1

n [a]

Zinsrechnung: a) Akkumulierung und Diskontierung von einmaligen Zahlungen Z bzw. gleichmafiigen Zahlungsreihen z; b) progressiv ansteigende Zahlungsreihe z mit Steigerungsrate r

In der Kegel miissen bei Zahlungsreihen Preissteigerungsraten r berticksichtigt werden, die aus den jahrlichen realen Preisveranderungen folgen (s. Abb. 3.10b), sofem nicht mit mflationsberemigten Werten gearbeitet wird. Der Barwert 1^ einer auf einen frUheren Bezugszeitpunkt bezogenen, progressiv ansteigenden Zahlungsreihe mit konstanter Preissteigerungsrate r betragt dann: W = z-a^=z-s-—^,

- = z-(l + r)-^

'-—i

^ [€]

(3.4c)

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

57

Gds Diskontierungsfakor mit Steigerungsrate [-] s Steigerungsrate: s = 1 + r [-] r prozentuale Preissteigerung [-] Da bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen hauflg zu hohe Preissteigerungsraten verwendet werden, ist es empfehlenswert, in einem ersten Schritt die Betrachtungen ohne oder mit einer geringen Preissteigerungsrate vorzunehmen. Bei wasserkraftspezifischen, einen verhaltnismaBig langen Zeitraum umfassenden Betrachtungen ist es ublich, eine Preissteigerungsrate von maximal 3 % pro Jahr anzusetzen und sich damit am mehrjahrigen Durchschnitt des realen Wirtschaftswachstums zu orientieren. Haufig wird bereits ein Prognosewert von 1 bis 2 % insbesondere bei den laufenden Aufwendungen bzw. Bewirtschaftungskosten eine realistische Annahme darstellen [3.2]. Vielfach werden die finanzmathematischen Umrechnungsfaktoren auch in Tabellen ftir unterschiedliche Zinssatze angegeben, so z. B. von der LAWA [3.8]. In einigen Fallen ist es auch zweckmaBig, einzelne Aufwendungen bzw. die Differenz zwischen Ein- und Auszahlungen in eine Reihe gleichmaBiger Zahlungen umzurechnen. Diese Zahlungen werden auch als Annuitat bezeichnet. hn Falle einer Schuldentilgung setzt sich diese aus dem Zins auf das geschuldete Kapital und der Tilgung zusammen. Bei einer Investitionsrechnung wird die Annuitat kalkulatorisch auf die Verzinsung des investierten Kapitals und die Abschreibung bezogen. Diese Vorgehensweise und die zugehorende Ergebnisinterpretation ist Inhalt der sogenannten Annuitatenmethode (s. Kapitel 3.3.1.5). FUr den emfachsten Fall ermittelt sich die konstante Annuitat A einer Livestition /iiber n Jahre ohne Restwert R am Ende des Betrachtungszeitraumes zu: (; + /•)"•/ q"(q-l) A = Zins + Abschreibung = / • -^ ^ = / • -^—^ '- = Ia = I a^ [€] (3.5) (/ + / ) " _ / q"-l / ^ I JV A Annuitat mit konstantem Verlauf [€] / Investition [€] a Annuitaten-/Kapitalwiedergewinnungs-/Kapitaltilgungsfaktor: a - I/a, [-] Ftir den Tilgungszeitraum wird normalerweise der Abschreibungszeitraum TA angesetzt, so dal3 n = TA gilt (s. Kapitel 3.3.1.6). 3.3.1.4 Statische Verfahren der Investitionsrechnung Statische Berechnungsverfahren gehen von Kosten-, Gewinn- und Rentabilitatsvergleichen aus (Kostenvergleichs-, Gewmnvergleichs-, Rentabilitats-, Amortisationsrechnung etc.) und beriicksichtigen den Zeitfaktor nicht oder nur sehr eingeschrankt. Die dadurch entstehenden Fehleinschatzungen werden um so groBer, je langlebiger die Investition angelegt und je hoher der Zinssatz sind. Dementsprechend sind sie ftir die Betrachtung von Wasserkraftanlagenprojekten nur wenig geeignet [3.2]. 3.3.1.5 Dynamische Verfahren der Investitionsrechnung Die dynamischen Verfahren beriicksichtigen den Zeitfaktor, indem die unterschiedlichen Zahlungen (Einnahmen/Ausgaben bzw. Nutzen/Kosten) auf einen Bezugszeitpunkt entsprechend auf- oder abgezinst werden und so der komplette

58

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Betrachtungszeitraum korrekt Eingang findet. Da diese Verfahren langfristige Annahmen - in der Regel mehr als funf Jahre - bzw. detailliertere Angaben erfordem, stellen sie bei Wasserkraftanlagenprojekten ein geeignetes Beurteilungsinstrument dar. Kapitalwertmethode Bei der Kapitalwertmethode werden die im Zeitablauf nach Grol3e, Zeitpunkt und Dauer verschiedenen Ein- und Auszahlungen erfaBt, wobei die Vergleichbarkeit durch die Auf- bzw. Abzinsung aller Zahlungen auf einen gleichen Bezugszeitpunkt erreicht wird. Ublicherweise werden alle Nutzen und Kosten auf den Anfang des Jahres bezogen, an dem der Betrieb der Wasserkraftanlage aufgenommen wird. Li diesem Sinne nimmt der Kapital-, Bar- bzw. Gegenwartswert WQ der Investition die folgende Form an: T

WG=-I + Y,iN>-K,)-g" + R-q~' [€]

(3.6)

t=J

Bei diesem Kennwert stellt die Investition / den Wert aller Ausgaben der Vorbereitung, der Planung, des Baues und der Ausrustung sowie aller sonstiger Kosten dar, die bis zur Inbetriebnahme entstehen konnen, und zwar aufgezinst (akkumuliert) auf den Jahresbeginn der Inbetriebnahme:

/ = ! ; / . ^^ WQ IK Nt Kt T t R

[€]

Kapital- bzw. Gegenwartswert Teilinvestition im Jahr K Nutzen (Einkommen) im Men Jahr, auf Jahresende bezogen Kosten (Ausgaben) im /-ten Jahr, auf Jahresende bezogen kalkulatorischeLebenszeits. Tabellen 3.1/3.2 zeitliche Laufvariable: t = 1, 2,..., T Restwert der Anlage am Abschreibungsende

(3.7) [€] [€] [€] [€] [a] [a] [€]

Der hierbei notwendige Kalkulationszinssatz / wird in der Hohe festgelegt, in der sich das Eigen- bzw. Gesamtkapital verzinsen bzw. welche Rendite erzielt werden soil. Dabei ist der Fremdkapitalanteil bzw. der aus dem hierfur notwendigen Kapitaldienst bzw. der Annuitat resultierende FremdkapitalzinsfuB prozentual entsprechend voll anzusetzen. Dieser Zinssatz orientiert sich meist am Kapitalmarkt, z. B. an der effektiven Verzinsung festverzinslicher Wertpapiere mit langer Laufzeit von mindestens 10 Jahren (i. d. R. zwischen 4,8 % und 6,2 % ) , und wird durch einen Zuschlag fiir Risiko, Inflation und Ertragssteuem etwas erhoht sowie vereinfachend iiber die gesamte Laufzeit als konstant angenommen. Fiir eine erste Abschatzung wird haufig von einem KalkulationszinsfuB in Hohe von 6 % ausgegangen [3.2]. Weiter wird in die Gleichung der sogenannte Restwert R der Anlage - naturlich auf das Jahr der Inbetriebnahme abgezinst (diskontiert) - einbezogen, da am Ende der Abschreibungszeit noch verkaufbare Werte verbleiben; oft wird dieser Restwert auch auBer acht gelassen.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

59

Eine Investition ist dann vorteilhaft, wenn deren Kapitalwert WQ positiv ist; bei einem Variantenvergleich wird diejenige mit dem hochsten Kapitalwert den Vorzug erhalten. So kann beispielsweise eine Variante mit hoherer Investition durch den garantierten besseren Anlagenwirkungsgrad langfristig einen besseren Nutzen bringen. Methode des internen ZinsfuOes Unter dem internen ZinsfiiB po wird der ZinsfliB verstanden, bei dem der oben defmierte Kapital- bzw. Gegenwartswert der Investition gleich null ist: Wo=0

[-]

(3.8)

Das Wirtschaftlichkeitskriterium besteht bei diesem Verfahren darin, daB der berechnete interne ZinsfuB po gleich oder groBer als der iibliche bzw. groBer als der fiir die jeweilige Investition voraussetzbare KalkulationszinsfuB/7 sein muB. Annuitatsmethode Bei diesem Verfahren, das auf der Kapitalwertmethode aufbaut, werden die durchschnittlichen jahrlichen Auszahlungen (Nutzen) der Investition mit den durchschnittlichen jahrlichen Einzahlungen (Kosten) verglichen, indem die beiden Zahlungsreihen mit Hilfe der Zinseszinsrechnung in zwei aquivalente Reihen mit gleichbleibenden Jahresbetragen umgerechnet werden (Nt=N = const, und Kt = K = const.). Unterliegen die Jahresbetrage Schwankungen, so mtissen zunachst deren Gegenwartswerte durch Abzinsung ermittelt und anschlieBend die Summe der Gegenwartswerte aufgezinst, also in gleichbleibende Jahresbetrage umgewandelt werden. Dies bedeutet, daB man die Annuitat einer Investition Aj, d. h. die jahrlichen Einzahlungsilberschiisse, aus der Multiplikation des Kapitalwertes WG aus (3.6) mit dem Kapitalwiedergewinnungsfaktor a aus (3.5) erhalt: Aj=Wo-a = Wo' — = Wo' cid

y /=Wo'} q -1

[ {l^i)

[€]

(3.9)

-1

Dabei flieBen Uber den Kapitalwert WQ aus (3.6) neben der eigentlichen Anfangsinvestition auch gegebenenfalls die wahrend der Nutzungsdauer anfallenden Nutzen und Kosten sowie ein moglicher Restwert zeitlich korrekt mit ein. Ist die Annuitat positiv, so ist die Einzelinvestition vorteilhaft. Sind mehrere Varianten zu vergleichen, so ist diejenige vorzuziehen, die die hochste Annuitat erzielt. 3.3.1.6

Besondere KenngroBen bei Wasserkraftanlagen

Nutzen-Kosten-Verhaltnis Das Nutzen-Kosten-Verhaltnis R ist ein Kennwert, der die Relation der Nutzen zu den Kosten verdeutlicht. Mit den bisherigen Bezeichnungen wird das Verhaltnis R fiir die ganze kalkulatorische Lebenszeit der Anlage - wiederum auf Betriebsbeginn bezogen - bei Vemachlassigung des Restwertes definiert zu:

60

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Dieses kann bei der Annahme, daB fur jedes Jahr Nt=N = const, und Kt= K = const, bleiben, auch folgendermaBen geschrieben werden: N R=

N

N =—

= -r^^

[-]

(3.10b)

R Nutzen-Kosten-Verhaltnis [-] Bei einem Vergleich der zuvor eingefuhrten Verfahren mit diesem Kennwert wird offensichtlich, daB der Grenzfall R = 1 den intemen ZinsfuB darstellt bzw. also WG = ^ ist Oder den Nullgewinn G = 0, der sich als Differenz der jahrlichen Einnahmen N und Ausgaben Kj ergibt zu: G = N-(a'I

+ K) = N-Kj

[€/Jalir]

G jahrlicherNettogewinn KJ JahreskostenZ-ausgaben und der unter normalen Umstanden positiv sein sollte. Damit folgt ftir die Rentabilitat eines Projektes: R>1 [-] Es ist auch tiblich, die Kosten weiter zu differenzieren (s. unten): KB=KU+KJ,

[€]

(3.11a) [€/Jahr] [€/Jahr]

(3.10c) (3.11b)

KB laufende Betriebskosten der Wasserkraftanlage [€] Ku laufende Unterhaltungskosten [€] Kj^ Produktionsnebenkosten (Steuer, Verwaltung etc.) [€] In diesem Fall werden im Zahler des Nutzen-Kosten-Verhaltnisses die Nettonutzen eingesetzt, und im Nenner erscheinen nur die laufenden anfallenden Betriebskosten, also die Unterhaltskosten Ku'. R = {N-Kj,)/{aI

+ Ku)

[-]

(3.10d)

Die Aufteilung der Kosten kann aber sehr willkiirlich erfolgen, man kann also den Kennwert R und damit die Rentabilitat in einem gewissen MaB „frisieren". Es ist leicht einzusehen, daB der Kennwert R desto gtinstiger ausfallt, je groBer der Anteil der Jahreskosten ist, der als Produktionsnebenkosten abgetrennt wird. Dadurch wird deutlich, daB eine gewisse Unsicherheit bei der Beurteilung der Rentabilitat auf der Basis eines Nutzen-Kosten-Verhaltnisses besteht. Dieser Kennwert kann dann zuverlassig angewendet werden, wenn man beispielsweise Projektaltemativen desselben Projekttyps vergleicht, um bei der Vorplanung die Prioritaten schnell feststellen zu konnen. SpezifischeEnergieerzeugungskosten Die Ermittlung der spezifischen Energieerzeugungs- bzw. Stromgestehungskosten, d. h. der Kosten zur Erzeugung einer kWh-Energieeinheit, ist ein wichtiges aussagekraftiges Verfahren. Von diesem kann dann Gebrauch gemacht werden, wenn die wirtschaftliche Bedeutung des Wasserkraftprojektes mit den Daten eines durchschnittlichen oder charakteristischen Jahres gekennzeichnet werden kann (s. Kapitel 3.2.2 und Abb. 3.5).

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

61

Die spezifischen Energieerzeugungskosten c, die naheliegenderweise moglichst gering sein soUten, sind das Verhaltnis der Jahreskosten Kj zur jahrlichen Energieerzeugung Ea (s. Kapitel 2.1.3) und ergeben sich zu: c = KjlEa c Ea

[€/kWh]

(3.12)

spezifische Energieerzeugungskosten Jahresarbeitsvermogen/jahrliche Energieerzeugung

[€/kWh] [kWh]

Spezifische Investition Ein weiterer, in der Praxis oft benutzter Kennwert zum Vergleich verschiedener altemativer Losungen eines bestimmten Kraftwerktyps ist die spezifische Investition lo, d. h. das Verhaltnis der Investition zur Ausbauleistung (s. Kapitel 3.2.2 und Abb. 3.5).: Io=IlP

[€/kW]

(3.13)

IQ spezifische Investition [€/kW] Mit diesem Kennwert muB man allerdings sehr vorsichtig umgehen, weil selbstverstandlich zu einer bestimmten Leistung sehr unterschiedliche GroBen der Energieerzeugung gehoren konnen. Deshalb kann die spezifische Investition nur dann als eine echte charakteristische KenngroBe betrachtet werden, wenn die verglichenen Altemativen keine sehr unterschiedliche Nutzungsdauer aufweisen. Fiir Pumpspeicherkraftwerke (s. a. Abschnitt 3.3.1.7), bei denen die Rahmenbedingungen sehr ahnlich sind, wurde die Gleichung (3.13) zu einer empirischen Formel weiterentwickelt [3.10], durch die ein verhaltnismaBig guter Kostenvergleich im Vorplanungsstadium ermoglicht wird. Optimaler Ausbaugrad einer Wasserkraftanlage Eine grobe Abschatzung bei der Vorplanung kann gewahrleistet werden, wenn es moglich ist, mit einer befriedigenden Zuverlassigkeit die Jahreskosten Kj in Abhangigkeit des Ausbaudurchflusses Qa bzw. des Ausbaugrades^a (s. Kapitel 3.2.3) mit einer linearen Gleichung zu simulieren: Kj{Qa) = m'Qa+b

[€/Jahr]

(3.14)

Wenn es weiters moglich ist, mit einer gewissen Annaherung die Jahresenergieerzeugung durch eine Funktion des Ausbaugrades E/Qa) (s. Kapitel 2.1.3) zu formulieren, kann der Minimalwert der dann von Qa abhangigen spezifischen Energieerzeugungskosten c(Qa) mit einem einfachen graphischen Verfahren ermittelt werden, durch das man einen Orientierungswert fur den optimalen Ausbaugrad erhalt. Rechnerisch erhalt man dieses Minimum, indem man die spezifischen Energieerzeugungskosten c(Qa) nach Qa ableitet und diese Gleichung gleich Null setzt. Daraus folgt: ^

'

Kj{a,)

b + m-Q,

bIm + Q,

Ftir das graphische Verfahren trSgt man die Gerade K/Qa) nach (3.14), die jahrliche Energieerzeugung Ea(Qa) und die daraus folgenden spezifischen Energieer-

62

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

zeugungskosten c(QJ nach (3.12) in Abhangigkeit von Qa in einem Diagramm auf (s. Abb. 3.11). Hieraus wh-d ersichtlich, daB die Geradensteigung m = tan aeinen bestimmten Wert xi = b/tan a auf der g^-Achse festlegt. Die aus Punkt Pj zur ^adSo^-Kurve gezogene Tangente identifiziert die Stelle P2, durch die sich ein Orientierungswert fiir den optimalen AusbaudurchfluB Qa,opt und damit den optimalen Ausbaugrad ergibt. Der letztlich giiltige Ausbaugrad kann jedoch so festgelegt werden, daB die spezifischen Energieerzeugungskosten fur das Verbundnetz preislich noch akzeptabel sind. EJKJC

jahrliche Energieerzeugimg Ea(QJ Jahreskosten Kj(Qa) spez. Energieerzeugungskosten c(Qa) -•Qa

Abb. 3.11:

Graphisches Verfahren zur Ermittlung eines Orientierungswertes fur den optimalen Ausbaugrad

Planungszeitraum, kalkulatorische Lebenszeit und Nutzungsdauer Bei Wasserkraftanlagenprojekten ist der Planungs- oder Betrachtungszeitraum TV bei einer Wirtschaftlichkeitsuntersuchung nur selten mit der tatsachlichen technischen Lebens- bzw. Nutzungsdauer TL einer Anlage oder deren einzelner Komponenten (s. Tabellen 3.1/3.2) identisch. Gerade bei diesen Projekten zeigt die Erfahrung, daB die Nutzungsdauer einer Vielzahl von einzehien Komponenten meistens bedeutend langer als die fiir das Projekt gewahlte Abschreibungszeit ist und darUber hinaus bei Vergleichen groBe Spielraume zutage treten. Da die korrekte Berucksichtigung der zeitlichen Differenzen aller Einzelkomponenten und Teilaspekte sehr kompliziert und umfangreich ist, wird bei den meisten Investitionsrechnungen in der Praxis dieser Punkt vereinfacht. Dies geschieht in der Weise, daB fiir den Zeitraum TV der meist ktirzere Tilgungs- bzw. Abschreibungszeitraum TA anstatt der tatsachlichen Lebensdauer TL angesetzt wird, so daB TN = TA gilt. Dies ist vor allem dann zulassig, wenn der Betrachtungszeitraum bei unterschiedlichen Varianten gleich ist und annahemd iibereinstimmende Komponenten mit analogen Lebensdauem eingesetzt werden konnen [3.2]. Verfugbarkeit Zur vergleichenden Beurteilung der wirtschaftlichen Gilte verschiedener Typen von Energieerzeugungsanlagen wird die Verfugbarkeit bzw. sogenannte „Nichtverftigbarkeit" aus langjahrigen Erhebungen ausgewertet (s. a. Kapitel 1.7.3). Das MaB der „Nichtverffigbarkeit" hangt von unterschiedlichen unerwarteten Ereignissen (Ausfall von Maschinen, katastrophale Hochwasser, Netzzusammenbruch etc.) und von Reparatur- und Revisionsarbeiten ab, die die Leistungsfahigkeit beeintrachtigen bzw. die Energieabgabe des Kraftwerkes vermindem. Bei Wasserkraftanlagen wird die Verfugbarkeit auf diejenigen Energieausfalle bezogen, die dann entstehen, wenn nutzbare Zufltisse vorhanden sind, aber nicht verarbeitet werden konnen. Nach einer Studie von WAGNER [3.11] belauft sich die sog. „Arbeits-Nichtverfugbarkeit" bei deutschen Laufwasserkraftwerken auf etwa 1 %, womit diese im Vergleich mit anderen Landem sehr gut abschneiden.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung Tabelle3.1:

63

Durchschnittliche Nutzungsdauer Ti von allgemeinen Anlagenteilen bei Wasserkraftanlagen incl. Kleinwasserkraftanlagen [nach 3.8]

durchschnittliche Nutzungsdauer TL [a]| iFluBbauliche Anlagen: Deiche 80-100 Uferdeckwerke: regulierte + staugeregelte Flusse 50 Kanale aus Steinpackungen etc. (30-) 40 Uferwande: aus Stahlbeton, Beton 90 (60-) 90 Stahl Lebendverbau 30-40 Regelungsbauwerke (Grund-, Sohlschwellen etc.) 50 80-100 llTalsperren: Absperrbauwerke einschl. Betriebseinrichtungen aus Beton 30-40 Stahlwasserbaukonstruktionen einschl. Antriebe 30-40 Kranbahnen, -antriebe, Gelander, Lichtanlagen etc. 90 aus Beton, Mauerwerk, Stein llWehre: tiefbaulicher Teil: aus Stahl (60-) 90 bewegliche Teile einschl. Antriebe 40-70 llEntnahmebauwerke: aus Beton, Mauerwerk 80 aus Baustahl 60 llBetriebseinrichtungen: Rechen 20 40 Rechengeriist 35/15 Einlaufschiitze aus Stahl/Holz 25 VerschluBorgan 15/30 Schtitzantrieb im Freien/geschiitzt 100 IlKtinstliche Gerinne: Erd- und Felsarbeiten StoUenauskleidung 50 50-75 Gerinne: Beton und Stahlbeton - mildes Klima 20-30 - rauhes Klima Stahl 25-35 Holz, impragniert 30 Leitungsrohre: aus Stahl 50 aus Stahlbeton (40-) 50 Druckrohrleitungen 50 llWasserschlosser: in Pels 80-100 aus Stahl 50 llGebaude 50-80 llMeBeinrichtungen: Pegelanlagen 25 llGrundstucke unbegrenzt 1 llWirtschaftswege: ohne Bindemittel (2-) 5 20-30 Zementbeton/Betonsteine (8-) 15 Asphalt IlKleinkraftanlagen: bauliche Anlagenteile 50-60 1 maschinelle Anlagenteile 33-40 25-30 elektrische Anlagenteile 10 kurzlebige Gerate und Giiter llMasch. Ausriistung: Turbinen einschlieBlich Hausturbinen, Pumpen 30-60 Absperrorgane: Schutze, Schieber 40-60 30-50 Drosselklappen, Kugelschieber 25-40 Hebezeuge und Hilfsbetriebe 30-50 1 11 sonstige mechanische Krafthausausrustung Art der Anlage

64

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Tabelle 3.2: Durchschnittliche Nutzungsdauer Ti von Anlagenteilen bei Wasserkraftanlagen (Kleinwasserkraftanlagen nur eingeschrankt) [nach 3.8] Art der Anlage iBauliche Anlagen:

llElekt. Ausrustung:

II

Krafthaus: Tiefbau Hochbau der Witterung ausgesetzte Stahlkonstruktionen Druckleitungen, Panzerungen, Verteilleitungen Generatoren, Transformatoren (ohne Wicklungen) Generator- und Transformatorwicklungen Erreger (Motorbetrieb) Hochspannungsausrustung Eigenbedarfs- und Notstromanlagen Freiluftanlagen: Baulichkeiten Ausrustung Hochspannungsanlagen und -kabel

durchschnittliche ^Jutzungsdauer 71 [a]| 80-100 50-80 30-40 40-60 30-50 30 30 25-50 25-40 40-50 25-30 40-60 _J,

Jahrliche Aufwendungen fur Betrieb und Unterhalt Ftir die Ermittlung der jahrlichen Aufwendungen einer Wasserkraftanlage ist es notwendig, die jahrlich anfallenden Betrage infolge des Betriebes und der aus den Anlagekosten resultierenden Belastungen zu ermitteln. Hierbei unterscheidet man vorallem [3.2]: - Bewirtschaftungskosten zur Betriebsfuhrung: - Materialaufwendungen: fur Rob-, Hilfs- und Betriebsstoffe (z. B. Schmier61 etc.), die bei Wasserkraftanlagen meist verhaltnismaBig gering sind; - Personalaufwand, ftir den Betrieb und die Uberwachung der Anlage sowie fiir die Verwaltungsaufwendungen; - Sonstiger betrieblicher Aufwand, worunter samtliche regelmal3ige Aufwendungen gezahlt werden, die ftir den ordnungsgemaBen Anlagenbetrieb erforderlich sind, wie beispielsweise Instandhaltungskosten (s. Tabelle 3.3), Rechengutbeseitigung, Versicherungskosten, sonst. Abgaben etc. - Kapitalkosten und Abschreibung. Uberschlagig kann man die jahrlichen Aufwendungen unter AusschluB der Personalkosten zu ca. 3,5-5 % des Investitionsvolumens ansetzten, so daB man in Abhangigkeit vom Automatisierungsgrad der Anlage sowie der Kapitaltilgung auf einen Gesamtansatz ftir die jahrlichen Aufwendungen von 11-14 % des Livestitionsvolumens kommt. Tabelle 3.3: Richtwerte fur Unterhaltungs- und Emeuerungskosten, bezogen auf die getatigte Teilinvestition fur Anlagen bis ca. 10 MW [nach 3.12] lAnlagenkomponenten IStaumauem, Damme, Stollen, WasserschloB, Druckschacht, Ausgleichsbecken, Kanale Wehre, Einlaufbauwerke, Druckrohrleitung iGebaude und Nebenanlagen [mechanische und elektrotechnische Einrichtungen

Unterhaltung [%] Emeuerung [%] 1 0,1 0,7 1,2-1,6 0,4-0,6 3,0-6,0

1,2-1,8 1,5-2,0

2,5-3,0

1

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

65

Jahrliche Ertrage Die jahrlichen Ertrage einer Wasserkraftanlage bestehen uberwiegend aus den Riickflussen infolge des Stromverkaufs an das vorgelagerte EVU bzw. den Netzbetreiber. Dabei wird die Hohe des entsprechenden Vergiitungssatzes zum einen durch die installierte elektrische Leistung und zum anderen von der Art der Vermarktung bestimmt. Bei der Ermittlung der Vergutung ftir die Stromeinspeisung gilt es, zunachst die installierte Anlagenleistung zu betrachten, die derzeit fur die Hohe der Stromvergiitung ausschlaggebend ist. Die effektive Vergutungshohe pro Jahr ergibt sich schlieBlich aus der Multiplikation des Vergutungssatzes mit der Jahresenergieerzeugung. Seit Inkrafttreten des Stromeinspeisungsgesetzes im Jahr 1991 und dessen Folgegesetzes, des 2000 in Kraft getretenen Emeuerbare-Energien-Gesetzes (EEG), wird bei Wasserkraftanlagen bis zu einer installierten Generatorleistung von 5 MW die erzeugte Energie mit einem erhohten Preis vergiitet. GemaB diesem Gesetzen betragt der Vergutungssatz bei Anlagen bis 500 kW installierter Leistung 7,669 ct/kWh. Fur die daruber liegenden Anlagen von 500 bis 5.000 kW Leistung wird ein Vergiitungspreis angesetzt, der je nach Leistung zwischen 7,669 ct/kWh und 6,647 ct/kWh liegt. Seit 2004 haben sich die Modalitaten etwas geandert, und dariiber hinaus erhalten in engen Grenzen auch Anlagen bis 150 MW eine erhohte Vergutung. Bei alien weiteren Anlagen, die nicht unter das EEG fallen, ist die Vergutungshohe den Kraften des fi-eien Marktes unterworfen und muB entsprechend ausgehandelt werden, wobei meist nur geringere Einspeisevergutungen erlangt werden konnen. 3.3.1.7 Wirtschaftlichkeitsaspekte bei Pumpspeicherkraftwerken Der direkte Nutzen von Pumpspeicherkraftwerken besteht vor allem darm, dal3 im Normalfall der Preis zur Einspeisung der erzeugten Spitzenenergie weitaus hoher liegt als der Preis, zu dem sie den Strom zu Zeiten niedriger Netzbelastung von den Grundlastkraftwerken beziehen (s. Kapitel 3.2.2). Die Rentabilitat dieser Anlagen ist dann gegeben, wenn die Kosten far die jahrlich angekaufte Energiemenge unter dem Erlos der verkauften Energie liegen. Die Menge der abgegebenen Spitzenenergie liegt dabei entsprechend dem resultierenden Gesamtwirkungsgrad bekanntlich unter der bezogenen Energiemenge. So miissen also zur Ermittlung der spezifischen Energieerzeugungskosten c entsprechend (3.12) bei den Pumpspeicherkraftwerken zu den Jahreskosten Kj noch die jahrlichen Kosten fiir die bezogene Energie KJ^E hinzugerechnet werden: Kj + KjE c=-

_ Kj

-\-CE'EE

_Kj +CE'tE _ KJ CE r\psw ' EE ^PSW ' EE ^PSW KjE CE EE ^psw

jahrliche Kosten fur die bezogene Energie Einkaufspreis des Pumpstromes jahrliche bezogene Energiemenge Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes: r|p5PF= 0,70-0,78

[€] [€/kWh] [kWh] [-]

66

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Fiihrt man den in der Praxis bei Pumpspeicherkraftwerken haufig verwendeten Begriff der Ausnutzungsdauer Ta als den Quotienten aus der Arbeit Ea in einer Zeitspanne und der Anlagenleistung P wie folgt ein: Ta=EalP

[h]

(3.17)

Ta Ausnutzungsdauer [h] und schliisselt weiter die Jahreskosten Kj in die Einzelbestandteile der Tilgungsrate A aus (3.5) unter Verwendung der spezifischen Investition IQ und der prozentualen Betriebskosten (s. Kapitel 3.3.1.6) auf, so erhalt man gemaB (3.16): a-Io

^

7+ ^ ^ + ^ ^ 100

K;v Kf/

100 J

+-^^

[€/kWh]

(3.18)

vipsw

Produktionsnebenkostenanteil, bezogen auf die Investition Unterhaltskostenanteil, bezogen auf die Investition

[%] [%]

So ergeben sich die spezifischen Erzeugungskosten c = 0,12€/kWh bei einem groBeren Pumpspeicherkraftwerk, wenn man folgende Werte als Rechenbeispiel ansetzt: - spezifische Investition IQ = 1.800 €/kW; - durchschnittliche Ausnutzungsdauer im Jahr Ta= 1.850 h; - Kapitaltilgungsfaktor a = 0,089 aus einer kalkulatorischen Lebensdauer r = 30 a und einem Zinssatz/? = 8 %; - Produktionsnebenkostenanteil KJV = 1,5 %; - Unterhaltskostenanteil KU= 5 %; - Einkaufspreis des Pumpstromes CE = 0,02 €/kWh; - Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes r\psw = 0,75. Die indirekten Nutzen, die heute weitaus mehr im Vordergrund stehen, entstehen einerseits bei den kooperierenden Warme- und Kemkraftwerken (Momentanreserve) - daher kann auch von einem verhaltnismaBig geringen Einkaufspreis fur den Pumpstrom ausgegangen werden - und andererseits im Netz infolge der sogenannten dynamischen Arbeitsweisen des Pumpspeicherkraftwerkes (Frequenzhaltung, Phasenausgleich etc.), wie dies im Kapitel 17.1 naher ausgefuhrt ist. Pumpspeicherkraftwerke in Verbindung mit erweiterten Speicherkraftwerken konnen viele Funktionen haben, wie beispielsweise Vorhaltung von Kraftwerksreserven, Wasserversorgung fur Industrie, Haushalt und Landwirtschaft, Sport und Erholung, Niedrigwassererhohung etc., so daB sich die Rentabilitat durch die Mehrzwecknutzung erhohen kann. Stellt sich heraus, daB zum Beispiel der Gegenwartswert der Investition (3.6) gleich Null oder sogar negativ ist, so bedeutet dies nicht unbedingt, daB man auf die Errichtung des Pumpspeicherkraftwerkes verzichten muB. Seine indirekten wirtschaftlichen Nutzen - hauptsachlich der Beitrag zur Frequenzhaltung - konnen so hoch bewertet werden, daB die Rentabilitat doch gewahrleistet wird.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung 3.3.2

67

Gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Betrachtung

3.3.2.1 Grundlagen der gesamtgesellschaftlichen Bewertungsverfahren Gehen Untersuchungen uber die reine Kosten- oder Wirtschaftlichkeitsbetrachtung hinaus und werden dabei gesamtwirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche Gesichtspunkte unterschiedlicher Art betrachtet, so bezeichnet man diese Verfahren als erweiterte Nutzen-Kosten-Untersuchungen [3.2]/[3.9]/[3.13]. Im wasserbaulichen Bereich, insbesondere der Wasserwirtschaft, wurden diese Beurteilungswerkzeuge bereits erfolgreich eingesetzt. Wahrend in der Vergangenheit derartige Methoden iiberwiegend bei Priiftingen der Umweltvertraglichkeit gemafi UVPG (s. a. Kapitel 3.4) fur zur Genehmigung anstehende Projekte eingesetzt wurden, werden damit heute zunehmend auch bestehende Projekte u. a. auch im Hinblick auf die EG-Wasserrahmemichtlinie bewertet. AnlaB hierfur sind beispielsweise Vergleiche zwischen verschiedenen Energieerzeugungsformen oder Priifungen im Rahmen von verschiedenartigen Zertifizierungsverfahren. Weitergehende Ansatze werden im Bereich der Wasserkraft derzeit noch nicht weiter verfolgt [3.2]. Zu den drei „klassischen" Verfahren der Nutzen-Kosten-Untersuchungen werden die Kosten-Nutzen-Analyse (KNA), die Kosten-Wirksamkeits-Analyse (KWA) und die Nutzwertanalyse (NWA) gerechnet. Diese sind in ihrem methodischen Aufbau und ihrer Durchftihrung mehr oder weniger verschieden und haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte und Aussagemoglichkeiten. Es gibt somit keine „einzig richtige" und streng abgrenzbare Methode, die fiir alle Fragestellungen ebenso gut geeignet und gleichermaBen anwendbar ware. Bei der Kosten-Nutzen-Analyse (KNA) erfolgt eine monetare Bewertung der Kosten und Nutzen, womit diese quasi eine erweiterte betriebswirtschaftlichen Betrachtungsft)rm darstellt. Diese monetare Betrachtung hat zur Folge, dal3 hierbei nur solche Aspekte erfaBt werden konnen, die bereits in monetarer Form vorliegen oder in allgemein anerkannter Weise in Geldeinheiten umgerechnet werden konnen. Bei der Kosten-Wirksamkeits-Analyse (KWA) und im Grunde auch bei der Nutzwertanalyse (NWA) werden die Wirkungen, die nicht monetar in Erscheinung treten oder in monetare Einheiten umgerechnet werden konnen, iiber eine Punktebewertung o. a. einbezogen. Gegeniiber reinen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen aus untemehmenswirtschaftlicher Sicht (s. Kapitel 3.3.1) konnen bei diesen drei Methoden der gesamtwirtschaftlichen Untersuchung solche Wh-kungen einbezogen werden, die im Verhaltnis zu Dritten entstehen, wozu beispielsweise die sogenannten extemen Effekte bzw. SozialkostenZ-nutzen gezahlt werden. Somit stellen diese Verfahren primar ein Werkzeug zur systematischen Entscheidungsvorbereitung bei der Auswahl komplexer Handlungsaltemativen dar, bei denen Aussagen iiber die Wirtschaftlichkeit nicht mehr im Vordergrund stehen. Bei alien drei Methoden ist die sogenannte Skalentransformation aller Wirkungen auf einen einheitlichen MaBstab nicht unproblematisch. Um eventuelle Fehler zu verringem, sollten daher alle Effekte zunachst in ihrer originaren MeBgroBe erfaBt und anschlieBend Sensitivitatsanalysen durchgefuhrt werden, wie dies bereits in den vorhergehenden Abschnitten dargestellt wurde.

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Dariiber hinaus existieren noch weitere kombinierte bzw. offene Bewertungsverfahren, die ftir besondere Falle entwickelt wurden, mit dem Ziel, bekannte Probleme einzelner Methoden auszuschalten (z. B. das Composite Programming). SchlieBlich sind die Grenzen zu weiteren Verfahren fliei3end, die bei komplexen Aufgabenstellungen der Optimierung und Mehrfachzielplanung eingesetzt werden und bis bin zu den im Umweltbereich zunehmend an Bedeutung gewinnenden Verfahren der Lebenszyklus-Analyse und Risikoabschatzung reichen. 3.3.2.2

Gesamtgesellschaftliche Bewertungsansatze bei Wasserkraftprojekten Gesamtgesellschaftliche Bewertungsansatze kommen bei Wasserkraflprojekten neben der heute im Grunde selbstverstandlichen Priifiing der Umweltvertraglichkeit im Rahmen von Genehmigungsverfahren bei zahlreichen weiteren Anlassen, die eine Bewertung hinsichtlich der Umweltwirkungen erfordem, zum Einsatz. Hierzu zahlen beispielsweise Vergleiche zwischen unterschiedlichen Energieerzeugungsformen oder Priifungen und Bewertungen von bestehenden Anlagen im Rahmen von verschiedenartigen Zertifizierungsverfahren. Bei diesem zweiten Anwendungsbereich hat sich im Lauf der Zeit vor allem die Aufteilung in die sogenannten intemen und extemen Effekte als ein praktikables Verfahren durchgesetzt. Unter den intemen Effekten versteht man jene, die aus innerbetrieblichen Zwangen in MaB und Zahl erfaBt werden mussen und schlieBlich als monetare GroBen m die untemehmerischen Erfolgsrechnungen entsprechend ihrem Ertrag oder ihrer Aufsvendung einflieBen, also bereits intemalisiert sind. Die zusatzlichen, im weiteren Umfeld entstehenden Wirkungen werden schlieBlich als sogenannte exteme Effekte bzw. SozialkostenZ-nutzen bezeichnet. Diese Effekte werden nicht iiber den Markt erfaBt und monetar bewertet. Entsprechend der Kostenart konnen diese zwei Gruppen zugeordnet werden ([3.2]/[3.14]): - den externen Kosten, die eine Beeintrachtigung darstellen, die durch ein Vorhaben einem Dritten, haufig der Allgemeinheit, zugefiigt werden, ohne daB der Betroffene entschadigt wird; - den externen Nutzen, die umgekehrt einem Dritten, haufig der Allgemeinheit, durch ein Vorhaben einen Vorteil zuteil werden lassen, ohne daB der NutznieBer diesen abgelten wiirde. Bei der Wasserkraftnutzung wtirden zu ersteren beispielsweise die lokal erhohten Aktivitaten (Verkehr, Larm, Emissionen etc.) wahrend der Bauphase sowie die Veranderung der Durchgangigkeit und der FlieBverhaltnisse wahrend des Betriebes zahlen. Zur zweiten Gruppe wtirden im wesentlichen die im Kapitel 1.6 beschriebenen Mehrzweckaufgaben gerechnet, wie z. B. die Schaffung von zusatzlichen Arbeitsplatzen vor allem wahrend der Bauphase, die mogliche Retentionswirkung zur Hochwasserminderung durch Stauraume oder die Schaffung von Freizeit- und Erholungsgebieten. Die bisher im Bereich der Energieversorgung und darunter der Wasserkraft vorgenommenen wenigen ersten Untersuchungen zeigen, daB man bei einer korrekten natur- und ingenieurwissenschaftlichen Identifizierung und Quantifizierung der Effekte zu verhaltnismaBig realistischen Ergebnissen gelangen kann, wobei jedoch

3 Grundsatze der Planung und Prqjektierung

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noch geeignete Praktiken fehlen, diese Bewertungsergebnisse korrekt in ein kombiniertes, mit der betriebswirtschaftlichen Komponente verbundenes Gesamtverfahren einzubinden. Von entscheidender, grundsatzlicher Bedeutung ist, daB bei solchen Analysen nicht mehr oder minder ausschheBlich nur die extemen Kosten betrachtet werden, sondem auch die extemen Nutzen den ihnen gebtihrenden Raum einnehmen. Eine derartig umfassende Bilanz diirfte zusatzlich zu einer besseren Vergleichbarkeit der verschiedenartigen Energieerzeugungsformen flihren, die nicht allein von der jeweils vermeintlich politisch vorherrschenden Meinung abhangig ist. 3.3.2.3 Bedeutung von Mehrzweckaufgaben Ein weiterer Ansatz zur Einbeziehung der gesamtgesellschaftlichen Aspekte kommt vor allem zur Ermittlung der Kostenverteilung bei Wasserkraftanlagenprojekten mit Mehrzweckaufgaben (s. Kapitel 1.6) zum Einsatz. Hierftir mtissen zuerst alle Einzelkosten (Investition, Betriebskosten etc.) der Projektteile von den Gesamtkosten abgetrennt werden, so daB nur die Gemeinkosten Ubrig bleiben. Diese Gemeinkosten werden anschlieBend wiederum anteilig auf alle Projektteile verteilt, damit jedes Element fur sich einer realistischen Wirtschaftlichkeitsuntersuchung unterzogen werden kann. Zur Ermittlung der Gemeinkosten KQ werden die identifizierten m abtrennbaren Einzelkosten KE vom Mehrzweckprojekt abgespalten, indem man jeweils die A:-ten Funktionen I(.k) der Investitionen ermittelt, die die jeweiligen Einzelkosten Kg gerade nicht enthalten. Somit ergibt sich nach Abtrennung aller m Einzelkosten KE von der Gesamtinvestition /die Summe aller Einzelkosten zu [3.7]: m

m

Y^K,=Y,(l-!(-.)) = m-1-Y,I(.,) [€] k=l

(3.19)

k=l

womit sich die verbleibenden Gemeinkosten KQ ergeben: m

m

/ : G = / - ^ / : £ = / - / « - / +^/(_,)=/(7-/«) +^/(_,,

KE KQ m

abtrennbare Einzelkosten Gemeinkosten Anzahl der abtrennbaren Einzelkosten

[€]

(3.20) [€] [€] [-]

Die Verteilung der Gemeinkosten ist jedoch problematisch, da dieser Schritt meistens nicht einfach mit Hilfe technischer Uberlegungen durchgefuhrt werden kann. FUr die Aufschlusselung der Gemeinkosten konnen grundsatzlich zwei Prinzipien zur Anwendung kommen: - das Veranlassungsprinzip und - das Nutzungsprinzip. Nach dem Veranlassungsprinzip werden die Gemeinkosten den einzebien Zwecken entsprechend der Kapazitat und Betriebsbereitschaft zugerechnet, wie die Projektteile zum Zeitpunkt der Investitionsentscheidung zur Erflillung der verschiedenen Funktionen bewertet werden. Das Nutzungsprinzip dagegen beriicksichtigt die tatsachliche Inanspruchnahme des Mehrzweckprojektes durch die verschiedenen Benutzergruppen.

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3 Grundsatze der Planung und Prqjektierung

Die bei der Planung von wasserwirtschaftlichen Mehrzweckprojekten gebrauchlichen Verfahren der Kostenzuordnung lassen sich in drei Gruppen einteilen: 1. Kostenzuordnung aufgrund politischer und sozialer Entscheidung. 2. Kostenzurechnung aufgrund physikalisch-technischer Kennwerte bzw. von Daten iiber die technische Leistungsfahigkeit des Projektes. 3. Kostenzuordnung aufgrund wirtschaftlicher tJberlegungen: Methode der altemativen Einzweckprojekte, Methode der abtrennbaren Kosten. 3.3.3

Ansatz fur eine systematische Beurteilung von Wasserkraftanlagenprojekten

Fur die Begleitung eines Wasserkraftanlagenprojektes von der Planungs- Uber die Ausfuhrungs- bis hin zur Betriebsphase stellt ein allgemein verfiigbares, umfassendes Schema zur Wirtschaftlichkeitsberechnung ein wichtiges Hilfsmittel dar. Mit einem derartigen Verfahren konnen ein Projekt differenziert begleitet und entsprechend der zunehmend vertieften Betrachtung alle relevanten Aspekte untersucht und beurteilt werden. Neben den allgemeinen Gesichtspunkten mussen darin auch samtliche individuellen Randbedingungen fiir den Bau und Betrieb des betrachteten Projektes sowohl aus betriebswirtschaftlicher als auch aus gesamtgesellschaftlicher Sicht berlicksichtigt werden konnen. Eine derartige allgemeingiiltige, groBenunabhangige Beurteilungssystematik ist in Abb. 3.12 prinzipiell dargestellt [3.2]. Diese schafft durch einen systematisch gegliederten und gestaffelten Verfahrensaufbau die Grundlage daflir, zuktinftige Investitionsvorhaben von der Planungs- iiber die Ausfuhrungs- bis hin zur Betriebsphase differenziert zu begleiten. Entsprechend der zunehmend vertieften Betrachtung konnen dabei alle relevanten Aspekte untersucht und beurteilt werden. Neben den allgemeinen Gesichtspunkten konnen auch samtliche individuellen Randbedingungen fur den Bau und Betrieb des betrachteten Projektes berixcksichtigt werden. Diese Systematik zeichnet sich dadurch aus, daB einerseits die Datenerhebung, deren Aufbereitung und Gliederung sowie andererseits die als Entscheidungsgrundlage dienenden Ergebnisse aus der Datenweiterverarbeitung im Rahmen der erweiterten Investitionsrechnung entsprechend berlicksichtigt werden. Dariiber hinaus werden die Planungs- und Baukosten systematisch integriert, um bereits bei der Ermittlung der Eingangsparameter erste Unsicherheitsfaktoren bei der Untersuchung von vome herein so weit wie moglich auszuraumen und so ein aussagefahiges und realistisches Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zu erhalten. Grundlage fiir die Bewaltigung dieser Aufgabe stellt das gangige Kosteneinteilungsverfahren aus dem Bauwesen in Form der Norm DIN 276 - Kosten im Hochbau - dar, die in einer eigenen Gliederungssystematik ftir Wasserkraftanlagen weiterentwickelt wurde. Die Anwendung dieser Norm ermoglicht eine verbindliche Gliederung der ermittelten Kostenkomponenten fiir alle Bauwerksteile und gestattet dadurch einen verlaBlichen LFberblick iiber die geplanten bzw. zu dokumentierenden Investitionen. Dariiber hinaus bietet die Norm den Vorteil, daB sie sich nach den aufeinanderfolgenden Phasen des Bauablaufes richtet.

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

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Datenerhebung A. Allgemeine Ausgangsdaten der Anlage - Anlagencharakteristik, Jahresenergieerzeugung, Festlegung von Zeitvariablen etc. Kostenberechnung(KOBE) B.Planungs-undBaukosten detaillierte Kostenermittlung - Datenerhebung mit variablem ^ auf der Basis der Detaillierungsgrad über KOBE Kostengruppen C. Zusatzkosten bis zur Inbetriebnahme und Funktionsbereiche - Grundstückskosten, Nebenkosten etc.

D.JährlicherAufwand - Bewirtschaftungs-, Kapitalkosten, Abschreibung E.JährlicherErtrag - Einspeisevergütung u. a. F.Finanzierungsplan - Eigen-, Fremd-, Fördermittel

erweiterte Investitionsrechnung III. Statische Plankostenrechnung I. Ausgangsdaten - Zusammenfassung der Datenerhebung - ggf. Ergänzung bzw. Abänderung

Eingangswerte für das Rechenverfahren statisch

II.AngestrebterErfolg

jährlich konstanter Zahlungsstrom

Z Sdynamisch

M

V.Ergebnisse

VI. Sensitivitätsanalyse Betrachtung von: - Internem Zinsfuß (Kapitalverzinsung) - Kapitalwert unter Änderung von: - Baukosten - Baupreisveränderung - Stromertrag - Restwert - Kalkulationszinssatz

einschließlich graphischer Darstellung

X

IV. Dynamische Plankostenrechnung - Zahlungsströme und Barwerte über 30 oder 40 Jahre Projektdauer

Abb. 3.12: Aufbau der Beurteilungssystematik fur Wasserkraftanlagen [3.2] Fur die Untersuchung des gesamten Investitionsvolumens sieht die Einteilung der Norm drei Kostengliederungsebenen vor, welche durch dreistellige Ordnungszahlen gekeimzeichnet sind. Die erste Gliederungsebene besteht gemai3 der DESf 276 aus sieben Kostengruppen (KG), den KG 100 bis 700. Da sich die Norm vom Ansatz her auf Projekte im Hochbau bezieht, ware sie bei Wasserkraftanlagen allein fiir Ermittlung der Krafthauskosten ausreichend anwendbar, wurde aber die wasserfiihrenden Bauwerke und die technischen Besonderheiten nicht gebtihrend berticksichtigen. Daher wurde dieses Schema zur Erfassung der wasserfiihrenden, der maschinen- sowie der elektrotechnischen Investitionsanteile um zwei Kostengruppen erweitert und die dazugehorenden Details erarbeitet: - KG 800 Baukonstruktion - Wasserftihrung und - KG 900 Anlagentechnische Ausriistung. Bei Bedarf bietet die Norm die Moglichkeit, die Kostengruppen in mmdestens zwei weitere Kostengliederungsebenen zu unterteilen, die Ebenen der sogenannten Grob- und Funktionselemente (s. Abb. 3.13). Diese lassen sich schlieBlich noch weiter aufteilen. Um bei der Schatzung der erforderlichen Investition direkt auf die ortlichen Randbedingungen der Gesamtanlage eingehen zu konnen, wurde fiir eine detaillierte Kostenermittlung die Wasserkraftanlage zusatzlich in fiinf Funktionsbereiche eingeteilt (s. Abb. 3.13): - Krafthaus - Hochbau; - Krafthaus - Tiefbau; - Wehranlage, Fischaufstiegsanlage etc.; - Wasserfassung einschlieBlich Rechenreinigungsanlage, ggf. Sandfang etc.; - Wasserftihrung (Triebwasserzu- und -abfiihrung).

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Grundsatzlich von Vorteil bei dieser Methode ist, daB dabei einerseits der jeweilige KosteneinfluB an der Entstehungsstelle aufgezeigt und andererseits dieser entsprechend dem Planungsfortschritt stets aktualisiert imd fortgeschrieben werden kann. Auch konnen unterschiedliche Planungs- bzw. Ausfiihrungsvarianten beriicksichtigt und leichter miteinander verglichen werden. In Verbindung mit den fiinf Funktionsbereichen ergibt sich damit eine eindeutige Gliederung, die in Abb. 3.14 dargestellt ist. In diesem Bild sind zusatzlich die jeweils relevanten Bereiche schattiert veranschaulicht, wobei die KG 900 eine Sonderrolle einnimmt, da dort nicht alle Kostengruppen der zweiten Ebene in samtlichen Funktionsbereichen von Bedeutung sind. Wasserkraftanlage Gliederung der Baukostenermittlung

Kostengruppen - 1. Ebene (X00)

Funktionsbereiche I Krafthaus - Hochbau

100 I

|

200 I

I Krafthaus - Tiefbau Wehranlage, Verbindungsgewässer etc. I Wasserfassung I Wasserführung

Einteilung nach DIN 276

Kostengruppen - 2. Ebene (XY0) Grobelemente JKostengruppen - 3. Ebene (XYZ)| Funktionselemente

300 I

a

800: Baukonstruktion Wasserführung 900: Anlagentechnische Ausrüstung

Ergänzung

Kostengruppe - 4. Ebene (XYZ-ab) Konstruktionselemente TeilleistungnachStLB

Abb. 3.13: Aufbau der detaillierten Kostenermittlung fur Wasserkraftanlagen in Anlehnung an die DIN 276 [3.2] Diese Berechnungs- und Beurteilungssystematik hat sich durch ihre klare und eindeutige Gliederung bereits bei mehreren Projekten mit den unterschiedlichsten Konstellationen als ein sehr hilfreiches Werkzeug fiir den planenden Ingenieur erwiesen. Dabei kann vor allem bei Projekten, die an der Grenze zur Wirtschaftlichkeit lagen, eine eindeutige fundierte Entscheidungsgrundlage gegeben werden, die mit Uberschlagsformebi oder Orientierungswerten niemals erreichbar ware. ~~~—--------___Funktionsbereiche Krafthaus- Krafthaus- Wehranlage, WasserVerbindungsfassung Tiefbau Kostengruppen ~~~~~~~^ - _ _ _ Hochbau gew. etc.

Wasserführung

100 Grundstück 200 Herrichten und Erschließen 300 Bauwerk - Baukonstruktion Krafthaus 400 Technische Anlagen Krafthaus 600 Ausstattung und Kunstwerke 700 Baunebenkosten 800 Baukonstruktion - Wasserführung 900 Anlagentechnische Ausrüstung Stahlwasserbau/Maschinen-/Elektrotechnik

Abb. 3.14: Kostengliederungssystem mit Kostengruppen und Funktionsbereichen fur die Anwendung bei Wasserkraftanlagen [3.2]

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

73

Positiv zeichnete sich dabei auch die Moglichkeit aus, das Kostengliederungssystem individuell anzupassen und so unter anderem auch gesamtgesellschaftliche Aspekte einzubinden, soweit diese infolge existierender Ansatze monetar oder anderweitig meBbar waren. Gleichzeitig konnte auf diesem Weg der vorhandene Grundstock fiir die Bildung von Kostenkennwerten fur einzelne Komponenten der Wasserkraftanlagen weiter ausgebaut werden, so daB dieser fur weitere Projektierungen zur Verftigung steht. 3.4

Gesetzliche Vorgaben fur den Bau und Betrieb von Wasserkraftanlagen

3.4.1

Rechts- und Norm hierarchic

Innerhalb des jeweiligen Rechtssystems besteht hinsichtlich der Hierarchic cine prinzipielle Ordnung, die nachfolgend am Beispiel der BundesrepubHk Deutschland dargelegt werden soil. Diese Rangordnung wird vor allem durch die foderale Struktur in Europa und in der Bundesrepublik Deutschland gepragt, innerhalb derer sich noch zusatzlich cine Abstufung infolge des Gesetzgebungsverfahrens ergibt: 1. Litemationale Regelungen, Volkerrecht 2. Gemeinschaftsrecht der EU auf der Basis des EWG- oder EG-Vertrages - Verordnungen - Richtlinien 3. Nationales Recht, z. B. Bundesrepublik Deutschland - Gesetze - Verordnungen - Verwaltungsvorschriften 4. Landesrecht, z. B. Baden-Wiirttemberg - Gesetze - Verordnungen - Verwaltungsvorschriften 5. Kommunales Recht - Satzungsrecht 6. nicht-hoheitliche Regelwerke Gesetze, EG-Verordnungen und kommunale Satzungen bilden die Basis des materiellen Rechtes und enthalten die Leitlinien und Vorgaben der jeweiligen Regelungsbereiche. Sic durchlaufen normalerweise wahrend des Gesetzgebungsverfahrens einen parlamentarischen Weg und treten nach erfolgter Zustimmung in der Regel mit dem Tag der Veroffentlichung in Kraft. Verordnungen und Verwaltungsvorschriften dienen zur erweiterten inhaltlichen Regelung von einzelnen Sachverhalten und werden von den Exekutivorganen, also in der Regel den Fachbehorden (Ministerium, Regierungsprasidium, Landratsamt als untere Verwaltungsbehorde etc.), erlassen. Auch diese treten ublicherweise mit dem Tag der Veroffentlichung in Kraft. Dabei gelten normalerweise Verordnungen als Rechtsnorm fur alle. Verwaltungsvorschriften hingegen betreffen direkt meist nur die Verwaltung und stellen fiir diese beispielsweise cine Anleitung zum Abwickeln von bestimmten Verfahren dar. Trotzdem ist es fiir die Beteiligten in

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Verfahren von Vorteil, nicht nur die Verordnungen, sondem auch die Verwaltungsvorschriften zu kennen, da in beiden alle wesentHchen Dinge geregelt sind. Verwaltungsvorschriften konnen dabei allerdings nur dann eine rechtliche Bindung erhalten, wenn sie z. B. Bestandteil ernes Bescheides sind. Innerhalb der foderal aufgebauten Bundesrepublik Deutschland ist zusatzlich noch hinsichtlich der Gesetzgebungszustandigkeit zu unterscheiden. So ist der Bund durch seine Rahmengesetzgebungskompetenz (Artikel 75 Grundgesetz (GG)) fur die Bereiche des Naturschutzes, der Landschaftspflege, der Bodenpflege, der Raumordnung und des Wasserhaushalts zustandig und ist hier daher u. a. mit dem Bundesnaturschutzgesetz, dem Wasserhaushaltsgesetz und dem Raumordnungsgesetz tatig geworden. Zahlreiche weitere Regelungsbereiche beruhen dagegen auf der konkurrierenden Gesetzgebungskompetenz des Bundes (Artikel 74 GG), worunter z. B. die Bereiche Umweltstrafrecht, Luftreinhaltung, Lamibekampfung und Abfallbeseitigung fallen. Die konkurrierende Zustandigkeit des Bundes bedeutet, dal3 die Lander nur dann befugt sind, eigene Gesetze zu erlassen, wenn der Bundesgesetzgeber den jeweiligen Sachbereich nicht abschlieBend geregelt hat. Auf diesem Weg hat der Bund beispielsweise das Bundes-Immissionsschutzgesetz und das Umwelthaftungsgesetz erlassen. Der nachgeordnete Landesgesetzgeber mui3 sich daher einerseits auf die Ausfiillung der Bereiche beschranken, die durch Rahmengesetze vorgegeben sind, wie z. B. die Landeswassergesetze das Wasserhaushaltsgesetz erganzen. Andererseits kann er im Bereich der konkurrierenden Zustandigkeit des Bundes nur solche Landesgesetze erlassen, die die vorhandenen Regelungen des Bundes soweit notig erganzen, wie dies beispielsweise mit den Landesabfallgesetzen geschieht. Die nicht-hoheitlichen Regelwerke der verschiedenen Normungsinstitute und technisch-wissenschaftlichen Verbande (DIN-Normen, VDI-Richtlinien, ATVDVWK-Regelwerke etc.) sind grundsatzlich rechtlich nicht verbindlich, sondem werden bei Entscheidungen der Verwaltung und der Gerichte unverbindlich beriicksichtigt. Erst wenn diese Regelwerke von einer Rechtsnorm inhaltlich aufgenommen werden oder auf diese in einem Bescheid als Richtschnur bzw. Auflage verwiesen wird, konnen sie dadurch rechtlich verbindlich werden. 3.4.2

Wesentliche Rechtsnormen fiir die Wasserkraft

Innerhalb der unterschiedlichen Rechtsbereiche gibt es eine Vielzahl von Gesetzen und Rechtsverordnungen, die die Wasserkraft direkt oder indirekt betreffen. Nach ihrer Rechtsnatur gehoren diese im wesentHchen den verschiedenen Umweltrechtszweigen an, wie dies am deutschen Beispiel verdeutlicht werden kann: - Umweltverfassungsrecht (Grundgesetz, EG-Grtindungsvertrag etc.); - Allgemeines Umweltverwaltungsrecht (Umweltvertraglichkeitspriifungsgesetz, Umweltinformationsgesetz, EG-Richtlinie uber die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung, EG-Umweltauditverordnung etc.); - Besonderes Umweltverwaltungsrecht: Gewasserschutz (EG-Wasserrahmenrichtlinie, Wasserhaushaltsgesetz, Landeswassergesetze, Abwasserabgabengesetz etc.);

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

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Naturschutz und Landschaftspflege, Tierschutz, Bodenschutz (FloraFauna-Habitat-Richtlinie innerhalb der EU, Bundesnaturschutzgesetz, Bundeswaldgesetz, Tierschutzgesetz, Bundes-Bodenschutzgesetz etc.); - Vermeidung, Verwertung und Beseitigung von Abfallen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz, Abfallverbringungsgesetz etc.); - Immissionsschutz - Luftreinhaltung, Larmbekampfung (Bundes-Immissionsschutzgesetz mit zugehorenden Verordnungen etc.); - Schutz vor gefahrlichen Stoffen (Chemikaliengesetz, Pflanzenschutzgesetz, Dungemittelgesetz etc.); - Energieeinsparung (Energieeinsparungsgesetz, Emeuerbare-Energien-Gesetz etc.); - Umweltprivatrecht (Biirgerliches Gesetzbuch, Umwelthaftungsgesetz etc.); - Umweltstrafrecht (Strafgesetzbuch, Gesetz tiber Ordnungswidrigkeiten etc.). Bei Planung, Bau und Betrieb einer Wasserkraftanlage sind darliber hinaus noch eine Vielzahl weiterer gesetzlicher Vorgaben von der jeweiligen Bauordnung Uber Gewerbeordnungen bis hin zu Unfallverhutungs- und Arbeitssicherheitsvorschriften zu beriicksichtigen. Aufgrund der permanenten gesellschaftlichen und politischen Einfliisse und der daraus folgenden Modifikationen und Neufassungen sind nachfolgend nur einige allgemeine Erlauterungen zu den wesentlichen Rechtsgrundlagen aufgeflihrt, die sich wiederum exemplarisch auf die Vorgaben in der Bundesrepublik Deutschland beziehen. Bei Bedarf sind alle Gesetze, Verordnungen etc. im genauen Wortlaut zu Rate zu Ziehen, um einerseits die speziellen Vorgaben und andererseits eventuelle Anderungen und Aktualisierungen korrekt berUcksichtigen zu konnen. Dariiber hinaus ist es empfehlenswert, sich Fachliteratur (s. z. B. [3.15]) oder fachanwaltlicher Hilfe zu bedienen. Bei der Planung, dem Bau und Betrieb m anderen Staaten sind die dort jeweils geltenden Gesetze entsprechend zu beachten. EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) Seit dem Jahr 2000 stellt die EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die libgeordnete Norm im Bereich des Wasserrechts dar, die anschlieBend in nationales Recht umgesetzt wurde. In Deutschland erfolgt dies vor allem tiber das Wasserhaushaltsgesetz infolge des gesamtstaatlichen Interesses (Rahmengesetzgebungskompetenz des Bundes) sowie anschlieCend tiber die Landeswassergesetze und zugehorenden Verordnungen. Die WRRL zielt insbesondere auf den Schutz und die Verbesserung des Zustandes aquatischer Okosysteme und des Grundwassers hin zu einem „guten Zustand" ab. Ftir die Wasserkraftnutzung ist bedeutend, daB Veranderungen der Hydromorphologie, z. B. der Unterbrechung der Durchgangigkeit, der Stromungsregulierung und der Gewassermorphologie, bei der Einstufung der Gewasser relevant sind und gegebenenfalls VerbesserungsmaBnahmen innerhalb eines vorgegebenen Zeithorizontes ergriffen werden soUen (s. a. Kapitel 18-20). Wichtig ist des weiteren, daB der Begriff „guter Zustand" derzeit noch nicht abschieBend definiert ist und vermutlich auch einer permanenten Fortschreibung unterliegen wird.

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Die ersten deutschen Sondergesetze, die Wasserkraftanlagen im weitesten Sinne betrafen und iiber die allgemeinen Regelungen im jeweiligen regionalen Gtiltigkeitsbereich hinausgehen, stellen die Miihlenordnungen dar, die im 15. bis 18. Jahrhundert in den einzelnen Herrschaftsgebieten erlassen wurden. Diese nach Herrschaftsgebieten und Landem getrennte Gesetzgebung blieb im wesentlichen bis heute bestehen. Leitgesetz fiir den Bereich des Gewasserschutzes ist das bundesweit giiltige Wasserhaushaltsgesetz (WHG), das die iibergeordneten EU-Vorgaben und darunter insbesondere die WRRL beriicksichtigt und das durch die landerspezifischen Wassergesetze (WG) erganzt wird. Grundsatz des WHG ist, daB zur Ordnung von Wassergtite und Wassermenge oberirdische Gewasser, Ktistengewasser und das Grundwasser (Gewasser) als Bestandteil des Naturhaushalts so bewirtschaftet werden sollen, daB sie dem Wohl der Allgemeinheit und im Einklang damit auch dem Nutzen einzebier dienen und daB vermeidbare Beeintrachtigungen ihrer okologischen Funktionen unterbleiben. Bei MaBnahmen, mit denen Einwirkungen auf ein Gewasser verbunden sein konnen, sind alle verpflichtet, die nach den Umstanden erforderliche Sorgfalt anzuwenden, um eine Verunreinigung des Wassers oder eine sonstige nachteilige Veranderung zu verhiiten. AuBerdem verlangt das Gesetz eine mit Riicksicht auf den Wasserhaushalt gebotene sparsame Verwendung des Wassers. Die oberirdischen Gewasser und das Grundwasser unterliegen als offentliche Sachen im Sondergebrauch grundsatzlich einer besonderen offentlich-rechtlichen Bewhtschaftungs- und Benutzungsordnung, die der Behorde ein Ermessen zur Zuteilung von Gewasserbenutzungsrechten einraumt. Fiir die Benutzung von Gewassem im Sinne der §§2 und 3 WHG im Zusammenhang mit dem Bau und Betrieb einer Wasserkraftanlage ist von der zustandigen Behorde eine wasserrechtliche Entscheidung zu treffen (s. Abb. 3.15). Ein erteiltes, in der Regel befristetes Wasserrecht besteht hierbei entweder aus einer Erlaubnis (§ 7 WHG), die eine Befugnis im Sinne einer Konzession beinhaltet, oder einer Bewilligung (§ 8 WHG), die als hoherwertig zu bewerten ist, da sie ein unwiderrufliches subjektives offentliches Recht gewahrt und somit die sicherste Rechtsgrundlage ftir den Anlagenbetrieb darstellt. Ist bereits ein Altrecht (§ 15 WHG) fiir die Gewassemutzung vorhanden und wird die Nutzung im Rahmen derselben angestrebt, so ist eine neuerliche Erlaubnis oder Bewilligung nicht erforderlich. Ublicherweise wird das Wassemutzungsrecht in Form einer Erlaubnis oder Bewilligung gemaB WHG bei der Neuerteilung bzw. Verlangerung fur einen Zeitraum von 30 Jahren zuerkannt, der auch als Konzessionszeitraum bezeichnet wird. In besonderen Fallen kann diese dreiBigjahrige Frist auch uberschritten (s. § 7 Abs. 1 bzw. § 8 Abs. 5 WHG) und eine langere Bewilligungsfrist von erfahrungsgemaB 40 bis zu maximal 60 Jahren erreicht werden. Eine derartige Situation kann beispielsweise dann eintreten, wenn sich innerhalb dieses Zeitraumes die Wasserkraftanlage nicht amortisiert, was durch die Vorlage einer entsprechenden Wirtschaftlichkeitsrechnung nachgewiesen werden muB (s. Kapitel 3.3). Am Konzessionsende kann bei betriebsfahigen Anlagen im gewissen Sinne ein Rechtsanspruch auf eine Weiter- bzw. Neukonzessionierung abgeleitet werden;

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

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hierfiir ist jedoch stets ein neues wasserrechtliches Verfahren durchzufuhren. Der zu diesem Zeitpunkt mogliche sogenannte Heimfall an den Konzessionsgeber, d. h. die Ruckgabe des Nutzungsrechtes einschlieBlich der betriebsbereiten Anlagen an das verleihende Gemeinwesen (Staat bzw. Land), ist in Deutschland im Gegensatz zu beispielsweise Frankreich und der Schweiz gesetzlich nicht geregelt, in Einzelfallen jedoch in Form von Vertragen oder Vereinbarungen anzutreffen. Beachtet werden muB, daB die relevante Erlaubnis- oder Bewilligungsdauer normalerweise ab dem Zeitpunkt der Erteilung und nicht erst ab dem Zeitpunkt der vorlaufigen Inbetriebnahme oder Vollbetriebsphase beginnt. Ist mit dem Bauvorhaben eine wesentliche Umgestaltung eines Gewassers oder seiner Ufer verbunden, so kann die Durchfiihrung eines wasserrechtlichen Planfeststellungsverfahrens notwendig sein (§31 WHG i. V. m. WG), das den Anforderungen des Gesetzes Uber die UmweltvertragHchkeitsprufung entspricht. Fiir den Betrieb einer Wasserkraftanlage ist auch noch der § 19 g WHG liber den Umgang mit wassergefahrdenden Stoffen von Bedeutung, der regelt, daB eine Verunreinigung oder nachteilige Veranderung der Eigenschaften des Gewassers nicht erfolgen darf. Zu den Verfahrensdetails haben die Lander entsprechende Verordnungen erlassen. Weiterbetrieb einer bestehenden Anlage

Änderung einer bestehenden Anlage oder Benutzung

Neuanlage

Auslaufen einer Erlaubnis/ Bewilligung Änderung von Art, Maß oder Zweck?

Widerruf §15(4) WHG

Ohne betriebliche Veranlassung

z. B. Gewässerentwicklungskonzept Untersuchung potentieller Konflikte

nein

n\i Verfahren gemäß UVPG Planfeststellung ggf. Raumordnungsverfahren

wasserrechtliches Genehmigungsverfahren gemäß WHG mit i. d. R. ökolog. Gutachten etc.

T

Anzeige gemäß WG

ggf. Feststellung Umfang nach WG

T Prüfung der Zuverlässigkeit Abwägung der öffentlichen Belange

•> V

Auflagen, z. B. Mindestwasserregelung, Verbindungsgewässer etc.

-OV

ggf. Prüfung der Vorbehalte WG i. V. mit § 5 WHG

Genehmigung erteilbar?

Erteilung einer Erlaubnis oder Bewilligung gemäß WHG

Nichterteilung

Durchführung der Maßnahme und Weiterbetrieb ohne Änderung des rechtlichen Rahmens

Abb. 3.15: Grundschema fiir die rechtliche Behandlung der Wasserkraftnutzung [3.16]

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Wassergesetz (WG) Das Wassergesetz (WG) unterliegt dem Zustandigkeitsbereich der Lander und erganzt und fiillt den durch das WHG vorgegebenen Rahmen aus. Alle Landeswassergesetze haben ubereinstimmend die Errichtung oder wesentliche Anderung von Anlagen in, an und liber dem Gewasser von einer Genehmigung der Wasserbehorde (wasserrechtliche Genehmigung) abhangig gemacht, wobei Modemisierungsarbeiten zur Aufrechterhaltung der Funktionstuchtigkeit hiervon in der Regel ausgenommen sind und ledigHch einer Anzeigepflicht unterliegen(s. Abb. 3.15). Des weiteren enthalten alle WG Regelungen fur Stauanlagen, wonach eine Aui3erbetriebnahme, Beseitigung sowie Stauhohenveranderung nur mit Genehmigung vorgenommen werden darf. FUr bestimmte Veranderungen im Uberschwemmungsgebiet eines Gewassers haben daruber hinaus alle WG zur Vermeidung von Beeintrachtigungen des Hochwasserabflusses eine Genehmigungspflicht eingefthrt. Verwaltungsverfahrensgesetze Im Rahmen der im Bund und den Landem gleichlautenden Verwaltungsverfahrensgesetze ist das Planfeststellungsverfahren (s. WHG) als formliches Verfahren besonderer Art geregelt, in dessen Rahmen alle vom Projekt Betroffenen durch offentliche Bekanntgabe der Plane Gelegenheit erhalten, Einwendungen zu erheben. Das Besondere am Planfeststellungsverfahren ist zum einen die Konzentration der Entscheidung fur Aus- oder Neubaumafinahmen bei einer einzigen Behorde. Zum anderen ersetzt die Planfeststellung alle nach anderen Vorschriften erforderlichen offentlich-rechtlichen Genehmigungen, Erlaubnisse, Bewilligungen, Zustimmungen etc. Widerspricht ein Vorhaben nicht dem Wohl der Allgemeinheit, so wird ein entsprechender Bescheid erteilt, der gegebenenfalls erforderliche Auflagen beinhaltet (Mindestwasserauflagen, Fischaufstiegsanlage etc.). Verwaltungsvorschriften, Richtlinien und Erlasse Im Rahmen der wasserwirtschaftlichen Zielvorstellungen der Lander haben diese eine groBere Zahl von Verwaltungsvorschriften, Richtlinien, Erlasse etc. verfiigt, die Einzelaspekte uber die bestehenden Gesetzesvorgaben hinaus genauer behandebi (Trinkwasserverordnung, Wasserschutzgebietsverordnung, Anlagenverordnung wassergefahrdende Stoffe (VawS) etc.). Vielfach sind die Vorschriften von den zustandigen obersten Landesbehorden aller Bundeslander gemeinsam in der Landerarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) erarbeitet und iiberall gleichlautend veroffentlicht worden. Des weiteren existieren auch Durchfuhrungsvorschriften von Seiten des Bundes, soweit die entsprechenden Gesetze den Bund und dessen Organe hierzu ermachtigen. SchlieBlich sind gegebenenfalls auch die allgemein anerkannten, nicht-hoheitlichen Regelwerke zu berucksichtigen, die von Fachvereinigungen, wie z. B. DIN, DWA, erarbeitet werden. Bauordnung FUr die Errichtung der baulichen Anlagen, die fur den Betrieb einer Wasserkraftanlage notwendig sind, bedarf es normalerweise zusatzlich einer baupla-

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

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nungsrechlichen und bauordnungsrechtlichen Genehmigung, der sogenannten Baugenehmigung, die in der Bundesrepublik Deutschland auf Landerebene in der jeweiligen Landesbauordnung geregelt ist. Durch die Neufassung des Baugesetzbuches im Jahr 1997 wurde das Bauen im AuBenbereich fur Wasserkraftanlagen vereinfacht, indem diese genehmigt werden mussen, sofem dem Vorhaben keine offentlichen Belange entgegenstehen. Entscheidungsbehorde sind nach dem WG jedoch das Landratsamt oder das Regierungsprasidium. Gesetz iiber die Umweltvertraglichkeitspriifung (UVPG) GemaB dem Gesetz iiber die Umweltvertraglichkeitspriifiing (UVPG) in Verbindung mit der entsprechenden EG-Richtlinie ist fur Vorhaben, die die „Herstellung, Beseitigung und wesentliche Umgestaltung eines Gewassers oder seiner Ufer sowie von Deich- oder Dammbauten" zum Ziel haben und „einer Planfeststellung nach § 31 WHG bediirfen", eine Umweltvertraglichkeitspriifung (UVP) durchzuftihren. Inhalt dieses unselbstandigen verwaltungsbehordlichen Verfahrens sind die Analyse des Zustandes der Umwelt, der Prognose des Umweltzustandes nach der Projektausfuhrung sowie femer die Betrachtung und der Vergleich von Projektaltemativen. AbschlieBend folgt die eigentliche UVP mit der zusammenfassenden Bewertung und der Entscheidung uber das Projekt auf der Basis der vorgenommenen Erhebungen und Untersuchungen. Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie der EU Die europaische Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie (FFH-RL), teilweise auch als Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie bezeichnet, hat die Erhaltung der natiirlichen Lebensraume sowie der wildlebenden Tiere und Pflanzen innerhalb der EU zum Ziel und wurde durch die 1998 erfolgte Neufassung des Bundesnaturschutzgesetzes in nationales Recht umgesetzt. Grundlage hierflir stellt ein europaisches Schutzgebietssystem mit der Bezeichnung „Natura 2000" dar. Zusatzlich werden durch die FFH-RL die gemaB Vogelschutzrichtlinie ausgewiesenen Vogelschutzgebiete geschiitzt. Dies hat zur Folge, daB seitdem bei MaBnahmen in geschiitzten Gebieten eine sogenannte FFH-Vertraglichkeitspriifung durchgefuhrt werden muB. Naturschutzgesetzgebung Wird durch eine BaumaBnahme, wie beispielsweise eine Wasserkraftanlage, in erheblichem Umfang in den Naturhaushalt oder auch nur in das Landschaftsbild eingegriffen, so ist nach dem Bundesnaturschutzgesetz (BNatschG) durch die entsprechende Naturschutzbehorde zu entscheiden, ob ein Ausgleich durch ErsatzmaBnahmen vorzunehmen oder eine naturschutzrechtliche Ausgleichsabgabe an entsprechende Fonds zu leisten sind. Die einzelnen Landesnaturschutzgesetze gestalten diesen vorgegebenen Rahmen gewohnlich weiter aus. Des weiteren sind nach § 29 BNatschG die anerkannten Verbande im Rahmen des Zulassungsverfahrens anzuhoren. Beschrankungen der Wasserkraftnutzung konnen sich femer aus den Verordnungen zu den in den Landesnaturschutzgesetzen genannten Naturschutzgebieten, Landschaftsschutzgebieten, Naturparks und (flachenhaften) Naturdenkmalem ergeben.

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

Fischerei- und Tierschutzgesetz Da Wasserkraftanlagen in der Regel den freien Wechsel der Fische in einem offenen Gewasser verhindem, verpflichten die landerspezifischen Fischereigesetze den Anlagenbetreiber zum Bau von Fischaufstiegsanlagen. Daruber hinaus werden sowohl durch das Fischerei- als auch das Tierschutzgesetz Vorrichtungen zum Schutz der Fische und anderer Tiere vor Schaden infolge des Eindringens in die Turbinen etc. gefordert (z. B. Rechenanlagen, s. Kapitel 20). Bei Ausleitungskraftwerken wird schHeBlich das Belassen eines gewissen Mindestabflusses im Mutterbett gefordert (s. Kapitel 19). BundeswasserstraBenverordnung Durch die BundeswasserstraBenverordnung werden an schiffbaren Gewassem, die als BundeswasserstraBen unter der Hoheit des Bundes stehen, die Forderungen der Schiffahrt nach deren unbeeintrachtigtem Ablauf geregelt, indem die driftfreie Ein- und Ausfahrt an den Schleusen sowie die Einhaltung des Stauzieles, der Wassertiefe und der Kanalbreite festgelegt werden. Hierbei ist auch den Belangen des Naturschutzes Rechnung zu tragen. Gewerbeordnung Da Wasserkraftanlagen normalerweise aus wirtschaftlichen Griinden errichtet und vor allem betrieben werden, miissen die entsprechenden Vorschriften, die EinfluB auf den Betrieb eines Gewerbes haben, beriicksichtigt werden. Wesentlicher Bestandteil ist die Genehmigung ftir die Inbetriebnahme durch das Gewerbeaufsichtsamt nach dessen Abnahme der Anlage. Unfallverhiitungs- und Arbeitssicherheitsvorschriften Um die Sicherheit und Unversehrtheit der Personen, die die Anlage bedienen, und unbeteiligter Dritter zu gewahrleisten, sind beim Bau und wahrend des Betriebes derartiger Anlagen die einschlagigen Unfallverhtitungs- und Arbeitssicherheitsvorschriften zu beriicksichtigen (s. Kapitel 13.3.1). Anerkannte Regeln der Technik Diese allgemein giiltigen Regeln der Technik sind entsprechend ihrem Geltungsbereich bei Planung, Bau und Betrieb zu beriicksichtigen. Es sind dies vor allem: - Normen (DIN, EN etc.); - Technische Regelwerke der Deutschen Vereinigung ftir Wasserwirtschaft; Abwasser und Abfall e. V. (DWA); - Vorschriften und Leitlinien des Verbandes Dt. Elektrotechniker (VDE). 3.5

Versicherung von Wasserkraftanlagen

Soweit es moglich und wirtschaftlich sinnvoll ist, muB es das Bestreben sein, die beim KraflAverksbau und -betrieb auftretenden Risiken durch Versicherungen abzudecken. Neben der Absicherung der Sachschaden spielt auch die Abdeckung von Vermogensschaden heute eine groBe Rolle, da die finanziellen Ressourcen der Betreiber unabhangig von der AnlagengroBe stetig geringer werden und so ein ausreichender Versicherungsschutz ftir den Betreiber eine Absicherung gegeniiber einem wirtschaftlichen Rum bedeuten kann [3.2].

3 Grundsatze der Planung und Projektierung

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In der Bauphase konnen vor allem bei folgenden Tatigkeiten Risiken auftreten: - Fertigung von Anlagenteilen beim Lieferanten; - Transport der Anlagenteile vom Hersteller zur Baustelle; - Lagerung auf der Baustelle und Montage der Anlagenteile; - Inbetriebsetzung, Tests und Probebetrieb bis zur Abnahme, wobei die Fertigung in der Regel uber den Lieferanten versichert ist. Die weiteren, auf Gerate und Einrichtungen bezogenen Punkte konnen durch eine Transportund Montageversicherung abgedeckt werden. In den meisten Fallen werden diese Risiken, die sich meist in Form von Bau- bzw. Betriebsunterbrechungen auswirken, im Rahmen der Liefervertrage auf die Lieferanten durch den Nachweis einer entsprechenden Versicherung oder durch Konventionalstrafen verlagert. Hinzu kommt gegebenenfalls eine Bauherrenhaflpflichtversicherung fur Personenschaden und Schaden an benachbarten Gebauden und Grundstucken, die vom Bauherm abzuschlieBen ist. SchlieBlich kann je nach Versicherungsrisiko auch noch der AbschluB einer Bauwesenversicherung sinnvoll sein, durch den von Seiten des Bauherm oder der ausflihrenden Firma Schaden am Bau infolge unvorhergesehener Bauunfalle und Naturereignisse abgesichert werden konnen. Wahrend des Betriebs hingegen tragt der Betreiber das alleinige Risiko, zu dessen Absicherung insbesondere folgende Versicherungen auf dem Markt angeboten werden: - Betriebsausfallversicherung, durch die ErtragseinbuBen und Mehrkosten fiir Ersatzenergie infolge eines Betriebsausfall durch einen Sachschaden an der Wasserkraftanlage ausgeglichen werden. - Maschinenbruchversicherung, durch die im Schadensfall die Reparaturkosten fur Turbine und fur Hilfseinrichtungen gedeckt wird, wobei Ublicherweise folgende Gefahren versichert sind: Material- und Ausfuhrungsfehler; Ausfall von Steuer- und Regelungsanlagen; Versagen von Sicherheitseinrichtungen; KurzschluB, tJberstrom und Uberspannung; Sturm, Frost und Eisgang; Bedienungsfehler und Ungeschicklichkeit; Fahrlassigkeit und Boswilligkeit. - Betriebshaftpflichtversicherung, ahnlich einer Gebaudehaftpflichtversicherung, die haufig aber auch eine Anlagenrisikoversicherung, z. B. durch Stromunfalle, und eine Werkeigentumerhaftpflichtversicherung, z. B. gegen Hochwasserschaden infolge schadhaftem Wehr, beinhaltet. - Personalunfallversicherung fur Unfalle des angestellten Personals. - Wasserschadenversicherung fur Schaden im oder am Gebaude durch eindringendes Leitungswasser. - Feuer- und Elementarschadenversicherung fur die Gebaude. FUr den Betreiber gilt es abzuschatzen, welche Risiken bei seiner Anlage abgedeckt werden soUten, wobei neben dem Anlagenzustand und -alter stets auch die regehnaBig zu listenden Versicherungsbeitrage im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine wichtige Rolle spielen werden.

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3 Grundsatze der Planung und Projektierung

3.6

Literatur

[3.1]

[3.2]

[3.3]

[3.4] [3.5]

[3.6]

[3.7]

[3.8] [3.9] [3.10]

[3.11] [3.12] [3.13] [3.14]

[3.15] [3.16]

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4 4.1

Typen von Wasserkraftanlagen KlassiHzierung der Wasserkraftanlagen

Im Rahmen einer Klassifizierung von Wasserkraftwerken konnen unterschiedliche Schwerpunkte bzw. Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden. Zwischen einzelnen Klassifizierungsgruppen bestehen oftmals enge Beziehungen und fliefiende tjbergange, so daB sich eindeutige Abgrenzungen ftir eine Systematik nicht definieren lassen. Trotz der nur schwierigen Abgrenzung ergeben sich mehr oder weniger die folgenden Gruppierungen ftir eine Klasseneinteilung: A Einteilung nach technischen (fluBbaulichen und bautechnischen) Gesichtspunkten: 1. Laufwasserkraftwerke: 1.1 FluBkraftwerke: 1.1.1 Blockbauweise (zusammenhangende Bauweise); 1.1.2 Buchtenkraftwerk; 1.1.3 Zwillingsbauweise (beidseitige Anordnung); 1.1.4 Pfeilerkraftwerke (aufgeloste Bauweise); 1.1.5 Uberstrombare FluBkraftwerke (Kombination mit Stauanlage): 1.2 Ausleitungskraftwerk; 1.3 Schleifen-ZSchlingenausbau (Kombination von Seitenkanal und FluBstrecke); 2. Speicherkraftwerke mit naturlichem ZufluB; 3. Pumpspeicherkraftwerke (Speicherkraftwerke ohne und mit naturlichem ZufluB); 4. Gezeitenkraftwerke; 5. Wellenkraftwerke; 6. Depressionskraftwerke; 7. Gletscherkraftwerke. B Einteilung nach topographischen Gesichtspunkten: 1. FluBkraftwerke im Unterlauf; 2. Wasserkraftwerke im Mittelgebirge (Laufwasser- und Speicherkraftwerke); 3. Speicherkraftwerke im Hochgebirge. C Einteilung nach der Nutzfallhohe: 1. Niederdruckanlagen (Fallhohe < 15 m); 2. Mitteldruckanlagen (Fallhohe = 15 bis 50 m); 3. Hochdruckanlagen (Fallhohe > 50 m). D Einteilung unter energiewirtschaftlichen Gesichtspunkten: 1. Grundlastkraftwerke; 2. Mittellastkraftwerke; 3. Spitzenlastkraftwerke.

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

E Emteilung nach der Betriebsweise: 1. Inselbetrieb; 2. Verbundbetrieb. F Emteilung nach der installierten Leistung: 1. Kleinwasserkraftanlagen (in der Kegel < 1 MW); 2. mittelgroBe Wasserkraftanlagen (< 100 MW); 3. GroBwasserkraftanlagen (> 100 MW); G Einteilung unter wasserwirtschaftlichen Gesichtspunkten: 1. Wasserkraftanlagen, die ausschliefilich der Energieerzeugung dienen; 2. Wasserkraftanlagen fiir mehrere wasserwirtschaftliche Zielsetzungen (Mehrzweckanlagen); 3. Wasserkraftanlagen, die hauptsachlich anderen Zielsetzungen und nur untergeordnet der Energieerzeugung dienen. Tabelle 4.1: Klassifizierung der Wasserkraftanlagen nach wesentlichen Merkmalen [4.1] Niederdruckanlagen hf< 15 m topographische Lage Flachland (Hiigelland) Baugrund vorwiegend Lockergestein Stauhaltung feste und bewegliche Wehre Triebwasserftihrung FluB/Ausleitungskraftwerke Entwurfsbasis

11. |2. |3.

Mitteldruckanlagen hf= 15-50 m Mittelgebirge Felsgestein

Hochdruckanlagen hf> 50 m Mittel-ZHochgebirge 1 Felsgestein 1

Talsperren (Damme o- 1 der Staumauem) |4. Ausleitungskraftwerke 1 oder Kraftwerke mit Triebwasserstollen Einlauf - Maschinenhaus Einlauf - Druckrohrlei- Einlauf - DruckstoUen -1 |5. Wesentliche Bauelemente - Auslauf tung/-stollen - Maschi- WasserschloB - Druckrohrleitung - Maschinenhaus - Auslauf nenhaus - Auslauf Kaplan-/Propeller-/Rohr- Francis-ZKaplanFrancis-ZPelton1 |6. Hydraulische Maschinen /Francis-Turbinen /Propeller-Turbinen Turbinen bei gleicher Maschinenleistun g: Einheiten groBer Abmes- Einheiten mittlerer Ab- Einheiten kleiner Abmessungen sungen messungen vertikale oder horizonta- vertikale oder horizonta- vertikale oder horizon- 1 le Wellenanordnung (ge- le Wellenanordnung tale Wellenanordnung neigt bei Rohr- und teilweise Propellerturbinen) Generatoren mit groBer Generatoren normaler Generatoren normaler 1 |7. Generatoren/ Hydrogeneratoren Polzahl Bauart Bauart | Generator unmittelbar gekuppelt/mit Getriebe | |8. AusmaB der SpeiLaufkraftwerke oder Ta- Tages- Oder WochenTages-bis Uberjahres- 1 cherung gesspeicherung speicherung speicherung |9. Vorwiegende Ener- schwankend, kleinere Schwankungen, in Anpassung an den 1 gieerzeugung u. U. unterbrochen Bedarf stetig llO.Lastbereich im Ver- Grundlastkraftwerk im Grundlastkraftwerk im Grund-/Mittel-/Spitzenkraftwerk | 1 bundbetrieb Verbundbetrieb Verbundbetrieb Talsperren (Damme oder Staumauem) Ausleitungskraftwerke, seltener FluBkraftwerke

Fiir eine systematische Weiterverft)lgung der Bautypen und der Einsatzbereiche von Wasserkraftanlagen eignet sich unter den vorgenannten Klassifizierungen am ehesten die Unterscheidung nach der Fallhohe (Gruppe C). Ihr lassen sich laut Ta-

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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belle 4.1 eine Reihe von Merkmalen zuordnen, die auch flir die sonstigen Klassifizierungen von Bedeutung sind. In Verbindung mit dem DurchfluB ergeben sich bestimmte Merkmale der Bauausflihrung, die zusammen mit den zugehorigen Bauelementen, die ebenfalls charakteristische Differenzierungen aufweisen, in den Folgekapiteln naher beschrieben werden. 4.2

Einteilung von Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Nutzfallhohe

4.2.1

Niederdruckkraftwerke

Niederdruckkraftwerke sind durch geringere Fallhohen bis etwa 15 m charakterisiert (s. a. Tabelle 4.1). Sie werden meist als Laufwasserkraftwerke konzipiert, eine nennenswerte Speichermoglichkeit durch Uberstauung weiter Ufergebiete laBt die Topographic in der Kegel nicht zu. Als typische Maschinen kommen bei Niederdruckkraftwerken vor allem Propeller-, Kaplan-, Rohr-, Straflo- und Durchstromturbinen zum Einsatz, heute seltener Francis-Turbinen. Die Anzahl der Maschinensatze richtet sich tiberwiegend nach DurchfluB, jahrlicher AbfluBcharakteristik, Einzelbetrieb oder Durchlaufspeicherung innerhalb einer Kraftwerkskette und eines Stromnetzes. Eine Kombination mit anderen Nutzungszielen ist sinnvoll und vielfach verwirklicht, insbesondere werden in fast alien Fallen durch den Bau von Wasserkraftanlagen eine Verbesserung des Hochwasserschutzes, eine Emdammung etwaiger Sohlerosionen mit FluBeintiefimg sowie weitere Vorgaben erreicht (s. Kapitel 18). 4.2.1.1 FluBkraftwerke Bei FluBkraftwerken handelt es sich um Wasserkraftwerke, die oftmals direkt in den FluBlauf gebaut werden, wobei durch die Stau- und Kraflwerksanlage ein geringer zusatzlicher Speicherraum un Oberlauf geschaffen werden kann. Fiir den Bau von FluBkraftwerken sind wasserreiche FlUsse und Strome mit einem Gefalle kleiner 2 %o besonders geeignet, wobei je nach Wasserfiihrung unterschiedliche Baukonzeptionen in Frage kommen. Beim reinen FluBkraftwerk stehen im allgemeinen Stauwehr und Krafthaus direkt nebeneinander, und ihre gemeinsame Langsachse ist quer zum Stromstrich ausgerichtet. Diese Bauart empfiehlt sich in den Fallen, wo sich der hochste HochwasserabfluB (HHQ) ohne zusatzliche Verbreiterung des FluBquerschnittes storungsfrei Uber das Wehr abfuhren laBt. Bei schiffbaren FlUssen ist zusatzlich noch eine Schleuse, vomehmlich im Bereich der Stauanlage angeordnet. Die beste Energieausbeute wird erreicht, wenn die gesamte verfligbare Ausbaufallhohe einer Gewasserstrecke in mehrere Ausbaustufen unterteilt (s. a. Abb. 2.1), also zum Stufen- oder Staffelausbau iibergegangen wird. Auch aus Griinden der Schiffbarkeit ist diese Ausbauform vorzuziehen, da so eine durchgehende Mindestwassertiefe eingehalten werden kann. Die Aneinanderreihung von FluBkraftwerken, die sogenannte Staffelung oder Kettenanordnung, die einen entscheidenden EinfluB auf die Fallhohenausnutzung

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

hat, wird nach der Abfolge der Wasserspiegellinien in den jeweiligen Stauhaltungen in Langsrichtung (FlieBrichtung) unterschieden in (s. Abb. 4.1): - aussetzende, - aneinandergereihte oder - iibergreifende Stauhaltung. Staulinienwurzel ,Wehr Ah

Abb. 4.1

Staffelungsarten bei Kraftwerksketten: a) aussetzend, b) aneinandergereiht, c) iibergreifend

Die gestaffelten FluBkraftwerke konnen auch nach deren Betriebsart unterteilt werden: den Laufwasserkraftanlagen und der FluBkraftwerksabfolge mit Durchlaufspeicherung. Laufwasserkraftanlagen nutzen das nattirliche Wasserdargebot ohne nennenswerte Speicherung entsprechend ihrem Ausbaugrad permanent wahrend des ganzen Tages und stellen somit Grundlastenergie bereit. Zur Anpassung der Stromerzeugung eines FluBkraftwerkes an den tatsachlichen Strombedarf kann dieses auch mit Durchlaufspeicherung betrieben werden. Voraussetzung ist ein ausreichendes Stauvolumen oberhalb jeder Staustufe einer Wasserkraftanlagenkette, das bei Bedarf zusatzlich zum normalen AbfluB zur optimierten Erzeugung von Spitzenenergie herangezogen werden kann, wobei der erste Speicher in FlieBrichtung, der sogenannte Kopfspeicher, und der letzte Speicher, der sogenannte Endspeicher, deutlich groBer als die dazwischen liegenden, sogenannten Zwischenspeicher sein miissen. Dies fiihrt oft zu einem hoheren Ausbaugrad (fa> 1,5) als bei einzelnen Lau^asserkraftanlagen; gleichzeitig wird durch den steuerbaren, bedarfsorientierten Einsatz der Maschinensatze ein hoherer Gesamtwirkungsgrad erzielt. Grundsatzlich stehen zwei Betriebsarten bei der Durchlaufspeicherung zur Wahl: der Kipp- oder der Schwellbetrieb (s. Abb. 4.2). Beim Kippbetrieb werden alle Wasserkraftanlagen einer Anlagenkette gleichzeitig mit demselben TurbinendurchfluB in Betrieb genommen - der Wasserspiegel „kippt" dabei aus der Ruhelage in eine Schraglage -, so daB augenblicklich die voile Leistung der gesamten Kette zur Verfiigung steht. Beim Schwellbetrieb werden die Wasserkraftanlagen einer Kette nacheinander entsprechend der durchlaufenden Wassermenge in Betrieb genommen, so daB iiber einen langeren Zeitraum entsprechend der FlieBzeit eine erhohte Leistung abgegeben werden kann, wobei die jeweilige Fallhohenausnutzung hierbei besser als beim Kippbetrieb einer ganzen Anlagenkette ist. Die Steuerung derartiger Staustufenketten erfolgt heute zunehmend mehr im vollautomatisierten Betrieb, wobei hierbei standig komplexere Steuerungs- und Simulationsmodelle zur Anwendung gelangen (s. Kapitel 13.2), die die iiber die reine Energiegewinnung hinausgehenden Ansprtiche aus der Binnenschiffahrt, der Wassermengenwirtschaft, den Umweltwechselbeziehungen, den Freizeit- und Er-

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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holungsanspriichen etc. immer besser beriicksichtigen [4.2], wie dies vor allem am Rhein, aber auch am Neckar, an der Donau, der Drau und dem Lech etc. geschieht. A Wassertiefe [m]

13,0

12,0

11,0

h-

10,0

Haltungslange obere Wasserkraftanlage

Abb. 4.2:

untere Wasserkraftanlage

Wasserspiegellagen bei Staffel- und Kippbetrieb

Zu diesem durch die Modelle stochastisch bzw. deterministisch aufzuarbeitenden Aufgabenkomplex tritt die Vielfalt der fur die Steuerung und Regelung in Frage kommenden technischen Einrichtungen einschlieBHch der Kontrollorgane. Der Staustufenbetrieb, damit die kiinstliche Beeinflussung von Wasserstand und AbfluB, kann durch Stauwehre und deren Verschlusse, durch die Turbinen in der Wasserkraftanlage, durch etwa zusatzliche Grundablasse und Hochwasserentlastungsanlagen, durch Schiffsschleusen, Fischaufstiegsanlagen sowie anderweitige Wasserentnahmen bzw. durch kunstliche Zuleitungen aus Entwasserungsnetzen geschehen. Ganzlich stochastisches Verhalten zeigen die natUrlichen, vom Niederschlag und AbfluB im Einzugsgebiet abhangigen ZuflUsse. Aus dieser Auflistung sind auch die Problemfelder fur die numerische Behandlung des gesamten Komplexes erkennbar. Hinzu kommen noch die UnregelmaBigkeiten des Stromungsablaufes innerhalb der Stauhaltung, die sich bei der zeitabhangigen Anderung von Wasserstand, ZufluB und AbfluB einstellen. Es liegt auf der Hand, daB mit einer Automatisierung der Betriebsweisen die Entlastung oder gar die Reduzierung des Betriebspersonales und vor allem die Wassemutzung optimiert werden sollen, wobei die maBgebenden Parameter in eine nichtlineare Systemdynamik aller wassermengenwirtschaftlicher und hydraulischer Veranderungen von Wasserstand, Zu- und Abflussen einzubinden sind. Hierdurch kann im Sinne von Automatisierung und Modemisierung bestehender Anlagen die bestmogliche FluBstauregelung erreicht werden. Dabei bedarf es einer standigen Messung, Sammlung und Auswertung der benotigten EingangsgroBen sowie bestimmter Vorgaben fiir die Stellglieder von VerschluB- und Regelorganen und Turbinen bis hin zu den zugehorigen Regeleinrichtungen bei jeder einzebien Wasserkraftanlage selbst. Die schlieBlich aus diesen Wechselwh-kungen hervorge-

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

henden Betriebsstrategien mtissen letztendlich auch noch einer permanenten Optimierung miterzogen werden, um die bestmogliche Staustufensteuerung zu erzielen. Je nach Anordnung von Krafthaus, Wehranlage und eventuell vorhandener Schleuse in bezug auf den FluBquerschnitt lassen sich drei wesentliche Bauweisen mit folgenden FluBkraftwerkstypen unterscheiden (s. Abb. 4.3), die in den nachfolgenden Abschnitten naher beschrieben werden: - zusammenhangende Bauweise: - Blockbauweise, - Buchtenkraftwerk; - aufgeloste Bauweise: - Zwillingskraftwerk, - Pfeilerkraftwerk; - uberstrombare Bauweise. i'i'i\'B'i'1'Mn I'l'i'i'W'Mi'i'm

|i|i|i|i}^i|i|i|iiq

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.M'l'lJJ^ JSM a i ^ P I.I.I.I.B..I.I.(b)l TTTiTTn}a..LI.(c)i lilihli.H..I.I(d>l Abb. 4.3: Anordnung von FluBkraftwerken: a) Blockbauweise, b) Zwillingsbauweise, c) Pfeilerkraftwerk, d) uberstrombares Kraftwerk, e) Buchtenkraftwerk [4.1] Eine Sonderform der FluBkraftwerke stellen die Ausleitungskraftwerke dar, auf die in Kapitel 4.2.1.2 naher eingegangen wird. Blockbauweise Bei dieser Bauweise (s. Abb. 4.3a) befinden sich samtliche Maschinensatze in einem Krafthaus, das an einer Seite des Flusses angeordnet ist. Dies ist sowohl wahrend der Bau- als auch wahrend der Betriebsphase flir Montage- und Wartungsarbeiten von besonderem Vorteil. ZweckmaBigerweise ordnet man das Kraftwerk in FluBkriimmungen auf der nahezu geschiebefi-eien AuBenseite an (s. Kapitel 5.1). Das dort infolge der Oberflachenstromung vermehrt auftretende Treibgut kann hingegen relativ problemlos durch Abweisbalken auf die Wehrfelder abgelenkt oder durch Rechenanlagen entnommen bzw. weitergeleitet werden. Ebenso ist bei FlUssen mit starkem Eisgang darauf zu achten, daB das Treibeis - unter Umstanden durch entsprechende Vorrichtungen, wie z. B. Eisbaume oder Eiskanale - vom Krafthaus abgelenkt wird und sich nicht vor demselben aufturmt; die Bildung einer zusammenhangenden Eisdecke an der Wasseroberflache ist dem Kraftwerksbetrieb hingegen nicht hinderlich, sie hilft vielmehr bei der Abwehr von Treibeis. Die Blockbauweise ist nur an den Orten zu verwirklichen, an denen die storungsfreie Abfuhr des hochsten Hochwassers ohne Verbreiterung des FluBquerschnittes iiber die geplanten Wehrfelder moglich ist. Ansonsten ist eine andere Bauweise, insbesondere die des Buchtenkraftwerks vorzuziehen. SinnvoUerweise wird man in der Planungsphase anhand eines Modellversuches die gUnstigste Anordnung aller Bauteile ermitteln, sofem nicht auf vergleichbare Erfahrungswerte anderer Anlagen zuruckgegriffen werden kann. Vielfach haben diese das Stro-

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mungsverhalten und den Geschiebetrieb aufklarenden Modellversuche eine voUstandige Veranderung der ursprtinglichen Planung zur Folge gehabt. Da die An- und Abstromverhaltnisse bei der zusammenhangenden Bauweise am schlechtesten sind, ist auf eine straffe Stromungsrichtung und die Vermeidung von Querstromungen durch den Einbau eventueller Leitwande o. a. groBer Wert zu legen. Ebenso ist darauf zu achten, daB keine Stillwasserzonen im Oberlauf in groBerem Umfang entstehen, da sich dort sonst Verlandungszonen entwickeln konnten. Als Beispiele seien das Laufwasserkraftwerk Sackingen am Hochrhein (s. Abb. 2.1 und vor allem Kapitel 21.1), bei dem sich auf der rechten Seite des Rheines das Krafthaus mit 4 Kaplan-Turbinen und auf der linken Seite die Wehranlage mit 5 Wehrfeldem befinden, sowie das ahnlich gebaute Rheinkraftwerk Iffezheim (s. Abb. 13.3)genannt. Buchtenkraftwerk Eine der haufigsten Formen der Anordnung von FluBkraftwerken stellt das Buchtenkraftwerk als Sonderform der Blockbauweise dar (s. Abb. 4.3e), bei der das Kraftwerk in einer kiinstlich geschaffenen Bucht seitlich des ursprtinglichen FluBlaufes angeordnet wird. Auch dieses Kraftwerk befindet sich sinnvollerweise auf der geschiebefi-eien AuBenseite einer FluBkriimmung. Im Gegensatz zur reinen Blockbauweise wird der FlieBquerschnitt kaum oder uberhaupt nicht verringert, wodurch das HHQ wie zuvor im unverbauten Zustand abgefiihrt werden kann. Die durch die Verbreiterung ansteigenden Baukosten werden normalerweise durch die vereinfachte und hochwassersicherere Herstellung des Krafthauses in einer trockenen Baugrube kompensiert (s. a. Kapitel 13). Ftir die relative Lage des Krafthauses zum Stauwerk gibt es drei Moglichkeiten (s. Abb. 4.4): a) Krafthaus in der Verlangerung des Wehres, b) vorspringendes Krafthaus, c) Krafthaus fluBabwarts verschoben. Kraftwerk

^-y W^ ^ ^ Abb. 4.4:

Relative Lage des Krafthauses zum Stauwerk: a) Krafthaus in der Verlangerung des Wehres; b) vorspringendes Krafthaus; c) KrafthausfluBabwartsverschoben [4.1]

Am gunstigsten ist die in die Verlangerung des Wehres fallende Variante a) oder eine etwas fluBabwarts verschobene Anordnung. Bei der stark fluBabwarts verschobenen Anordnung des Krafthauses c) wird letzteres bereits ungtinstiger angestromt. Am ungUnstigsten aber ist die Variante b) mit einem vorspringendem Krafthaus, da sich hier erne nachteilige Stromung mit sehr vielen Umlenkungen und Ablosungen ausbilden wiirde. Aus stromungstechnischen Gesichtspunkten ist es von besonderer Bedeutung, daB die Bucht mit einer ausreichend groBen Verziehung der Uferlmie sowohl auf

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

der Ober- als auch auf der Unterwasserseite ausgebildet wird, damit die Stromung im Bereich des Kraftwerkes gleichmaBig verlauft. Des weiteren spielen die Trennpfeileranordnung, -lange und -form hierbei eine bedeutende Rolle, wobei im allgemeinen ein Tremipfeiler mit einer Lange, die etwa 1/3 der Krafthauslange betragt, und einer asymmetrischen Grundform mit wehrseitig gerader und kraftwerkseitig parabolischer Abgrenzung gute Ergebnisse liefert. Das beste Ergebnis erhalt man allerdings nur durch einen alle ortlichen Randbedingungen erfassenden Modellversuch. Bei Buchtenkraftwerken unterscheidet man bezuglich des Einlaufbereichs zwei Ausfiihrungsvarianten, die in der nachfolgenden Abb. 4.5 dargestellt sind. Im Gegensatz zu alteren Ausfuhrungen mit Entnahmebauwerk (in der Kegel Betonschwelle, Rechen und Tauchwand) wird bei neueren BaumaBnahmen auf eigenstandige Entnahmebauwerke verzichtet und die Rechenanlage direkt den Turbineneinlaufen parallel vorgelagert, wie z. B. bei den AusbaumaBnahmen am Hochrheinkraftwerk Laufenburg.

Abb. 4.5:

Anordnung von Buchtenkraftwerken: a) mit / b) ohne Entnahmebauwerk und potentieller Schleuse [4.1]

Zwillingsbauweise Eine Zweiteilung des Kraftwerkes (s. Abb. 4.3b) kann unter besonderen Umstanden bei Fliissen mit groBem AusbaudurchfluB und kleiner Fallhohe notwendig werden, da in diesem Fall aufgrund der hoheren Anzahl von Maschinengruppen groBe Krafthauslangen erforderlich sind, die bei ungeteilter Unterbringung des Kraftwerkes an einem der beiden Ufer zu einem MiBverhaltnis zwischen Buchtbreite und der ursprtinglichen FluBbettbreite fiihren wtirden.

Abb. 4.6:

Anordnungsvarianten von zweigeteilten Wasserkraftanlagen [4.1 ]

Hierbei kann die symmetrische Anstromung auch vorteilhaft sein. Insbesondere bei Fliissen, die die Grenze zwischen benachbarten Staaten darstellen, kann die Wasserkraftnutzung in zweigeteilten Anlagen notwendig werden, wobei sich das Stauwerk dann meist in gemeinsamem Besitz befindet.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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In Abb. 4.6 sind die moglichen Ausfuhrungsvarianten schematisch dargestellt, wobei die Variante a) mit einer kleinen Schiffsschleuse beispielsweise beim Rheinkraftwerk Augst-Whylen und die Variante b) beim Donaukraftwerk YbbsPersenbeug zur Ausfiihmng kam. Pfeilerkraftwerke Pfeilerkraftwerke (s. Abb. 4.3c und Abb. 4.7) zeichnen sich durch die wechselnde Anordnung von Wehrfeld und Turbinenpfeiler in der Kraftwerksachse aus. Die Turbinenpfeiler nehmen gleichzeitig die Widerlager ftir die Wehrfelder auf und ersetzen separate Wehrpfeiler, wodurch die Anstromung beider Anlagenteile sehr gleichmaBig ist. Dies gilt auch dann, wenn die Wehrfelder verschlossen und nur die Turbinen in Betrieb sind. Es hat sich gezeigt, daB diese Bauweise Einsparungen an der Energieumwandlungsanlage fiir den HochwasserabfluB erlaubt und auf eine Querschnittsverbreiterung fiir das Tosbecken durch Ausniitzung der raumlichen Tosbeckenwirkung verzichtet werden kann. Von Vorteil ist, daB der Bau eines separaten Krafthauses entfallt, da die Betriebsraume seitlich um die Turbine mit in der Regel senkrechter Welle und damit dartiber sitzendem Generator angeordnet werden konnen. Die Wartung der Maschinensatze erfolgt iiber einen Portalkran, der auf dem Dach der Anlage, die sich durch ihre geringe Bauhohe auszeichnet, fahrt. Durch die gleichmaBige Verteilung der Anlagenkomponenten tiber den gesamten FluBquerschnitt werden die Auflasten verteilt, so daB meist auf eine aufwendige und kostenintensive Bauwerksgriindung - vor allem als Auftriebsschutz - verzichtet werden kann. Bisher wurden beispielsweise am Inn die Staustufen Perach (Inbetriebnahme 1974), NuBdorf (1982) und Oberaudorf (1992) als Pfeilerkraftwerke gebaut und werden mit ahnlichem Erfolg wie die alteren Drau-Pfeilerkraftwerke betrieben.

TOOOQl m m

i n J Montageraum

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D Wehrfeld 1

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1

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1

m frflP P^l ^ m rn Wehrfeld 2 Wehrfeld 3 D "D

^ T u r bine 1 1

Abb. 4.7:

1

i

Tur bine

n Schaltwarte

I

2_/^

Querschnitt durch das Pfeilerkraftwerk NuBdorf am Inn [nach 4.3]

tjberstrombare Kraftwerke An die Stelle des Nebeneinanders von Kraftwerk und Stauwehr tritt beim Uberstrombaren bzw. iiberflutbaren Kraftwerk (s. Abb. 4.3d und Abb. 4.8) ein einheitlicher und organisch durchgebildeter Baukorper. Er erflillt gleichzeitig drei Aufgaben: Aufiiahme der Maschinensatze, Stauhaltung und Hochwasserentlastung. Der Raumbedarf ist auf ein Minimum beschrankt, wodurch sich neben der Ersparnis an BaumaBnahmen die Gesamtanlage gut in das Landschaftsbild eingliedem laBt und eine FluBbettverbreiterung nicht notwendig ist.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

92

Eingangsbauwerk I 8,70 I

Ausgangsbauwerk I 8,20

8 x 9,5 m = 76,00 8 Klappen

I Maschinenraum

PHMPI

a

Grundablaß 1

Grundablaß 2 Turbine 1+2

I BriMH \ZZ\

Grundablaß 3 Turbine 3+4

Grundablaß 4 Turbine 5+6

Unterwasser Faltboot-Schleuse

Abb. 4.8;

Saugrohre

Klappenantriebe

Grundablaß

Uberstrombares Kraftwerk (Staustufen 7-15 am Lech): a) Ansicht vom Unterwasser; b) GrundriB; c) Schnitt in der Turbinenachse; d) Schnitt durch den GrundablaB/Hochwasserentlastung [nach 4.4]

Das sich uber die ganze FluBbreite erstreckende Bauwerk, dessen Bauteile wasserdicht ausgefiihrt werden miissen, enthalt die Maschinengruppen und die als Leerschusse ausgebildeten GrundablaBoffiiungen z. B. mit Segmentverschlussen. Hierbei konnen die Turbinenkammem und die Leerschusse entweder miteinander abwechsebd oder blockweise zusammengefaBt angeordnet werden sollten. Dies richtet sich nach dem FluBquerschnitt und nach den herrschenden Stromungsverhaltnissen, die durch das Kraftwerk nicht wesentlich beeinfluBt werden. Der Baukorper tragt auf seiner Krone den z. B. aus einzehien Stauklappen gebildeten Wehraufsatz. Bei Hochwasser wird durch Umlegen des Klappenwehres das Wasser iiber das Wehrkraftwerk abgefiihrt, und aus der Anlage entsteht das Unterwasserkraflwerk. Bei diesem Bautyp kommen heute iiberwiegend horizontal oder leicht geneigt liegende Rohrturbinen, S-Rohrturbinen oder auch Straflo-Turbinen, zum Einsatz. Dariiber hinaus sind auch Ausftihrungen mit Propeller- oder Kaplan-Turbinen mit Spirale und Saugkrummer moglich, die vor allem bei etwas groBeren Fallhohen (10-15 m) zur Ausftihrung gelangen.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

93

GroBere Probleme durch Eisgang treten in der Regel nicht auf, da die Wasserentnahme fur die Turbine unter dem Wasserspiegel angeordnet ist. Bei Fliissen mit starkem Geschiebetrieb sind entsprechend hohe Einlaufschwellen und Spiileinrichtungen vorzusehen, unter Umstanden ist dort dieser Anlagentyp sogar ungeeignet. 4.2.1.2 Ausleitungskraftwerke Die Ausleitungskraftwerke, einer Sonderform der FluBkraftwerke, die teilweise auch Umleitungskraftwerke bezeichnet werden, unterscheidet man in zwei Hauptgruppen: die Kanal- und die Schleifen- oder Schlingenkraftwerke (s. Abb. 4.9). Kanalkraftwerke - auch als Seitenkanalkraftwerke bezeichnet - finden eine Anwendung unter anderem bei stark maandrierenden FluBlaufen mit geringem Gefalle und eventuell geringerem AbfluB. Hierbei wird ein FluBabschnitt, in dem das Stauwerk angeordnet wu*d, durch einen kiinstlichen Kanal abgekiirzt, damit das Gefalle an einer Stelle zusammengefaBt und in einer Wasserkraftanlage genutzt (s. Abb. 2.2), wodurch auch unter Umstanden die Schiffahrt ermoglicht werden kann. Schleifenkraflwerke werden in einer verhaltnismaBig kleinen, ktinstlich geschaffenen FluBschleife oder Werkkanal angeordnet. Die Schlingenkraftwerke dagegen durchschneiden eine kurze FluBwindung, wie beispielsweise das Hochrheinkraftwerk Albbruck-Dogem (s. Abb. 13.3). Wehr

Abb. 4.9:

Ausleitungskraftwerke: a) Kanal-; b) Schleifen-; c) Schlingenkraftwerk

Bei dieser Bauweise bleibt im urspriinglichen FluBbett nach der Stauanlage nur noch das fiir die Energieerzeugung nicht genutzte Mindestwasser (s. Kapitel 19) sowie im Hochwasserfall die den AusbauabfluB iibersteigende Wassermenge zuriick. An die das Triebwasser zuftihrende Strecke werden neben den wichtigen hydraulischen Anforderungen mit dem Ziel der Verlustminimierung auch okologische und landschaftsgestalterische Anspriiche gestellt. Eindeutiger Vorteil dieser Kraftwerke ist, daB diese m einer trockenen Baugrube erstellt werden konnen; nachteilig sind jedoch die kostenmtensiven Erdarbeiten fiir die Zu- und Ableitungskanale zum Kraftwerk und die bei nicht abgestirmnter Mindestwasserftihrung mogliche Beeintrachtigung der naheren FluBlandschaft, vor allem im Hinblick auf die betroffene FluBstrecke. Infolge seiner Bauweise kann dieser Bautyp auch im Bereich der Mitteldruckoder sogar der Hochdruckkraftwerke zur Anwendung gelangen.

94

4 Typen von Wasserkraftanlagen

Bei FluBlaufen mit Nebenarmen besteht die Moglichkeit, das Kraftwerk im Nebenarm mit gestautem Hauptstrom ahnlich dem Ausleitungskraftwerk oder im selteneren Fall ohne gestauten Hauptstrom anzuordnen. 4.2.2

Mitteldruckkraftwerke

Im allgemeinen ordnet man Wasserkraftanlagen, die mittlere Fallhohen (15-50m) nutzen, den Mitteldruckkraftwerken zu, wobei die Ubergange von Niederdruckzu Mitteldruckkraftwerken und von Mitteldruck- zu HochdruckkraflAverken flie13end sind (s. Tabelle 4.1). Zeitweise wurde in mancher Fachliteratur daher auf diese Gruppe ganz verzichtet und die Wasserkraftanlagen nur in Nieder- und Hochdruckanlagen eingeteilt, heute jedoch hat sich die hier vorgenommene Einteilung durchgesetzt. Dieser Wasserkraftanlagentyp ist meist im Zusammenhang mit niedrigeren Talsperren als Speicherkraftwerk oder an hoheren Wehren als Laufwasserkraftanlage anzutreffen. Die bei diesen Anlagen typischen mittleren Wasserdurchsatzen sind in der Regel in beiden Fallen nur durch eine Speicherbewirtschaftung zu erreichen, wobei neben den Belangen der Energieerzeugung (Ausgleich der jahreszeitlich unterschiedlichen AbflUsse, Spitzenbedarfsdeckung, eventuell Pumpspeicherung etc.) auch andere Ziele (Niedrigwasseraufliohung, Trinkwasserversorgung, Hochwasserschutz, Freizeit und Erholung etc.) zu beriicksichtigen sind. Unter diesen Gesichtspunkten lassen sich drei Hauptgruppen nennen: 1. Einzweckanlagen: - Bedarfsdeckende Anlagen, die entsprechend dem speziellen Strombedarf einer Stadt oder Industrieanlage betrieben werden. - Anlagen, durch die der AbfluB in einem FlieBgewasser vergleichmaBigt werden soil. - Anlagen zur Spitzenstromerzeugung, wobei in vielen Fallen ohne unterwasserseitiges Ausgleichsbecken nur ein TeilabfluB hierzu verwandt werden kann, da die starken AbfluBschwankungen im Unterwasser bei einem Betriebswechsel nur selten zulassig sind. 2. Mehrzweckanlagen, die hauptsachlich der Energieerzeugung dienen, gleichzeitig aber auch anderen Anforderungen gerecht werden mussen (z. B. Hochwasserschutz, Bewasserung, Trinkwasserversorgung, Wasserstandsregulierung, Mindestwasserausgleich, Erholungs- und Freizeitangebot), wobei die unter 1. genannte zusatzliche Unterteilung durchaus Ubertragbar ist. 3. Mehrzweckanlagen, die nicht hauptsachlich der Energieerzeugung dienen, sondem primar anderen Zielen zugeordnet sind, insbesondere bei Stauhaltungen schiffl)arer Fliisse. AuBer durch den Fallhohenbereich sind die Mitteldruckkraftwerke durch eine dreifache Gliederung des Krafthauses charakterisiert (s. Abb. 4.10): a) Einlauf mit Rechen und Turbinenschiitze; b) verlangerter Einlaufschlauch (Druckschlauch) bzw. Triebwasserleitung; c) Einlaufspirale, Turbine und Saugschlauch.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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Kraftwerke in direkter Verbindung von Erddammen oder Betonstaumauem, die sogenannten Speicher- oder Talsperrenkraftwerke, stehen zumeist dicht an der Luftseite, wobei das Krafthaus direkt an den Damm- oder MauerfuB anschlieBt und so relativ kurze, kostengiinstige Druckrohre mit einem niedrigen hydraulischen Verlust erlaubt. Es ist aber auch moglich, dai3 das Krafthaus etwas weiter fluBabwarts angeordnet und das Triebwasser dann durch einen kurzen Stollen im Hang oder durch eine oder mehrerefi^eiverlegte Druckrohrleitungen den Maschinensatzen zugefiihrt wird. Des weiteren ist auch die Anordnung der Maschinen in einer Kaveme durchaus moglich, jedoch bei Mitteldruckkraftwerken nur in seltenen Fallen, z. B. in sehr engen Talem, gebrauchlich. Als hydraulischer Maschinentyp werden hauptsachlich Francis-Turbinen, seltener Kaplan oder gar PeltonTurbinen eingesetzt. Als typisches Beispiel ist in Abb. 4.10 ein Querschnitt durch die Talsperre und das zugehorige Krafthaus Bleiloch an der Oberen Saale in Thtiringen wiedergegeben. Diese Anlage stellt die oberste einer Talsperren- bzw. Kraft^^erkskette, der sogenannten Saalekaskade, dar, die vor allem aus Pumpspeicherkraftwerken besteht, und die dartiber hinaus noch die nutzbare Energie der Saale abarbeitet. 412,00

410,00 V

. Einlaufbauwerk mit Hauptverschluß (Rollschütz)

398,00

Krafthaus

Auslaufbauwerk Ausgleichbecken Burgkhammer 358,00 356,00 y351,50

49,00-

- 45,00

49,00-f—

-31,50-

—I—17,00—J[5,4Jf-

7T^

Abb. 4.10: Typisches, dreifach gegliedertes Mitteldruckkraftwerk: Bleilochtalsperre, Obere Saale [4.5] 4.2.3

Hochdruckkraftwerke

Ab einer Fallhohe von ca. 50 m und dariiber spricht man von Hochdruckkraftwerken, die den verhaltnismaBig geringen DurchfluB, der ihnen zur Verfiigung steht, zur Energiegewinnung bei groBen Hohenunterschieden nutzen (s. Tabelle 4.1). Inft)lge der groBen Fallhohen fallen die in den Fassungen und Zuleitungen auftretenden Verluste und Fallhohenschwankungen relativ geringer ins Gewicht, soilten jedoch auch hier soweit moglich reduziert werden. Schwankungen bei den verhaltnismaBig geringen Wassermengen, die je nach GroBe des Einzugsgebietes und des Speicherraumes verfiigbar sind, hingegen machen sich bei der Energiegewinnung deutlich bemerkbar, so daB haufig fiir eine wirtschaftlichere Betriebs-

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

flihrung benachbarte Einzugsgebiete durch Beileitungen mit zur Nutzung herangezogen werden. Ein Ausgleich der schwankenden Zufliisse erfolgt auch hier durch eine gezielte Bewirtschaftung der unter Umstanden mehreren Speicher. Nach ihrer grundsatzlichen Anordnung lassen sich bei den Hochdruckanlagen drei Anlagentypen unterscheiden: 1. Hochdruckanlagen mit Freispiegelkanal und Einlaufbecken bzw. Freispiegelstollen sowie Druckleitung (s. Abb. 4.1 la), 2. Hochdruckanlagen mit ganzlicher Druckleitung (Stollen, Rohrleitung) (s. Abb. 2.2 und Abb. 4.12), 3. Speicher- bzw. Talsperrenkraflwerke (s. a. Abb. 4.10 und Abb. 4.1 lb).

Abb. 4.11: a) Hochdruckanlage mit Freispiegelumleitung (oberirdische Anordnung): GrundriB und Schnitt; b) Talsperrenkraftwerk [4.1] Ahnlich wie bei den anderen Wasserkraftanlagen konnen auch groBere Fallhohen in Umleitungskraft:werken genutzt werden (s. Abb. 4.11a), wobei die Wehranlage in diesem Fall nur eine geringe Hohe hat, die lediglich der Wasserfassung und nicht der Erhohung der Druckhohe dienen kann. Es besteht hier die Moglichkeit, durch Beileitungen in den Obergraben die zur Energieerzeugung verfugbare Wassermenge zu erhohen. Eine weitere Art der Nutzung stellt das an durchgehende Druckstollen bzw. Druckrohrleitungen angeschlossene Kraftwerk dar, dessen wesentliche Anlagenteile und deren Anordnung aus Abb. 2.2 und Abb. 4.12 zu ersehen sind. Diese Losungsart empfiehlt sich besonders dort, wo sich durch den Stollendurchstich eine FlieBstreckenverkurzung, beispielsweise in einer weiten FluBkriimmung, und damit eine ortlich konzentrierte groBe Fallhohe erreichen lassen. Im Gegensatz zum Umleitungskraftwerk mit FreispiegelstoUen hat in diesem Fall infolge der geschlossenen Druckverbindung die Stauhohe an der Talsperre einen direkten EinfluB auf die Energiegewinnung, so daB ein moglichst groBer Stauraum und vor allem eine moglichst groBe Stauhohe erklartes Ziel sein miissen.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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Bei den Druckstollenkraftwerken werden im Prinzip drei Bauweisen und eine Mischform unterschieden, bei denen insbesondere die Anordnung des Zu- und Ableitimgsstollens sowie des Krafthauses differiert: - Italienische Bauweise (s. Abb. 2.2): Die Triebwasserleitung gliedert sich in den flach geneigten Freispiegel- oder Druckstollen, das WasserschloB und den Druckschacht bzw. die Druckrohrleitung, das Kraftwerk (Freiluft- oder Kavemenkraftwerk) liegt direkt am Unterwasser. - Schwedische Bauweise (s. Abb. 4.12a): Auf den vergleichsweise kurzen DruckschachtZ-stollen folgt das in einer Kaveme angeordnete Kraftwerk, anschliefiend der Schwallraum und der Unterwasserstollen als Freispiegeloder Niederdruckstollen. - Norwegische Bauweise (s. Abb. 4.12b): Im verhaltnismaBig langen diagonalen Druckstollen befindet sich vor dem Krafthaus ein Windkessel-WasserschloB (s. Kapitel 11.5.3). - Mischform: Bei dieser Bauweise folgt auf Druckstollen, WasserschloB und Druckschacht etwa mittig das Kraftwerk in einer Kaveme, an das ein Unterwasserstollen mit Schwallraum anschlieBt. Speicherbecken

(a

Speicherbecken

Windkessel-Wasserschloß b Kavernenkraftwerk

Abb. 4.12: Hochdruckkraftwerke: a) Druckstollenkraftwerk - schwedische Bauweise; b) Druckstollenkraftwerk mit diagonalem Stollen und Windkessel-WasserschloB - norwegische Bauweise [4.1] Bei den im Hochdruckbereich verhaltnismaBig seltenen Speicher- bzw. Talsperrenkraftwerken ist das Krafthaus unmittelbar an die Talsperre angeschlossen oder im Sperrenbauwerk selbst angeordnet und entspricht somit vom Aufl^au her im wesentlichen den Mitteldruckanlagen. Emdeutiger Vorteil der Anlagen mit Speicher ist die Unabhangigkeit von der unregelmaBigen Wasserfiihrung des genutzten Wasserlaufes und damit eine hohere Verfiigbarkeit. Als hydraulische Maschine kommt fast ausschlieBlich die Pelton-Turbine, bis zu ca. 600 m auch die Francis-Turbine, zum Einsatz. Werden Hochdruckkraftwerke als Spitzenkraftwerke eingesetzt, indem diese Energie bei kurzem und hohem Leistungsbedarf produzieren, so muB ein besonderes Augenmerk auf die plotzlich auftretenden groBen Wassermengen gerichtet werden. Aus okologischen Griinden ist eine direkte Riickgabe m das Unterwasser nicht vertretbar, so daB ein Riickhaltebecken vorgesehen werden muB, das das anfallende Wasservolumen zwischenspeichert und gleichmaBig abgibt. Beim Neu-

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

bau des Kraftwerkes Amsteg, Schweiz, wurde beispielsweise ein derartiges Riickhaltebecken in Form eines Unterwasserstollens gebaut [4.6]. 4.3

Weitere bedeutende Wasserkraftanlagengruppen

4.3.1

Pumpspeicherkraftwerke als Regelungskraftwerke

Die allzeitige Sicherstellung der elektrischen Stromversorgung als Eckpfeiler der modemen Industriegesellschaft ist in der Bundesrepublik Deutschland eine komplexe, nicht zuletzt durch gesetzliche Auflagen umrissene Aufgabe der Elektrizitatswirtschaft. Die hier zu losende Problemstellung ist nicht nur durch die hohen Anforderungen an Bautechnik, Maschinenbau und Elektrotechnik vorgezeichnet. Im gleichen MaBe gilt es, mit dem Ausgleich von Stromerzeugung und Stromverbrauch einen kostengUnstigen, optimalen Einsatz hinsichtlich Typ und GroBe unterschiedlicher Warmekrafl:werke und Wasserkraftwerke sowie seit Anfang der 1990er Jahre verstarkt auch Wind- und Biogas- bzw. Biomassekraftwerke, die in einem uberregionalen Netz zusammengeschlossen sind, zu erreichen. Hinzu kommt die Abstimmung auf die beachtlichen Schwankungen des Stromverbrauchs, wie es sich besonders deutlich in der Tageslastganglinie mit unterschiedlichen Bereichen von Grundlast und Spitzenlast abzeichnet, und die Abstimmung auf die je nach Kraftwerkstyp vorhandenen Einsatzzeiten bzw. Betriebsweisen (s. Abb. 3.4). Derartige Lastdiagramme fallen je nach klimatischen Verhaltnissen, Lebensgewohnheiten, sozialer Situation, Wirtschaftsstruktur und dergleichen mehr recht unterschiedlich aus. Fiir die Deckung der Grundlast gelangen in Deutschland vorwiegend Kohle-, Schwerol- und Kemkraftwerke sowie Laufsvasserkraftwerke zum Einsatz. In den wasserkraftreichen Bundeslandem treten anstelle der Warmekraftwerke FluB- und Speicherkrafl:werke in den Vordergrund. Angesichts der Verbrauchsschwankungen sind regelbare Kraftwerke erforderlich, die neben der Spitzendeckung auch die Feinregelung im Gesamtnetz des Kraftwerksverbundes Ubemehmen. Wenn auch einzelne Warmekraftwerkstypen, hier sind es die modemen Kohle-, Leichtolund Gaskraftwerke, eine Regelung innerhalb bestimmter Grenzen erlauben, aber mit der wechsebiden Betriebsweise hohere Kosten vemrsachen und starkeren MaterialverschleiB erfahren, bieten sich m einem die Wasserkraft einschlieBenden Verbundnetz hydraulische Speicherkraftwerke in hervorragender Weise an. Eine groBe Bedeutung kommt den Pumpspeicherkraftwerken aufgmnd ihrer ausgedehnten Leistungsspanne zu (s. Kapitel 17) [4.7]. Dies kommt auch dadurch zum Ausdmck, daB weltweit ca. 75.000 MW in Pumpspeicherkraftwerken installiert bzw. im Bau und etwa 30.000 MW in Planung sind. Pumpspeicherkraftwerke erzeugen im wesentlichen keinen zusatzlichen Strom - abgesehen von der zusatzlichen Nutzung naturlicher Zufliisse - und bieten die einzige groBtechnisch nutzbare Speichermoglichkeit fur Energie in regionalen und Uberregionalen Stromversorgungsnetzen. Deren Ausgleich von Lastschwankungen spielt sich in Bereichen optimaler Wirkungsgrade ab, und sie stellen wichtige Regelelemente dar. Die Fahigkeit der Energiespeichemng ermoglicht letztlich Uberhaupt erst den Einsatz der regenerativen Energietrager wie Sonne, Wind und teilweise Biomasse. Die optimale Fahrweise besteht darin, moglichst in den besten Turbinier- und den

4 Typen von Wasserkraflanlagen

99

male Fahrweise besteht darin, moglichst in den besten Turbinier- und den preiswertesten Pumpzeiten das meiste Wasser zu bewegen. Im Prinzip handelt es sich hier um einen Walzbetrieb bzw. um eine hydraulische Umlagerung, deren Wirtschaftlichkeit zunachst durch die Relation zwischen der Stromerzeugung zu Spitzenbedarfszeiten und der Nutzung billigen tJberschuBstromes aus dem Netz zu Schwachlastzeiten bestimmt wird. Die gute Regelfahigkeit bei kurzesten Anlaufzeiten fiihrte in den letzten Jahrzehnten zu einem verstarkten Ausbau auch der konventionellen Speicherkraftwerke mittels erweiterter Maschinensatze fur die zusatzliche Pumpspeicherung. Hierflir gibt es vielfaltige Beispiele in der Alpenregion; aber auch eine ganze Reihe neuer, ausgesprochener Pumpspeicherkraftwerke sind in Mittelgebirgsbereichen entstanden. Eine erhebliche Rolle spielten die Entwicklung der Ingenieurwissenschaften und die zwischenzeitlich gesammelten Erfahrungen. Fur einen derartigen, verstarkten Ausbau bietet Westeuropa mit seinem dichten, Lander Ubergreifenden Verbundnetz und mit den mannigfaltigen Kraftwerkssystemen sehr gunstige Voraussetzungen. In Deutschland hat Mitte der 1920er Jahre der Bau von Pumpspeicherkraftwerken groBerer Leistungen fiir die offentliche Stromversorgung begonnen und sich in den meisten Industrielandem mit eindrucksvollen Beispielen fortgesetzt. Der Einsatz von Kemkraftwerken beschleunigt die Entwicklung zu immer groi3eren Einheiten, da mit der wirtschaftlichen Bedeutung der hydraulischen Speicherung von Schwachlastenergie in Verbundnetzen auch der Nutzungsgrad der mit der Atomenergie bereitgestellten Grundlast durch Abgabe von Pumpstrom wahrend bedarfsschwacher Zeiten ganz erheblich gesteigert wird. Ein kennzeichnendes, vor allem die vielseitige Bautechnik einer Wasserkraftanlage dokumentierendes Beispiel im Vorgriff auf die m Kapitel 17 ausflihrlich behandelten Pumpspeicheranlagen ist mit dem Pumpspeicherkraftwerk Glems gegeben. Dieses ist Ende 1964 nach zweieinhalbjahriger Bauzeit in Betrieb gegangen und dient zur Spitzenstromdeckung im GroBraum Stuttgart. Es liegt am Nordrand der steil abfallenden Schwabischen Alb, 40 km sUdlich von Stuttgart. In Abb. 4.13 ist die Gesamtanlage des Pumpspeicherkraftwerkes mit alien wesentlichen Daten wiedergegeben. Das auf der Albhochflache angeordnete Oberbecken hat angesichts des sehr kltiftigen Juragesteins keinen nattirlichen ZufluB. Dieser ist beim 283 m tiefer gelegenen, aus einer Talsenke entstandenen Unterbecken durch den kleinen Tiefenbach mit 0,5 m^/s nur ftir Verlustausgleich gegeben, so daB fur die erste FUllung des auf 1,2 Mio. m^ ausgelegten Staubeckens Wasser aus der 3,5 km entfemten Erms hertibergepumpt werden muBte. Das in seiner bautechnischen Ausfuhrung damals neuartige Oberbecken wurde hauptsachlich durch Abtragen einer Bergkuppe und durch Aufschiitten eines Ringdammes bei vollstandigem Massenausgleich geschaffen. Den Beckenuntergrund bildet ein stark gekluftetes Kalkgestein in heterogener Zusammensetzung. Durch Freilegen der vielfach angetroffenen Kavemen, durch VerfuUen und Uberdecken mit mindestens 2,0 m starker Bodenschicht und durch eine die Beckensohle Uberdeckende Polyester-Gewebeauflage sowie durch Aufbringen eines doppelten Asphaltbetonbelages mit dazwischen liegender Drainschicht konnte ein bis heute sicherer Betrieb mit taglich um 16,6 m wechsekidem Wasserstand und damit

100

4 Typen von Wasserkraftanlagen

unterschiedlicher Druckbelastung gewahrleistet werden. Die wasserseitigen Boschungen des Ringdammes erhielten gleichfalls einen doppelten Asphaltbetonbelag mit zwischenliegender Drainschicht, die zonenweise entwassert und an einen umlaufenden begehbaren Stollen angeschlossen ist. Erddamm Hmax = 28,7 m, L = 333 m

Unterbecken Stauziel 457,7 m ü. 'NNT Absenkziel 450 m ü. NN V = 1,2 hm³ A= 141.750 m² L = 615 m, D = 3,3 m/^ Stauziel 755 m ü NN ' Absenkziel 738,35 mü NN V = 0,9 hm³ A= 65.000 m²

700 600 500 400 m

Abb. 4.13: Pumpspeicherkraftwerk Glems: Lageplan und Langsschnitt mit Krafthausquerschnitt [4.8]/[4.9] Nach gut 30 Betriebsjahren wurde 1996 die Asphaltbetondichtung des Oberbekkens vorsorglich instandgesetzt. Nachdem das Becken abgefischt und entleert worden war, muBten rund 4.500 m^ Schlamm aus dem Becken abtransportiert werden. Im nachsten Arbeitsschritt wurde die alte Asphaltbetondichtung im Bereich der Boschung abgefrast. Der Einbau der neuen Dichtung, die erne wesentlich hohere Alterungsbestandigkeit aufweist und sich gleichzeitig besser an den Dammkorper anpafit, erfolgte mittels eines speziellen Fertigers, der die vorgesehene Schicht in Hohe von 7 cm auf einer Breite von 32 m nahtlos einbauen konnte (s. Abb. 4.14). AbschlieBend wurde auf die Beckensohle ebenfalls vorbeugend eine neue Dichtungsschicht aufgebracht. Eine weitere bautechnische Besonderheit ist bei der 762 m langen, eingeerdeten Stahlrohrleitung von 2,8-2,9 m Durchmesser zu verzeichnen, die an einen vom Oberbecken herabfiihrenden, 615 m langen, gepanzerten Druckstollen anschlieBt. Sie ist mit Riicksicht auf den ausgedehnten Rutschhang ohne Festpunkte ausgefuhrt und lagert durchgehend tiber zwei die Langsbewegungen sichemden Bitumenmatten auf einem Betonfiindament auf. Vor dem Krafthaus geht sie uber eine Kugelhose in die beiden Verteilleitungen uber. Bei der einzigartigen Abzweigkonstruktion umgibt die auf 46 bar Innendruck ausgelegte Kugelschale das eigentliche, nur von den Langskraften beanspruchte Hosenrohr. Bei diesem Kugelabzweig werden statische und hydraulische Funktionen getrennt. Die in die teilweise vorgespannte Krafthauslangswand einbindenden Verteilleitungen iibertragen auf diese uber eine schubfeste Rosette die Langskrafte und setzen sich dann Uber je 3 Ringwulstschalen (Dilatationen) in die Turbinen- bzw. Pumpenleitungen fort. Die Dilatationen erlauben Langs- und Querbewegungen bis zu 45 mm.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

101

Das beziiglich der horizontalen Maschinenachse 20 m unter dem Stauziel bzw. 11 m unter dem Absenkziel des Unterbeckens liegende Unterflur-Krafthaus geht im Schnitt aus Abb. 4.13b hervor. Die beiden Maschinensatze bestehen jeweils aus Francis-Turbine, Motorgenerator, Anwurf-Pelton-Turbine und 2flutiger Pumpe. Hierfiir betragen die installierten Leistungen der Turbinen insgesamt 90 MW und die der Pumpen 68 MW. Durch die beachtliche GroBe der beiden Staubecken mit einem Energieinhalt von 560 MWh bzw. 6,25 h taglichen Vollastbetriebes und 11 h Pumpenbetriebes bei 800.000 m^ Triebwassermenge kann das Pumpspeicherkraftwerk Glems vorteilhafterweise zu einem Wochenendspeicherbetrieb herangezogen werden. Hervorzuheben ist noch, dai3 diese Anlage noch im sogenannten hydraulischen KurzschluB betrieben werden kann (s. Kapitel 17.6). Haftverbund \ ca. 4 cm Abfräsen der vorhandenen Dichtung

neu

Mastix neue Asphaltbetondichtung (7 cm) alte Asphaltbetondichtung (3 cm) bitum. Schotter (5 cm) Asphaltbeton (5 cm) Asphaltbinder (4 cm) Schotter (15 cm)

Mastix Asphaltbeton (7 cm) — ~ bitum. Schotter (5 cm) Asphaltbeton (5 cm) Asphaltbinder (4 cm) Schotter (15 cm)

Abb. 4.14: Dichtungsaufbau auf dem Dammkorper des Oberbeckens des Pumpspeicherkraftwerkes Glems (links alter Zustand, rechts neuer Aufbau) [4.10] 4.3.2

Kleinwasserkraftanlagen

Durch das Bestreben, mehr Energie aus regenerativen Quellen aufgrund der begrenzten fossilen Energietrager und den damit verbundenen Emissionen zu erzeugen, kommt der Nutzung der Wasserkraft durch Kleinwasserkraftanlagen wieder eine groBere Bedeutung zu. Kleinere Wasserlaufe, die seit einem Zeitraum von uber 100 Jahren durch mechanische und elektrische Energiegewinnung genutzt wurden, sind wegen der technischen Entwicklung beim Bau von GroBanlagen und aufgrund der daraus resultierenden geringeren Wirtschaftlichkeit zeitweise vernachlassigt worden. Bei der Suche nach altemativen Energietragem und bei der Nutzung heimischer Ressourcen hat sich die Stromerzeugung mittels Kleinwasserkraftanlagen jedoch seit Anfang der 1990er Jahre als sehr erft)lgreich herausgestellt. Die technischen Entwicklungen vor allem auf der maschinen-elektrotechnischen Seite mit zunehmend standardisierten Komponenten haben dazu geftihrt, daB nicht nur groBe Wasserkraftanlagen wirtschaftlich betrieben werden konnen (s. Kapitel 3.3) [4.11]. In Deutschland werden ublicherweise Wasserkraftanlagen mit einer Leistung von weniger als 1 MW als Kleinwasserkraftanlagen bezeichnet; in anderen Landem wird teilweise die Grenze auch bei 0,5 MW, 5 MW oder 10 MW gezogen. Sie sind in der Mehrzahl Eigenanlagen von Industrieuntemehmen und Gewerbetreibenden und dienen zum einen der Deckung des Eigenbedarfs, wobei der iiber-

102

4 Typen von Wasserkraftanlagen

schiissige Strom in das offentliche Netz eingespeist wird. Zum anderen werden sie aber auch aus kommerziellen GrUnden betrieben, sind doch die Entgelte durch das Emeuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland fiir Anlagen bis zu einer installierten Leistung von 5 MW eindeutig festgelegt. Bei den Kleinwasserkraftanlagen mit einer verbrauchsorientierten, dezentralen Lage ist die Verwendung der erzeugten Energie ohne groBere LFbertragungsverluste moglich. Ungefahr 30 % der bestehenden Anlagen werden in Deutschland heute im Inselbetrieb oder als reine Stromselbstversorger genutzt. Noch 1995 nutzten rund 20 % der betriebenen Kleinwasserkraftanlagen die gewonnene Energie direkt mechanisch. Heute sind in Deutschland schatzungsweise zwischen 5.450 und 6.600 Kleinwasserkraftanlagen in Betrieb, wobei es allerdings keine genauen Erhebungen hieruber gibt [4.12]. ZusammengefaBt haben sie eine installierte Leistung von ungefahr 350 MW und ein durchschnittliches Jahresarbeitsvermogen von ca. 1,5 TWh/a. Die noch vorhandenen Zubaumoglichkeiten sind jedoch begrenzt, da einerseits politische Vorgaben und Umweltaspekte dem zuwider stehen. Andererseits werden bereits eine Vielzahl der rund 13.000 Wasserrechte genutzt, die zur Wasserkraftnutzung fiir Anlagen kleiner 1 MW in den einzebien Wasserbiichem verzeichnet sind, indem heute vielfach mehrere alte Kleinstandorten an jeweils einem Standort in einer dann groBeren Anlage zusammengefaBt sind. In Entwicklungslandem fmden Klein- und Kleinstwasserkraftwerke infolge ihres mehrfachen Nutzens und im Interesse des globalen Klimaschutzes zunehmend wieder mehr Beachtung, und deren Neu- und Ausbau in abgelegenen Gebieten wird sinnvoUerweise vermehrt technologisch und finanziell unterstutzt. Vor allem in den Berggebieten kann so die Abholzung der Walder durch die Bevolkerung zum Gewinn von Brennmaterial als Energiequelle verringert oder gar gestoppt werden, da diese in manchen Gebieten bereits immense okologische Schaden insbesondere durch Erosion verursacht hat. Durch die Forderung von moglichst in Eigenregie erbauten Kleinwasserkraftanlagen wird der Bevolkerung eine echte Alternative geboten, womit SchutzmaBnahmen der Bergwalder erst effektiv durchfuhrbar werden [4.13]. Hierzu stehen bereits Planungsmodelle bzw. Optimierungsverfahren zur Verftigung, die die besonderen Anft)rderungen dezentraler wasserkraftorientierter Energieverbundnetze beriicksichtigen und den wirtschaftlichen Ausbau eines derartigen Insebietzes ermitteln. Planung und Konstruktion Im wesentlichen gelten ftir Kleinwasserkraftanlagen die selben Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien wie fiir mittlere oder groBe Wasserkraftanlagen (s. Kapitel 3). Allerdings ist die Vielfalt der Ausfiihrungsdetails geringer, und im Hinblick auf die Konstruktionselemente und das verminderte Sicherheitsrisiko ergeben sich eine Reihe von Vereinfachungen gegeniiber groBeren Anlagen. Der Aufwand fur die Voruntersuchungen insbesondere im maschinellen Bereich ist der Ausbaudimension anzupassen, wobei hier der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung eine noch bedeutendere Rolle zukommt, als sie dies bei groBeren Anlagen ohnehin bereits spielt, da die Gewinnmaximierung bei den iiberwiegend privaten Investoren wichtiger als die Energieerzeugung ist. Weitere Ausfiihrungen zur Pro-

4 Typen von Wasserkraftanlagen

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jektierung von Kleinwasserkraftanlagen befmden sich unter anderem bei HEIMERL [4.11], WEIB [4.14], WBW [4.15], P A L F F Y [4.16], und ASCE [4.17]. Wasserfassung Neben den verschiedenen Ausfuhrungsformen fur bewegliche und feste Wehre finden bei Kleinwasserkraftanlagen ftir die Stauerrichtung auch alle Querbauwerke, die aus dem natumahen Wasserbau bekannt sind, Anwendung (s. Kapitel 5). Eine emfache, selbsttatige Stauklappe, die auf eine feste Wehrschwelle oder auf eine rauhe Rampe aufgesetzt wird, kommt hier bevorzugt zum Einsatz. Auch Schlauch- bzw. Membranwehre bieten eine einfache, kostengiinstige und betriebssichere Alternative, die vollautomatisch betrieben werden kann. Eine haufig verwendete Bauweise bei geschiebefuhrenden Gebirgsfltissen ist das Tiroler Wehr (s. Abb. 5.7), das sich durch seinen geringen Wartungsaufwand auszeichnet. Aufgrund der flachen Bauweise wird das Tu-oler Wehr in der Natur kaum als ein storendes Bauwerk empfunden. Entsprechend den un Kapitel 5.2 erlauterten Grundsatzen sind auch Kleinwasserkraftanlagen vor Treibgut und Treibeis zu schiitzen, indem Tauchwande und Rechen mit automatischen Rechenreinigungsanlagen vorgesehen werden. Triebwasserleitung Im Niederdruckanlagenbereich ist die Freispiegelleitung in Form eines offenen Wassergrabens als typische Bauweise ftir die Triebwasserleitung vorzufmden (s. Kapitel 6). Die Auskleidung des Triebwasserkanales ist vorwiegend von der Grundwassersituation und den wirtschaftlichen Kriterien abhangig. Bei kleineren Querschnitten sollten bevorzugt naturliche Baustoffe verwendet werden. Hier haben sich besonders Gneis-, Schiefergneis- und Schiefermergelplatten mit emer Dicke von 3-8 cm als vorteilhaft erwiesen. Diese werden nach Fertigstellung der Rohrtrasse mit der entsprechenden Verdichtung auf eine Ausgleichsschicht aus Sand oder in ein Zementmortelbett gelegt und mit Zementmortel oder einem anderen Fugendichtungsmittel (GuBasphalt, Fugenkitt etc.) oberflachenbundig verfugt. Die fisher im Mtihlenbau verwendeten Holzrinnen konnen auch heute noch bei kleineren Anlagen mit einem kurzen Triebwasserweg zum Einsatz kommen. Hierbei hat sich die Dichtung mit Kunststoffolien, die mit einer Kiesschicht tiberdeckt werden, als vorteilhaft erwiesen. Allerdings ergeben sich gelegentlich Probleme durch die relativ kurze Lebensdauer und bei langerem Trockenfallen der Leitung. Im Mittel- und Hochdruckbereich sind meistens Freispiegel- oder Druckstollen erforderlich (s. Kapitel 6 bzw. 9). Freispiegelstollen, die kostengUnstiger als Druckstollen sind, eignen sich vor allem bei geringen DurchfluBschwankungen und bei sich wenig andemdem Entnahmewasserspiegel, z. B. in Verbindung mit einem Tiroler Wehr. Als weitere Vorteile sind die geringere Beanspruchung des Gebirges und das gunstige hydraulische Verhalten zu nennen. Als nachteilig erweist sich jedoch die Festlegung des Sohlgefalles ausschlieBlich fiir den BemessungsabfluB. Dadurch kann der Freispiegelstollen nur schlecht den wechsehiden Anforderungen eines Kraflwerkbetriebes angepaBt werden; es sei denn, dal3 ein gentigend groBes Ausgleichsbecken bzw. WasserschloB am Ende der Freispiegelleitung die AbfluBschwankungen zu dampfen vermag. An die Zuleitung durch einen Druckstollen, der durch ein WasserschloB gegen DruckstoBe geschiitzt wird, schlieBt sich die Druckrohrleitung an. Diese kann in

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

einfachen Fallen als stahl- bzw. glasfaserbewehrtes Betonrohr ausgeflihrt werden. Bei kleinen Durchflussen und bei geringeren Betriebsdrucken konnen auch flexible Kunststoff- oder GFK-Rohre verwendet werden. Im Hochdruckbereich werden jedoch nach wie vor duktile SchleuderguBrohre und geschweiBte Stahlrohre eingebaut (s. Kapitel 8.1). Krafthaus Die Abmessungen des Krafthauses werden in erster Linie durch die notwendigen AusmaBe der maschinellen Ausrustung bestimmt (s. Kapitel 13). Sie sind tiblicherweise eine Funktion des Laufraddurchmessers der hydraulischen Maschine, und durch sie wird auch eine meist hinreichend genaue Massen- und damit Kostenabschatzung moglich. Aufgrund der einfachen elektromaschinellen Ausstattung besteht die Krafthauskonstruktion primar aus den tiefbaulichen Griindungsarbeiten und der Uberbauung der Maschinenhalle mit einer einfachen Hochbaukonstruktion, wodurch entsprechende Kostenerspamisse erzielt werden konnen. Maschinen-elektrotechnische Ausstattung Da sich bei Kleinwasserkraftanlagen eine unzureichende Anlagenoptimierung insbesondere im maschinellen Bereich einschlieBlich der An- und Abstromverhaltnisse verhaltnismaBig stark auf die Energieausbeute auswirkt, muB im Planungsstadium sowohl bei Neuanlagen als auch bei RenovierungsmaBnahmen auf diesen Komplex ein besonderes Augenmerk gelegt werden (s. Kap. 14-16) [4.18]/[4.19]. Des weiteren ist von besonderer Bedeutung, daB der Anlagenbetreiber im eigenen Interesse die fiir die Angebotsabgabe notwendigen grundlegenden Daten (Fallhohe, DurchfluB bzw. AbfluBdauerlinie, ortliche Lage, ggf. vorhandene Bauteile etc.) moglichst genau aufiiimmt, da die Verantwortung hierfiir alleinig beim Auftraggeber liegt [4.20]. Der auftragnehmende Turbinenhersteller Ubemimmt die Garantie fur die Anlage nur auf der Basis der vorgegebenen Werte; allerdings ist dieser gleichzeitig verpflichtet, auf offensichtliche Problembereiche und nicht plausible Werte hinzuweisen [4.18]. Die Auswahl einer geeigneten Turbine richtet sich, wie in den Kapiteln 14 und 15 detailliert beschrieben, nach den ortlichen Randbedingungen sowie nach den technisch bedingten Einsatz- und Verwendungsgrenzen. Die Vordimensionierung einer Turbine kann dabei nach emph-ischen Formeln bzw. nach Diagrammen der einzelnen Turbinenhersteller, wie z. B. Muschelkurven, erfolgen. Durch den in den Kapiteln 14.4.2 und 16.3.6.1 beschriebenen Einsatz von Frequenzumrichtem konnen die Turbinen von der einengenden Vorgabe des drehzahlstarren Netzbetriebes befreit werden. In Kombination mit einer entsprechenden Regelung konnen derartige Anlagen mit variabler Drehzahl im jeweiligen Wu*kungsgradoptimum betrieben werden, wodurch die Energieausbeute um mehr als 10 % gesteigert werden kann. Vielfach kann sogar auf das wartungsintensive Getriebe verzichtet werden. 4.3.3

Dotationskraftwerke

Im Rahmen der Wassemutzung und darunter insbesondere der Wasserkraftnutzung wird in vielen Fallen das naturliche Gewassersystem verandert, indem mit Hilfe von Wehr- oder Stauanlagen das ankommende Wasser zuriickgehalten und

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die Weitergabe an die urspriinglichen Gewasserstrecke verandert wird. So erfolgt vor allem bei den Ausleitungskraftwerken (s. Kapitel 4.2.1.2) unabhangig von der genutzten Fallhohe die vollstandige Ruckgabe des abgearbeiteten Wassers in das eigentliche FluBbett erst in einiger Entfemung, so daB im verbleibenden Abschnitt der bisherigen Gewasserstrecke ein deutlich reduzierter AbfluB verbleibt. Herrscht heute doch letztlich ein Konsens dahingehend, daB in derartigen Ausleitungsstrecken zumindest ein gewisser MindestabfluB zur Aufrechterhaltung der Lebensbedingungen fiir die aquatische Flora und Fauna und zur Verbesserung des FlieBkontinuums verbleiben muB, so steht dem insbesondere die Strommindererzeugung in der eigentlichen Wasserkraftanlage gegenuber (s. Kapitel 18 und 19). In derartigen Fallen kann der Bau von Dotationskraftwerken - auch als Dotier-, Regulier-, Mindestwasser- oder Restwasserkraftwerk bezeichnet - einen KompromiB darstellen, durch den einerseits die gewasserokologischen Verhaltnisse in der Ausleitungsstrecke verbessert und andererseits der Verlust an nachhaltig erzeugtem Strom aus Wasserkraft minimiert wird. Dieser Interessensausgleich hat allerdings seinen Preis, der strenggenommen unter gesamtgesellschaftlichen Gesichtspunkten nicht alleine vom Wasserkraftanlagenbetreiber geschultert werden dtirfle, wie dies jedoch heute vielfach der Fall ist [4.11]. Smd die ortlichen Rahmenbedingungen am Wehrbauwerk so, daB sich hinsichtlich der AbfluB- und Fallhohenverhaltnisse sowie der weiteren Standortbedingungen eine technische Losung zu interessanten betrieblichen Bedingungen verwirklichen laBt, so kann der Einbau eines entsprechenden Dotations- oder Mindestwasserkraftwerks zur Beaufschlagung bzw. Dotation der Ausleitungsstrecke mit einer entsprechenden Wassermenge realisiert werden. Hierbei handelt es sich in technisch und betrieblicher Hmsicht um eine klassische Wasserkraftanlage, fur die die normalen Planungs- und Auslegungsgrundsatze gelten und bei denen entsprechend samtliche Typen von hydraulischen Maschinen zum Einsatz kommen konnen. Im Zuge der Veranderungen der Mindestwasserregelungen, aber auch infolge der erhohten Einspeisung durch das Emeuerbare-Energien-Gesetz sind in den letzten Jahren zahlreiche derartige Wasserkraftanlagen gebaut worden, wie z. B. das Dotationskraftwerk am Unterbecken des Pumpspeicherkraftwerkes Goldisthal (s. Kapitel 17.8.5) oder Sperrenkraftwerk am Wehra-Becken (s. Kapitel 21.4.2.10). Aber auch in anderen Fallen kann eine erhohte Dotation notwendig werden, deren energetische Nutzung technisch und whtschaftlich sinnvoll sein kann. Hierzu zahlt beispielsweise die Verstarkung der Leitstromung bei Fischaufstiegsanlagen vor allem an groBeren FlUssen sowie bei intermittierend betriebenen Bauweisen (Fischschleusen, Fischaufzuge), wobei diese Wassermenge dann zuvor in einem Dotationskraftwerk abgearbeitet wird, wie dies z. B. am FischpaB des Rheinkraftwerkes Iffezheim umgesetzt wurde (s. Kapitel 20.1.3). 4.3.4

Energienutzung in Leitungssystemen

Bei Trinkwassertalsperren mit Einrichtungen zur Wasserentnahme und dessen Ableitung oder am Ende von Falleitungen, die Teil eines Rohrleitungssystemes zum Transport von Trinkwasser oder anderen Fluiden sind, ist es vielfach moglich, das Uberschussige Gefalle am Sperrenbauwerk selbst, im Eintrittsquerschnitt in den

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

nachfolgenden Behalter oder am Tiefpunkt zwischen zwei Behaltem energetisch zu nutzen. Friiher wurden an derartigen Stellen hydraulische Widder, auch StoBheber genannt, eingesetzt. In diesem wird ein groBerer DurchfluB dazu benutzt, einen kleineren DurchfluB auf ein hoheres Niveau anzuheben, wobei diese Forderhohe das 20fache der Triebwasserfallhohe betragen kann. Durch den Stromungsdruck des Triebwassers wird ein StoBventil schlagartig geschlossen und das Triebwasser in einen Windkessel umgeleitet, bis durch die Luftkompression ein Druckgleichgewicht herrscht und gleichzeitig das Triebwasser abgebremst ist. Nun wird uber einen einfachen Regehnechanismus das WindkesselzulaufVentil geschlossen und das StoBventil geoffiiet, so daB das Triebwasser anderweitig abgeleitet wird und wieder beschleunigt. Parallel dazu wird das im Windkessel befindliche Wasser durch die Wirkung der komprimierten Luft in die Steigleitung gepreBt. Hat sich der Windkessel entleert und das Triebwasser seine Geschwindigkeit erreicht, beginnt der Vorgang von neuem. Als RUcklaufsicherung ist in der Steigleitung eine RUckschlagklappe eingebaut. Von Vorteil ist die sehr einfache Anlage mit wenigen Regeleinrichtungen, wodurch diese Anlage auch heute noch in einfachen Betriebsfallen anzutreffen ist; nachteilig ist allerdings die stoBweise Wasserforderung. Bereits seit den zwanziger Jahren werden beispielsweise in Trinkwasserfemleitungen Turbinen zur Stromerzeugung eingesetzt, die in vielen Fallen UberschuBenergie ans Netz abgeben konnen, sofem der Eigenbedarf der Anlage niedriger ist. Auf diese Weise laBt sich bis zu ca. 20 % jener Pumpenergie wieder zuriickgewinnen, die zur Uberbruckung von Hohenunterschieden im Verteilungssystem aufgebracht werden muBte. Ein zusatzlicher Gewinn entsteht, wenn die Stromentnahme aus dem Netz fur den Pumpenbetrieb in Niedrigtarifzeiten und die Stromabgabe durch den Turbinenbetrieb in Hochtarifzeiten erfolgen. Eine derartige Betriebsfuhrung bei Femwasserversorgungen setzt allerdings entsprechend groBe Speicherbehalter fiir die Wassermengenbewirtschaftung voraus [4.21]/[4.22]. Neben gewohnlichen Francis-Turbinen bei groBeren Anlagen gelangen bei kleineren Durchfltissen zunehmend mehr ruckwartsdrehende Standard-Kreiselpumpen (s. Kapitel 14.5.1), gekoppelt mit einem Normmotor als Generator, zum Einsatz, wie beispielsweise in dem in Abb. 4.15 dargestellten Hochbehalter Schonbiihl des Zweckverbandes Landeswasserversorgung, Stuttgart. Besonders bei einem Restleistungsangebot von 30-400 kW haben sich rtickwartsdrehende Kreiselpumpen als eine einfache, technisch iiberzeugende und sichere sowie vor allem wirtschaftliche Alternative empfohlen, da diese infolge der Serienfertigung in der Anschaffung und im Betrieb verhaltnismaBig gtinstig sind [4.23]. Da durch die fiir die Energieeinspeisung ins Netz erforderlichen Anlagenteile (Generatoren, MeB-, Regeltechnik, Transformatoren, Stromleitungen etc.) oftmals mehr als die Halfte der gesamten Investition umfassen, kommen auch Insellosungen in Betracht, zumal die Betriebskosten durch einen geringen Energiezukauf sinken. So wird beispielsweise eine ruckwartslaufende Kreiselpumpe als Turbine, die zum Entsparmen des ankommenden Durchflusses dient, direkt mit einer Kreiselpumpe gleichen Bautyps gekoppelt, die ihrerseits als Drucksteigerung zur Weiterbefbrderung eingesetzt wird. Infolge der direkten Kopplung smd alle Betriebszustande einer derartigen Anlage sehr stabil.

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107

Kammer 1 • Kammer 2 i

Abb. 4.15: Riickwartsdrehende Standard-Kreiselpumpen: GrundriB der Energieriickgewinnungsanlage Schonbtihl mit Pumpenquerschnitt [nach 4.24] SchlieBlich sollen auch die weiteren, verwandten Bereiche nicht unerwahnt bleiben, bei denen in vielen Fallen eine zusatzliche Energieausbeute unter Aufbringung eines verhaltnismaBig geringen baulichen und betrieblichen Aufwandes ermoglicht werden kann. Hierzu zahlen beispielsweise [4.21]: - Quellfassungen im Hochgebirge zur Versorgung von Htitten; - aufgelassene Trinkwasserfassungen in Mittel- und Hochgebirgslagen; - Hochwasserrtickhaltebecken; - Schleusensysteme; - Pipelinesysteme zum Transport von gasformigen oder flussigen Medien (Erdgas, Ol, Femwarme etc.); - Abwassersysteme, die aus Griinden der Betriebssicherheit meist hochwassersicher ausgelegt sind; - Bewasserungssysteme; - KtihlsySterne in Kraftwerken, Bergwerken etc. 4.4

Sonderformen der Wasserkraftnutzung

4.4.1

Nutzung der Gezeitenenergie

Die Anziehungskrafte (Gravitationskrafte) der Sonne und des Mondes auf die Erde bewirken zusammen mit der Fliehkraft (Zentrifiigalkraft), die auf die Wasserteilchen infolge der Rotation des Gestimsystemes einwirkt, daB es an den Kiisten der Erde zu Gezeiten kommt, zu Hoch- und Niedrigwasser (Flut und Ebbe) (s. Abb. 4.16). Der Hohenunterschied, der sogenannte Tidehub, kann zur Stromerzeugung geniitzt werden, wobei theoretisch auf diese Weise der gesamte Strombe-

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

darf der Menschheit gedeckt werden lonnte. Dem stehen jedoch technische, okonomische und okologische Griinde je nach Standort entgegen. Periodischen EinfluB haben die Wechselkrafte zwischen Sonne bzw. Mond und Erde. Die Periode einer Tide betragt beispielsweise an der franzosischen Kiiste 12 h 25 min, da die Erde sich im Verlauf eines Tages gleichsinnig mit dem Mondumlauf (29 d 12,75 h - synodische Mondumlaufzeit) um ihre eigene Achse dreht. Nichtperiodischen EinfluB haben vor allem die Erdeigenrotation, die Entfernungs- und Deklinationsanderungen von Sonne und Mond relativ zur Erde sowie die ortlichen Gegebenheiten (Meerestiefe, Verlauf der Kustenlinie, Stromungen, Seismik etc.) und das Wetter (Windstarke, Windrichtting etc.). Da sich bei den Gezeiten die jeweils ortlich unterschiedlichen periodischen und nichtperiodischen Einfltisse iiberlagem, treten beispielsweise an den Ktisten Frankreichs im Mittel taglich je zwei Phasen von Hoch- und Niedrigwasser auf, bei Do-Son im Golf von TonkinA^^ietnam dagegen nur je eine. Darliber hinaus andem sich dadurch taglich der Tidehub sowie die Periodendauer. Trans- ^^., tidewellen Tide

Infraschwerewellen

Ultraschwerewellen

Bezeichnung: Langperiodische Wellen eny^

Kapillarwellen

ySch' Schwerewellen,

Erdbeben, Luftdruckunterschiede Auslösend:

Stürme, Wind

ond Sonne, Mond Bestimmend:

Oberflächenspannung

Corioliskraft Schwerkraft

Frequenz [Hz]: Periode:

|10

|10

24 h;' ' 1 2 h ; ^|kMW Geschätzte Energie:

j10 I

10

j10 '5 min

'30 s

10

10

1s

0,1 s

j102

Abb. 4.16: Definition der unterschiedlichen Wellentypen und deren Einfltisse Starkere Hochwasser (Springtiden) stellen sich zweimal mnerhalb der 29 Tage jeweils ein oder zwei Tage nach Voll- bzw. Neumond ein, dann liegen Sonne, Mond und Erde auf einer Verbindungsgeraden und tiben die groBten Anziehungskrafte aus. Die starksten Fluten sind wahrend der Zeit der Tag- und Nachtgleichen (Aquinoktien) im Marz und September zu verzeichnen. Niedrigstwasser (Nipptiden) bei geringen Hohenunterschieden entstehen ein oder zwei Tage nach dem ersten und letzten Mondviertel. Die grol3te Anderung der Anziehungskraft des Mondes erweist sich im Vergleich zu den Gravitationskraften der Erde etwa zu einem Sechsmillionstel, im Vergleich zur Anziehungskraft der Sonne zu siebenmal groi3er. Bei gleichzeitiger groBter Anziehung von Mond und Sonne laBt sich hieraus ein Gezeitenunterschied von ca. 0,60 m ableiten, so daB die im folgenden genannten, weitaus groBeren Tidehiibe eindeutig auf die ortlichen Gegebenheiten zuruckzuflihren sind.

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109

Der Tidehub erreicht beispielsweise an den einzelnen Abschnitten der kanadischen Westkiiste (Funday Bay) bis zu 21 m (im Mittel 13,5 m), an der franzosischen Kiiste bei St. Michel/St. Malo 13,5 m (im Mittel 8,1 m), an der Nordseekiiste jedoch nur 5,1 m (im Mittel 3,7 m). In Irland wurde die Gezeitenenergie vermutlich mindestens seit dem 7. Jahrhundert n. Chr. und in England wurde diese nachweislich seit dem 10. Jahrhundert n. Chr. bereits zum Antrieb von Wassermtihlen, sogenannten Flutmtihlen, genutzt (s. a. Kapitel 1.2). Turbinen wurden erstmals Ende des 19. Jahrhunderts zur Ausnutzung dieser Energie eingesetzt; 1913 wurde an der Nordsee bei Husum Deutschlands erste Versuchsanlage errichtet. Weltweit sind heute aber nur wenige Kraftwerke im Betrieb, die diese Bewegungsenergie nutzen. Das bisher groBte Gezeitenkraftwerk wurde 1966 in Nordfrankreich an der Rance-Mtindung bei St. Malo mit 240 MW Leistung in Betrieb genommen (s. Abb. 4.18 und 4.19). Das Prinzip der Gezeitenkraftwerke beruht auf der Ausnutzung des Hohenunterschiedes der Wasserspiegel zwischen einem (kunstlichen) Becken und dem Meer infolge des Tidehubes, wodurch Turbinen angetrieben werden. Kraftwerke dieser Art haben im Vergleich zu Laufwasserkraftwerken den Vorteil, daB sie nicht von der wechselnden Wasserftihrung eines Flusses oder schwankenden Niederschlagen abhangig sind. Nachteilig fur eine permanente Stromversorgung sind jedoch die durch den zyklischen Wechsel der Tiden bedingten periodischen Unterbrechungen in der Stromproduktion, insbesondere bei EinbeckenGezeitenkraftwerken. Da diese Unterbrechungen auch in Spitzenlastzeiten fallen konnen, mussen Gezeitenkraftwerke in einem Verbund mit anderen Kraftwerkstypen betrieben werden, damit eine kontinuierliche Stromversorgung sichergestellt werden kann. Durch zusatzlichen, eventuell auch nur zeitweisen Pumpbetrieb kann ein gewisser Pumpspeichereffekt erzielt werden. Wirtschaftlich sind Gezeitenkraftwerke nur dann, wenn sie ftir hohe Leistungen ausgebaut werden, wobei sie dann allerdings auch hohe Anlagenkosten bedingen und daruber hinaus ein Tidehub von mindestens 3 m im langjahrigen Mittel vorhanden ist. Nach der ortlichen Situation und der daraus folgenden Arbeitsweise unterscheidet man grundsatzlich: - Einbecken-Gezeitenkraftwerke: - bei Ebbe einfach wirkende Kraftwerke ftir die Nutzung bei Beckenentleerung(s. Abb. 4.17a); - bei Flut einfach wirkende Kraftwerke fur die Nutzung bei Beckenfullung; - zweifach wirkende Kraftwerke ftir die Nutzung in beiden Fallen (s. Abb. 4.17b); - Zweibecken-Gezeitenkraftwerke: - einzeln wirkende Zweibeckenanlagen; - zusammenarbeitende Zweibeckenanlagen. Bei den Einbecken-Gezeitenkraftwerken wird die Stromproduktion stets ftir einige Zeit unterbrochen, wobei dieser Zeitabschnitt bei zweifach wirkenden Kraftwerken bereits deutlich reduziert wird. (s. Abb. 4.17a+b). Bei den ZweibeckenGezeitenkraftwerken konnen hingegen durch die zeitlich verschobene Nutzung beider Becken nicht nur ein nahezu ununterbrochener Betrieb erzielt, sondem

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110

auch Leistungsschwankungen vermieden werden. Dies wird bei den einzeln wirkenden Zweibeckenanlagen dadurch erreicht, dal3 ein Becken bei Flut und das andere bei Ebbe arbeitet, bei den zusammenarbeitenden Zweibeckenanlagen mit dazwischenliegendem Kraftwerk steht der Wasserspiegel in einem Becken stets iiber dem mittleren Wasserspiegel, jener des zweiten Beckens stets unter diesem. h [m]

(a) 0

Meereswasserspiegel

2

Abb. 4.17:

i Meereswasserspiegel

12 [h] (b Betriebsdiagramm eines Gezeitenkraftwerk fur eine Tide (12 h 25 min): a) fiir ein einfach wirkendes Kraftwerk [4.1]; b) ftir doppelte Kraftnutzung am Beispiel des Rance-Gezeitenkraftwerkes (T Turbinenbetrieb, F Fiillung, S Stillstand, E Entleerung) [nach 4.25]

4

6

8

Alle genannten Typen konnen mit einer Pumpspeicherung kombiniert werden, wobei durch Pumpen bei Erreichen der Spiegelgleichheit zwischen Meeres- und Landseite eine noch hohere Fiillung des Flul3beckens herbeigefuhrt wird. Entsprechendes gilt fur die umfassendere Entleerung. Durch die kiinstliche Erhohung des Beckenwasserspiegels vergroBem sich das fiir die Turbine im Entleerungsfalle nutzbare Wasservolumen und mit diesem die mittlere Fallhohe. Die verfugbare Energie ist proportional der Beckenoberflache und dem Quadrat des Tidehubes. Entleert man zusatzlich die landseitige Bucht mit Tieferlegung des niedrigsten Beckenwasserspiegels, steht mit Einsetzen der Flut ein groBeres Fiillvolumen bei wiederum angehobener, mittlerer Fallhohe zur Verfugung. Eine derartig verstarkte Energieausbeute erweist sich um so vorteilhafter, je billiger der Pumpenstrom ist, also wahrend der Schwachlastzeit aus dem Versorgungsnetz bezogen werden kann. Werden in einer emzigen Maschine Turbine und Pumpe vereinigt, wie es die modemen Pumpenturbinen vorzeichnen, ergeben sich mehrere Betriebsvarianten, die j e nach den Randbedingungen hinsichtlich Wassermassen, Hohenunterschied, Stromungsrichtung, Strombedarf und Stromverfiigbarkeit eine Optimierung der Stromgewinnung gestatten. Aus dem Verlauf der Tidewelle - in der vereinfachten Annahme eine SinusFunktion - laBt sich nun der Wasserspiegel h(t) berechnen: h(t) = HTwsm{m't)

[m]

(4.1)

h(t) Wasserspiegelhohe zum Zeitpunkt t [m] HTW Amplitude der Tidewelle [m] 0) Wellenfrequenz: 6; = 2 - ; T / r [s"^] T Wellenperiode [s] Der fiir die Ermittlung des erreichbaren Leistungsmaximums und des jahrlichen Arbeitsvermogens des einfach wirkenden Kraftwerkes (s. Abb. 4.17a) notwendige

4 Typen von Wasserkraftanlagen

111

durchschnittliche DurchfluB einer Beckenentleerung ergibt sich bei einer Vereinfachung der Beckenbegrenzungen zu:

Q^AJfn^

[mVs]

(4.2)

'a

woraus sich mit (2.11) die Hochstleistung P„jax fur das Gezeitenkraftwerk ergibt: P.ccc=9,81-r],ot'Q'h^a.

[kW]

(4.3)

Ay^> Beckenoberflache [m^] ta Turbinenarbeitszeit [s] 7]tot Gesamtwirkungsgrad der Anlage (jj^ot ^ 0,70-0,75) [-] Daraus lai3t sich mit der Gleichung (2.15) das Arbeitsvermogen Ea des Gezeitenkraftwerkes ftir den Zyklus von ^ = 0 bis t = ta berechnen. Naherungsweise kann der DurchfluB Q(t) hier auch als konstant betrachtet werden. Das Jahresarbeitsvermogen Ea wiederum kann man iiberschlagig durch Multiplikation des Arbeitsvermogens einer Tideperiode mit der Anzahl jahrlicher Tideperioden ermittehi (8.760 h/Jahr /12,42 h/Tideperiode = 705 Tideperioden/Jahr). Untersucht man das theoretische Arbeitsvermogen Ea,theo einer Tideperiode, so laBt man die Wirtschaftlichkeit der Nutzung und jeglichen Verlust auBer acht. Geht man von dem allgemeinen Fall aus, daB die Beckenoberflache A^ eine veranderliche Funktion A^^, (h) der Wasserspiegelhohe h ist und im Becken ein Volumen Fgespeichert werden kann, so ergibt sich bei der vollen Nutzung einer Tideperiode - d. h. bei der theoretischen Annahme des plotzlichen, vollstandigen Entleerens bei Ebbe eines in der Flutperiode voUstandig geflillten Beckens und des plotzlichen Fiillens bei Flut - das theoretische Arbeitsvermogen: 2Ho ^a.theo ~ ^ '

3600

2'Ho' JA(h)' dh

^^'4'Ho'V 3600

[kWh]

(4.4)

Eajheo theoretisches Arbeitsvermogen [kWh] Das theoretische Jahresarbeitsvermogen Eajheo ergibt sich analog wiederum durch Multiplikation mit der Anzahl jahrlicher Tideperioden. Der Wirkungsgrad ;; der effektiven Nutzung setzt sich aus dem Gesamtwirkungsgrad rjtot und der zeitlichen Verfiigbarkeit zusammen und kann aufgrund der allgemeinen Erfahrungen nach MOSONYI [4.1] mit rj^ 0,30 angesetzt werden. Daraus folgt, daB das effektive Arbeitsvermogen Ea,eff eines Gezeitenkraftwerkes mit Ea,eff = r| • Eajheo ^0,30'

Ea,theo

[kWh]

(4.5)

Ea,eff effektives Arbeitsvermogen [kWh] abgeschatzt werden kann. Mit der Planung und Ausfiihrung des ersten groBen Gezeitenkraftwerkes La Ranee in der Welt, dem mehrere Versuchsanlagen vorausgegangen waren, verfolgte die Electricite de France die genannte Zielsetzung der Leistungssteigerung durch zusatzlichen Pumpbetrieb. Die Einweihung erfolgte im Jahr 1966. Fiir die imposante Anlage wurde das MUndungsbecken des Flusses Ranee vor St. Malo

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(Normandie) an der Kanalkiiste mit 22 km^ Oberflache und 20 km Lange bis zur fluBaufwartsgerichteten FluBschleuse St. Chatellier bei Dinan ausersehen (s. Abb. 4.18). Zwischen den Meeresspiegellagen ± 0 m u. NN und 13,5 m ii. NN kann hier ein Volumen von 184 hm^ genutzt werden. Zum Zeitpunkt der Tag- und Nachtgleichen (Aquinoktien) im Fnihjahr und Herbst, bei Springtide, betragen der Durchflui3 bis zu 18.000 mVs und die maximale Stromungsgeschwindigkeit 2,5 m/s. Die Gesamtanlage des Gezeitenkraftwerkes (s. Abb. 4.18 und 4.19a), die Schleuse, Krafthaus, Erdschtittdamm und nach einer Felseninsel ein Wehrbauwerk mit sechs DurchlaBoffiiungen einschlieBt, erstreckt sich senkrecht zur Hauptstromungsrichtung tiber eine Lange von 750 m. Diese Lage wurde auch dadurch begiinstigt, dal3 im MUndungsbereich der Ranee zahlreiche Felsspome einen Schutz gegen schwere Sturmfluten bilden. Unter dem niedrigsten Meereswasserspiegel reicht die Wassertiefe 12 m bis zur FluBsohle herab, die sich bei der vorerwahnten Springtide auf 25,5 m erhoht.

Abb. 4.18: Lageplan der Rance-Bucht [nach 4.25] Die am linken FluBufer befindliche Kammerschleuse zur Aufrechterhaltung der Schiffahrt hat eine Lange von 65 m und eine Breite von 13 m. Hieran schlieBt sich das 370 m lange Kraftwerksgebaude an, das 24 Maschineneinheiten von je 10 MW installierter Leistung beherbergt (s. Abb. 4.19b). Die Versteifung der AuBenwande gegen den mit den Gezeiten wechsehiden Wasserdruck erfolgt durch

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beiderseitige Strebepfeiler im Abstand von 13,3 m. Zwischen deren Fundamenten verlaufen die rohrformigen Triebwasserleitungen, in die jeweils die horizontalachsigen Kaplan-Rohrturbinen mit oberwasserseitigem, in einem bimenformigen Stahlgehause untergebrachtem Generator installiert sind. Der Abstand zwischen den beiden fluBseitigen bzw. meeresseitigen Rohrenden betragt 53 m. Die Rohrsohle befindet sich ca. 10m unterhalb des Niedrigstwasserspiegels. Der Rohrquerschnitt ist an der Eintritts- und der Austrittsoffhung ca. 100 m^ groB. Gerade fur Gezeitenkraftwerke erweisen sich die Rohrturbinen als besonders vorteilhaft. Durch den Wegfall von Einlaufspirale und Saugrohrknie, die bei senkrecht angeordneten Maschinen notwendig sind, ergeben sich infolge der gestreckten Triebwasserfiihrung stromungstechnische und bauliche Vorzuge. Bereits eineinhalb Jahrzehnte vor der Fertigstellung des Gezeitenkraftwerkes Ranee wurden Studien fiir die Ausfuhrung der Rohrturbinen-Maschinensatze aufgenommen, die sich fur Turbinen- und Pumpenbetrieb gleichzeitig eignen sollten. Prototypausfiihrungen wurden in verschiedenen franzosischen FluBkraftwerken bis hin zu einer Versuchsanlage in einer aufgelassenen Seeschleuse am Hafen von St. Malo, hier mit wechselnden Stromungsrichtungen und Salzwassereinwirkung, untersucht. Die hinsichtlich Werkstoffgute, Konstruktion und Turbinen-ZPumpenbetrieb mit wechsebiden Stromungsrichtungen optimierten 24 Maschineneinheiten haben einen Laufraddurchmesser von 5,35 m (4fltigeliges Laufrad) und eine Drehzahl von 94 U/min. Jede Rohrturbine libemimmt sechs verschiedene Funktionen, indem sie in beiden FlieBrichtungen als Turbine, als Pumpe und als DurchlaBorgan betrieben wird, wobei in der tJbergangszeit zwischen Ebbe und Flut der zweimalige Pumpenbetrieb bei 2 m manometrischer Forderhohe die Energieausnutzung verbessert. Die nutzbare Fallhohe liegt bei Ebbe und Flut je nach dem Gezeitenablauf zwischen 3 und 11m, das Netto-Regelarbeitsvermogen belauft sich aufca. 550 GWh. (a)

Meer Schleuse Kraftwerk (6 Gruppen zu je 4 Turbinen)

rechtes Ufer

b

Abb. 4.19: Rance-Gezeitenkraftwerk: a) Lageplan der AbschluBstelle, b) Schnitt durch das Kraftwerk, c) Schnitt durch das Regulierwehr [nach 4.25]

114

4 Typen von Wasserkraftanlagen

Der dem Kraftwerksgebaude folgende, bis zur Felseninsel sich erstreckende Erdschtittdamm ist 162 m lang und weist einen Betonkem als Innendichtung auf. Die restlichen FluBoffnungen zwischen Felseninsel und rechtem FluBufer iiberspannt ein Stauwehr (s. Abb. 4.19c). hi dessen sechs Offtiungen sind 10 m hohe und 15m breite Rollschiitzen eingebaut, die beidseitig gegen den Wasserdruck abdichten und im taglichen Betrieb die Rance-Bucht schneller fiillen und entleeren, damit die Fallhohe fiir die zeitlich abgestufte Wasserkraftnutzung vergroBem. Bei einem hochsten Unterschied zwischen den Wasserspiegeln un FluBbecken und des Meeres stromen durch die Wehroffiiungen insgesamt rund 5.000 mVs. Trotz dieser ErganzungsmaBnahmen, durch zusatzlichen Pumpenbetrieb und schnellere Fiillung bzw. Entleerung mittels der Rollschiitzen eine verbesserte Energiegewinnung zu erzielen, erfahrt die Stromerzeugung eine tagliche zweimalige Unterbrechung, da die Fallhohe ftr den Turbinenbetrieb mindestens 3 m betragen muB (s. Abb. 4.17b). Die Zeitpunkte dieser Unterbrechungen verlagem sich infolge der vom Mond abhangigen Gezeitenfolge taglich um ca. 50 min. und bedingen eine unregehnaBige Energieverfligbarkeit im Gegensatz zu FluBkraftbzw. Laufwasserkraftwerken. Im Rtickblick auf die nunmehr Jahrzehnte umfassenden Betriebserfahrungen hat sich das Gezeitenkraftwerk Ranee bestens bewahrt und seine Funktionstuchtigkeit bis zum heutigen Tage unter Beweis gestellt. Mit dem Erfolg dieses Gezeitenkraftwerkes setzte weltweit der Bau groBerer Anlagen an geeigneten Meereskiisten ein. Beispielsweise sei das russische Gezeitenkraftwerk Kislogup am WeiBen Meer bzw. an der Barent-See mit Nutzfallhohen zwischen 1,3 und 3,0 m sowie einer installierten Leistung von 0,8 MW genannt, das ganzlich aus Betonfertigteilen errichtet worden ist [4.26]. In China folgten Pilotanlagen mit bis zu 4 MW Leistung. Welches Tidenpotential entlang der einschlieBlich der Inseln rund 14.000 km langen Meereskuste Chinas vorliegt, zeigt die Zusammenstellung in Tabelle 4.2, wobei etwa 500 Standorte fiir die Energieerzeugung aus den Gezeitenkraften ausfmdig gemacht wurden, fur die insgesamt 110.000 MW installierter Leistung und 270Mrd.kWh elektrischer Stromerzeugung geschatzt werden. Die erste Pilotanlage Jiangxia wurde in der Provinz Zhejiang Anfang der 80er Jahre erstellt. Sie weist sechs Rohrturbinen mit Kapselgenerator zu je 0,5 MW auf, die einen Tidehub von bis zu 8,0 m abarbeiten. Das durch ein 686 m langes Sperrbauwerk abgeschlossene FluBbecken faBt 4,97 Mio. m^, die jahrliche Gesamtstromerzeugung erreicht rund 11 Mio. kWh. Tabelle 4.2: Regionale Verteilung des Gezeiten-Energiepotentiales in China [4.27] ErschlieBbares Stromerzeugungspotential in Gezeitenkraftwerken [Mrd. kWh/Jahr] 275,16 1 China insg. 1 Zhejiang 114,6 108,1 I Fujian 1 Shandong 16,5 1 Guangdong 13,3 1 Liaoning 11,3 10,9 || andere

Anteil der Regionen am Gesamtpotential [%] 100,0 41,6 39,4 6,0 4,87 4,3

3^8

1

4 Typen von Wasserkraftanlagen

115

Nach weiteren Pilotanlagen, z. B. das Gezeitenkraftwerk Baishakou (Provinz Shandong) mit 0,96 MW, werden derzeit drei GroBprojekte verfolgt. Es handelt sich um Anlagen an den FluBmilndungen Qiantang bei Hangzhou mit den Kraflwerksdaten 4500 MW und 18,65 Mrd. kWh/Jahr sowie um den Yangtse bei Schanghai mit 800 MW und ca. 3,4 Mrd. kWh/Jahr und schlieBlich um die Quegmg-Bucht (Provinz Zhejiang) mit 550 MW und 2,34 Mrd. kWh/Jahr. Im Jahre 1984 wurde an der Westkiiste Kanadas das erste Gezeitenkraftwerk auf dem amerikanischen Kontinent in Betrieb genommen. Dieses Projekt AnnapolisRoyal auf der Halbinsel Nova Scotia ist als Prototyp mit der Aufgabe zu verstehen, das Betriebsverhalten einer sehr groBen Straightflow- bzw. Straflo-Turbine mit Kranzgenerator und mit einem Laufraddurchmesser von 7,6 m zu priifen sowie die Einsatzmoglichkeiten derartiger Maschinen far groBe FluB- und Gezeitenkraftwerke zu erkunden. Hier bietet sich ftir eine ErschlieBung der Gezeitenenergie die Bay of Fundy mit den groBten Gezeitenunterschieden der Welt an. Die Hauptdaten der Pilotmaschine gehen aus der nachfolgenden Tabelle 4.3 hervor und unterstreichen die auBergewohnlichen Einzelabmessungen und die bedeutsamen maschinentechnischen KenngroBen. Insbesondere sind die maximale Fallhohe von 7,1 m, der in der Stromungsrichtung wechsebide DurchfluB von 378 mVs Salzwasser bei einer 5,5 m betragenden Nennfallhohe, femer die installierte Maximalleistung von 19,9 MW und die geschatzte Jahresstromerzeugung von 50 Mio. kWh hervorzuheben; die jahrliche Verfligbarkeit betragt 99 %. Derzeit nutzt die Turbine nur die Fallhohe bei Ebbe aus und ist somit durchschnittlich nur 2 x 5 Stunden pro Tag in Betrieb. Tabelle 4.3: Hauptdaten der Annapolis-Turbine [4.28] 1 Laufraddurchmesser 1 Anzahl der Laufschaufeln/Leitschaufeln 1 normaler Fallhohen-Betriebsbereich 1 Nennfallhohe/maximale Fallhohe 1 Leistung bei Nennfallhohe/Maximalleistung 1 Wasserstrom bei Nennfallhohe 1 Wirkungsgrad bei Maximalleistung 1 Nenndrehzahl/Durchgangsdrehzahl [jahrliche Energieerzeugung

7,6 m

1

4/18 1,4-6,8 m 5,5/7,1 m 17,8/19,9 MW 378 mVs 89,1 % 50/98 U/min ca. 50 GWh

|

Das Gezeitenkraftwerk Annapolis mit dem 46,4 m langen Kraftwerksgebaude und dem 15,5 m auf 15,5 m groBen Turbmeneinlauf befindet sich am Unterlauf des gleichnamigen Flusses auf einer 8 ha groBen Insel, an die em 225 m langer Erddamm anschlieBt. Dieser wurde bereits 1960 errichtet, um das Hinterland mit seinen landwirtschaftlichen Anbauflachen vor tJberflutungen zu schiitzen. Das zugehorige Stauwehr mit mehreren Offiiungen, die durch Regulierschiitzen von je 9,2 m Breite und 7,3 m Hohe verschlossen werden konnen, reguliert den DurchfluB. In Verbindung mit dem 24 Jahre spater errichteten Gezeitenkraftwerk dient die Stauanlage bei Flut zu der den Turbinenbetrieb erganzenden FUllung des fluBseitigen Staubeckens, wahrend bei Eintritt der Ebbe allein die Turbine den WasserabfluB besorgt und so elektrischer Strom erzeugt wird (Konzept der Einfachwu*kung). Die Spiegeldifferenz der Gezeiten schwankt zwischen 8,7 m bei Spring-

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

flut und 4,4 m bei Nippflut. Der durchschnittliche Tidehub betragt 6,4 m. Die nahezu eingehaltenen Baukosten des in drei Jahren erstellten Gezeitenkraftwerkes Annapolis beliefen sich auf 46 Mio. Kanadische Dollar. Die bisherigen Betriebserfahrungen sind auBerordentlich ermutigend, so dal3 derzeit weitgehende Wirtschaftlichkeitsstudien angestellt werden, die in der nachfolgenden Tabelle 4.4 erwahnten drei moglichen Standorte von Gezeitenkraftwerken innerhalb der Fundy-Bucht zu erschlieBen. So werden beispielsweise fur das Cumberland Basin 42 Straflo-Turbinen in Betracht gezogen. Tabelle 4.4: Mogliche Gezeitenkraftwerksstandorte innerhalb der Fundy-Bucht [4.28] Shepody Bay Cumberland Basin CobequidBayl 16 m 14,5 m iNaturliche Fallhohen: maximal 14,5 m 7m minimal 6,5 m 6m Durchschnitt 9m 11m 10 m iNaturlicher Wasserstrom (maximal): 185.000 mVs 54.000 mVs 60.000 mVs 3.200 MW IPotential: Leistung 920 MW 795 MW 10.374 GWh 1 2.352 GWh 1 jahrliche Energieerzeugung [ 2.967 GWh

Nachdem die Nutzung von Meeresbuchten fur Gezeitenkrafhverke einige Einschrankungen vor allem fur die Schiffahrt sowie die Umwelt mit sich bringt, werden in den letzten Jahren vor allem in GroBbritannien einige Offshore-Projekte im kUstennahen Bereich verfolgt, die nicht derartigen Restriktionen unterliegen. Hierbei ist geplant, hi Gebieten mit nicht zu groBer Wassertiefe und gleichzeitig ausreichend groBem Tidehub kiinstliche Becken mit emer dazwischen liegenden Kraftwerkseuiheit zu errichten. So wird beispielsweise seit langerem im Bereich der Severin-Mundung entlang einem 16 km langen Kiistenstreifen ehi Gezeitenkraftwerk mit 8.000 MW mstallierter Leistung heftig diskutiert. 4.4.2

Nutzung der Meeresstromung

In der weiteren Folge der rasanten Entwicklung der Windenergienutzung ist auch die Nutzung der durch die Gezeiten verursachten, regelmaBig ablaufenden Meeresstromungen mit ihren zum Teil enormen Massenbewegungen und daraus resultierenden Kraften in das energiepolitische Blickfeld gekommen. Exemplarisch sei der Golfstrom genannt, der mehr als 80 Mio. m^/s Wasser an Miami/USA vorbeitransportiert. Erste Untersuchungen haben ergeben, daB fiir eine wirtschaftliche Ausbeutung dieser Ressource erne Stromungsgeschwindigkeit von 1,5-2,5 m/s sowie Wassertiefen von 20-35 m optimal smd. Derartige Bedingungen herrschen Uberwiegend in kUstennahen Gebieten, wo das Wasser durch die natUrlichen Konturen in bestunmten Bahnen gelenkt wu-d. Von Vorteil ist, daB diese Stromungen verhaltnismaBig gleichmaBig und damit gut vorhersagbar smd. Eine erste Pilotanlage mit einer Meeresstromungsturbme mit emem 11m groBen Rotor ist seit 2003 1,5 km vor der KUste von GroBbritannien nahe Lynmouth (Norddevon), 100 km westlich von Bristol, bereits m Betrieb und besitzt erne Leistung von 350 kW bei 20 Umdrehungen pro Minute. Die Einheit ist an euien Stahlpfeiler mit 2,1 m Durchmesser, 42,5 m Hohe und 801 Gewicht montiert, der

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im Meeresboden mittels einer Felsbohrung und BetonverguB fundiert wurde. Dieser hohle Stahlpfeiler endet Uber der Meeresoberflache, so daB tiber eine darauf montierte Plattform der Zugang moglich ist. Zu Wartungs- und Reparaturzwecken kann die aus Rotor und Generator bestehende Emheit hydraulisch liber die Wasseroberflache gefahren werden. Fiir die Energieableitung sind Seekabel vorgesehen. Fur die nachste Entwicklungsphase ab Ende 2006 sind Prototypen mit zwei nebeneinander, beidseits des Pfeilers angeordneten Rotoren und insgesamt 1,2 MW installierter Leistung vorgesehen. Auch an rund 100 weiteren europaischen Standorten sind ahnliche „Seaflow"Kraftwerke unterschiedlichster Bauart geplant. Das an den entsprechenden Kiistengewasem realisierbare elektrische Potential wird derzeit auf ca. 70 TWh/a geschatzt, wobei von Bedeutung ist, daB aufgrund des erheblichen Dichteunterschiedes von Luft und Wasser eine Meeresstromungsturbine pro m^ Rotorflache eine ca. achtfach hohere Leistung als eine Windkraftanlage erzeugen kann. Trotz der teilweise verbreiteten Euphoric zur Nutzung dieser bedeutenden Energiequelle birgt diese aber auch einige Gefahren in sich, Zum einen konnen die moglicherweise negativen Einfliisse auf das marine Okosystem durch z. B. die unter Wasser drehenden Rotoren, die Larmemissionen etc., heute nur unzureichend emgeschatzt werden. Zum anderen ist iiberhaupt nicht absehbar, inwieweit der Energieentzug aus dem gesamten Meeresstromungssystem weitreichende Folgen bis hin zu einer massiven Veranderung desselben verursachen kann. 4.4.3

Wellenenergienutzung

Verschiedene Ursachen bewirken die Entstehung von Wellen in oberflachennahen Zonen groBer Wasserflachen, wobei der Wind neben den Gezeiten und seismischen Aktivitaten unter anderem dominiert (s. a. Abb. 4.16). Besonderen EinfluB auf die Art des Seeganges haben vor allem die Windgeschwindigkeit, die Streichlange des Windes und dessen Dauer. Die statistische Aufbereitung einer Seegangsaufzeichnung liefert bestimmte Wellenverlaufe, ftir die verschiedene theoretische Losungsansatze mit unterschiedlichen Geltungsbereichen (vor allem beziiglich der Wassertiefe) bestehen, auf die an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird. Die in einer Welle enthaltene Energie besteht aus einem potentiellen und einem kinetischen Anteil. Der potentielle Anteil ergibt sich aus der Schwerpunktverschiebung der Wassermasse aus der Ruhelage infolge der Wellenbewegung. Der kinetische Anteil ist eine Folge der am Ort verbleibenden Orbitalbewegung (Kreis- oder Ellipsenbahnen) der Wasserteilchen. Durch Anwendung der linearen Wellentheorie laBt sich der Energiegehalt einer Welle ermittehi, wobei sich zeigt, daB die beiden Anteile gleich groB sind [4.29]: E^,=E,^E,=—^^p^'g'b'H''L Ewe b H L

Wellenenergie Breite, in der Regel Einheitsbreite b=\m Wellenhohe Wellenlange

[Wh]

(4.7) [Wh] [m] [m] [m]

118

4 Typen von Wasserkraftanlagen

Die Wellenleistung erhalt man aus dem Produkt der auf eine vertikale Ebene wirkenden Kraft und der Stromungsgeschwindigkeit durch diese Flache hindurch. Im Tiefwasser, d/L > 0,5 (mit der Ruhewasserspiegelhohe d), ergibt sich diese pro Breiteneinheit zu: P = ^^^-^'H''T

= H''T

(4.8)

[W/m]

32-71

Aus der nachfolgenden Abb. 4.20 kann der Leistungsinhalt einer Welle im Tiefwasser abgelesen werden; als Beispiel ist die Leistmig einer typischen Welle der Nordsee eingetragen. Die Energie der Meereswellen kann auf unterschiedliche Art und Weise zur Energiegewinnung genutzt werden. Es muB dabei beriicksichtigt werden, daB es infolge des stochastischen Energieangebotes eines Wandlers bedarf, der iiber alle Leistungsbereiche hinweg mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet. Des weiteren muB bei alien Anlagen die groBte zu erwartende Welle bei deren Konstruktion berucksichtigt werden, damit am Bauwerk keine Schaden auftreten. Ein weiterer Punkt ist die Aggressivitat des Seewassers und des daraus resultierenden Seeklimas, die die Verwendung geeigneter korrosionsfester Materialien bedingen.

Beispiel: Nordsee mittlere Wellenhohe = 1,52 m Wellenperiode T = 6,42 s WellenlangeL = 64,4 m 2

5

10

20

50

100

200

500

1000

Leistung P einer Welle [kW/m]

Abb. 4.20: Wellenleistung im Tiefwasser {d/L > 0,5) [nach 4.29] Die zur Zeit bekannten Energiewandlersysteme lassen sich zum einen nach dem Anteil der Energie, die sie tiberwiegend nutzen, einteilen und zum anderen nach dem Prinzip der Energieumwandlung: - Ausnutzung des potentiellen Energieanteiles: - Profilveranderung der laufenden Welle; - Druckschwankungen unterhalb der Oberflache. - Ausnutzung des kinetischen Energieanteiles: - Orbitalbewegung der Wasserteilchen; - longitudinale Bewegung der Wasserteilchen im flachen Wasser.

4 Typen von Wasserkraftanlagen

119

Dartiber hinaus ist eine Klassifizierung nach dem technischen Wandlerprinzip moglich, wobei nur die primaren Wandler einbezogen werden konnen. Es sind dies die hydraulische Turbine, die pneumatische Turbine, der Hydrozylinder bzw. die Pumpe sowie mechanische Systeme, deren Typen in der Fachliteratur ausreichend beschrieben sind. Die groBte Bedeutung unter den Anlagen zur Wellenenergiegewinnung wird jenen beigemessen, die auf dem Prinzip der schwingenden Wassersaule basieren. Es handelt sich dabei um eine hydraulische Turbine, die den potentiellen Energieanteil ausniitzt und aus einer nach unten offenen Kammer besteht, in der eine Wassersaule und damit eine Luftsaule auf und ab schwingen. Je nach Konstruktionstyp treibt das Wasser dh^ekt oder indirekt die Turbine an, wobei derzeit dem indirekten Antrieb Uber die Luftsaule eine hohere Prioritat bei den Forschungsaktivitaten beigemessen wird, da die Stromungsgeschwindigkeiten hier groBer sein und die Lebensdauer hoher angesetzt werden konnen. Entscheidend ist jedoch bei alien Anlagen, daB zum einen der Wirkungsgrad Uber einen groBen Wellenfrequenzbereich und in beiden Schwingungsrichtungen moglichst groB sein sollte. Unterschiedliche Typen sind in Abb. 4.21 dargestellt.

a) Babintsew 1974 Kompressioi

[[]-Generator i<4^^ Turbine

b) Ricafranca 1974

~t?^>^ ^ ^ t f

/

/

fKompression

/ ' / /

///

/

/Leitschaufeln

i><^4^

c) Goncalves 1975

I V-Leitschaufeln Kompression; Stromungs- A ^ nchtung f,' ! M

Ml IM

f

d) Hafher/ Hohnecker 1980 Stromungsrichtving

^ Generator

B •rGetriebe <3-—

e) Hafher 1980

AAA

Abb. 4.21:

Wandlerprinzip und Beispiele von Turbinenschaufelformen doppelt wirkender Axialturbinen [nach 4.29]

120

4 Typen von Wasserkraftanlagen

Weltweit wird das wirtschaftlich nutzbare Potential der Wellenenergie auf ca. 2.000 TWh im Bezugsjahr 2025 eingeschatzt. In jtingster Zeit sind daher fiir die Energienutzung aus der groBen Schwankungen unterliegenden Wellenbewegung eine Reihe von Prototypen entwickelt und selbst unter rauhen Bedingungen des Seegangs sowie des salzhaltigen Meereswassers erprobt worden. An erster Stelle steht das Wellenkraftwerk auf Basis der schwingenden Wassersaule (Oscillatung Water Column, OWC) bzw. Luftsaule. Letztere wird bei Eintritt von Wasser in eine der ankommenden Welle entgegen gerichteten offenen, rohrfbrmigen Kammer, die etwa zur Halfte unter Wasser liegt, komprimiert und einer Turbine mit Generator zugefuhrt (s. Abb. 4.21c). Hemach stromt die Luft ins Freie hinaus. Beim Riickstromen der Wasserwelle wird wieder Luft Uber die Turbine angesaugt, wobei eine fiir beide Stromungsrichtungen geeignete symmetrische Schaufelform dieselben Drehsinn aufi-echt erhalt. Einige Anlagen mit ca. 500 kW Leistung sind in Schottland, Japan und Indien in Betrieb. MehrkammerAnlagen befinden sich im Planungszustand, die mit mehreren MW Leistung in ktistenfemen Bereich unter voller Ausnutzung der nicht durch Bodenreibung und Turbulenzen beeintrachtigten Wellenkraft Einsatz fmden sollen. Eine interessante Entwicklung stellt der Prototyp Pelamis (Seeschlange) dar, der 2004 vor der Kiiste Schottlands in Probebetrieb gegangen ist. Das 120 m lange Wellenkraftwerk besteht aus 4 groBvolumigen Segmenten. An den Schamiergelenken dieser mit Luft gefullten, rohrfbrmigen Auftriebskorper von je 30 m Lange, befinden sich Hydraulikkolben, die beim Auf und Ab infolge der Wellenbewegung eine Betriebsfliissigkeit unter Hochdruck in einen Ausgleichsbehalter pressen, wodurch ein spezieller hydraulischer Generator jeweils in Gang gesetzt wu*d. Deren Gesamtleistung belauft sich auf 750 kW. Das 750 t schwere Wellenkraftwerk in 5-10 km Entfemung von der Kuste bewegt sich bei einer Tiefenlage von 50-60 m schlangenformig. Die komplette Anlage ist am Meeresboden verankert. Durch Reihenanordnung und wabenformigen Verkniipfiing derartiger Elemente konnte die Gesamtleistung bis 30 MW betragen. VerhaltnismaBig gute Ergebnisse erzielte man ebenfalls mit der einfacheren Konzeption eines sogenannten welleneinfangenden Drachens bzw. Wellendrachens (s. Abb. 4.22). Ein Prototyp arbeitet seit 2003 in einem Fjord in der Nahe des danischen Ortes Nissum. Uber zwei auseinandergespreizte Auslaufer aus Stahl von 58 m Spannweite gelangen die aufkommenden Wellen tiber einen konischen Kanal und einer anschlieBenden doppelt gekrUmmten Rampe in das wenige Meter Uber dem Meeresspiegel befindliche Stahlbecken von 58 x 33 m^ Flache. In dem zentrisch angeordneten Fallschacht flieBt das aufgestaute Wasser Uber vertikalachsige, ungeregelte Propellerturbinen mit Kapselgeneratoren und Permanentmagneten wieder in das Meer ab. Die nutzbare Fallhohe liegt zwischen 0,6 und 1,5 m. Die Sammelbecken zum Aufstau der Wellen konnen entweder an der KUste fest angeordnet oder schwimmend sein. Nach Testserien ist beabsichtigt, eine etwa funfinal so groBe Anlage von 22.0001 Gesamtgewicht mit 4 MW Leistung zu bauen. Die Spannweite zwischen den 125 m langen und 16 m tiefen Wellenreflektoren sollen dann 260 m, die Rampenbreite 120 m und das Volumen des Sammelbeckens 5.000 m^ betragen. Die Fallhohe wird 3,0 m groB sein. Die 16 installierten Wasserturbinen und Generatoren wUrden jahrlich 12 GWh elektrischen Strom liefern. Kame es zu noch groBeren Einheiten und aus ihnen gebildeten Seeparks von

4 Typen von Wasserkraftanlagen

121

Wellendrachen, konnten theoretisch ca. 30 % des europaischen Strombedarfes durch Wellenenergie gedeckt werden.

Abb. 4.22: Funktionsprinzip eines Wellendrachen-Kraftwerkes (GmndriB und Schnitt)

4.4.4

Gradientenkraftwerke

Nicht nur mit Gezeiten, Wellenstromungen und Wellenbewegungen bieten die Weltmeere riesige Energiequellen. Auch Temperaturunterschiede zwischen Oberflachen- und Tiefenwasser und ebenso unterschiedliche Salzgehalte von Meerwasser und FluBwasser ermoglichen Ansatze zur elektrischen Stromgewinnung. Derartige Anlagen bezeichnet man als Gradientenkraftwerke. Bei der Nutzung groBerer Temperaturgefalle kommen ahnlich einer Warmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf das bei niedrigen Temperaturen leicht verdampfende Ammoniak als Arbeitsmedium sowie Kompressor und Dampfturbine mit Generator fiir den Warmeentzug und die elektrische Stromerzeugung zum Einsatz. Eine eindrucksvolle Ausftihrung einer solchen Ocean-Thermal-EnergyConversion-Anlage (OTEC) ist das 2004 in Betrieb gegangene Kraftwerk Tuticorin an der indischen WestkUste. Hier wird 15 km vor der Kuste eine Temperaturdifferenz von 22 °C ausgeschopft und eine elektrische Leistung von rund 1 MW erzielt. Bei der Nutzung unterschiedlicher Salzkonzentrationen von Meeres- und SiiBwasser findet das Osmose-Prinzip Anwendung. Hierbei werden Seewasser mit einem Salzgehalt von 3,5 % und SiiBwasser durch eine fur Salz undurchdringbare Membran getrennt. Durch die Osmosevorgange entsteht in dem geschlossenen System durch das aus der Membran heraustretende SiiBwasser ein Druck von bis zu 27 bar, der Uber eine Maschinengruppe von Turbine und Generator abgebaut wird. Derzeit sind dieser Technik noch Grenzen gesetzt, da bisher keine geeignete Membranen existieren, die einen entsprechend hoheren Wasserdurchsatz bei deutlich geringeren Kosten erlauben, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoglichen. 4.4.5

Depressionskraftwerke

Den Uberlegungen zur Nutzung der sogenannten solaren Depressionskraft liegt der Gedanke zugrunde, in Gebieten mit heiBem Klima durch Kanale oder Stollen

122

4 Typen von Wasserkraftanlagen

Meerwasser in eine kustennahe Niederung zu leiten, in der es verdunstet. Der Hohenunterschied, die sogenannte Depression, zwischen dem Meereswasserspiegel und dem Verdunstungsbecken wird dabei an geeigneter Stelle in einer Wasserkraftanlage genutzt. Die Energieausbeute ist bekanntermaBen von der Hohendifferenz und damit von der Verdunstungswassermenge abhangig. Diese wird wiederum maBgeblich von der GroBe der Verdunstungswasseroberflache beeinfluBt, da mit wachsender Oberflache die Verdunstungsmenge ansteigt. Es muB also Gleichgewicht zwischen dem zugeftihrten und dem in der Niederung verdunsteten Wasser bestehen. Die im Laufe der Zeit fortschreitende Versalzung der jeweiligen Verdunstungsbecken hat nahezu keinen EinfluB auf die Wasserkraftnutzung; so wird davon ausgegangen, daB nach ca. 100 bis 150 Jahren eine Sattigung emtritt und erst nach mehr als 1.000 Jahren eine vollstandige Versalzung eintreten wird. Neben der Nutzung von existierenden, kiistennahen Niederungen gibt es auch (Jberlegungen, Binnenmeere durch einen kUnstlichen Damm mit darin enthaltener Wasserkraftanlage zur Nutzung der Depressionskraft heranzuziehen; allerdings kann hier nur eine relativ geringe Fallhohe genutzt werden. Dariiber hinaus bietet es sich an, diese Wasserkraftanlagen mit einer Pumpspeicheranlage zu kombinieren, da ein Betrieb als Spitzenlastkraftwerk naheliegt. Bisher wurden vor allem fiir zwei Anlagen ausgiebige Projektstudien durchgefiihrt, keine der Anlagen wurde jedoch bis zum heutigen Tage verwirklicht. Es handelt sich dabei zum einen um die Anlage in der Kattara-Senke in der nordwestlichen Wtiste Agyptens, bei der ein Hohenunterschied von ca. 60 m durch erne Wasserkraftanlage mit einem ZufluBkanalZ-stollen aus dem Mittelmeer mit einer Lange von ca. 75 km genutzt werden soil. Mit einer installierten Leistung von bis zu 2.400 MW konnten so max. 3.100 GWh/a, kombiniert mit einer Pumpspeicherwasserkraftanlage bis zu 4.600 GWh/a, erzeugt werden [4.30]. Die zweite Anlage, die wieder in der aktuellen Diskussion ist, soil den Hohenunterschied von ca. 390 m zwischen dem Mittelmeer oder dem Roten Meer und dem Toten Meer nutzen[4.31]. 4.4.6

Gletscherkraftwerk

Bei den bisher im wesentlichen nur auf dem Papier existierenden Gletscherkraftwerken handelt es sich um eine Sonderform der Speicherkraftwerke, die das Energiepotential des Gletscherschmelzwassers in den Hochgebirgen und vor allem der Polarkappen nutzbar machen sollen. In den Hochgebirgen wird das Gletscherwasser meist bereits in nicht explizit auf die Gletscher bezogenen Speicheranlagen gesammelt und im Bedarfsfall in elektrische Energie umgewandelt. In den Energiedebatten tauchen aber auch immer wieder tJberlegungen auf, die gewaltigen Schmelzwassermengen der polaren Gletschermassen, insbesondere in Gronland, zu nutzen, da es in Hohen ttber 2.000 m entsteht und anschlieBend in Wasserkraftanlagen in elektrische Energie umgewandelt werden konnte. Erste Schatzungen gehen von bis zu 100 TWh/a aus. Da sowohl der Bau der Wasserkraftanlagen als auch der Energietransport zu den Verbrauchem - gedacht ist vor allem an die Energiespeicherung und den Energietransport mittels Wasserstoff -

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123

derzeit unwirtschaftlich ist, wurde bisher keines der Projekte verwirklicht (s. a. Kapitel 17.1). Mit dem bis voraussichtlich 2007 realisierten Wasserkraftanlagenprojekt Karahnjukar im Osten Island wird sich diese Situation nun andem, soil dort eine Anlage mit 690 MW installierter Leistung und einem Jahresarbeitsvermogen von ca. 4.600 GWh/a errichtet werden. Diese Wasserkraftanlage soil in dieser ersten Ausbaustufe einen Teil des Schmelzwassers des Vatnajokull-Gletschers, Europas groBtem Gletscher mit iiber 8.000 km^ Flache, nutzen, das in emem Stausee mit einem 190 m hohen Damm zwischengespeichert und Uber einen knapp 40 km Iangen Stollen dem Kavemenkrafthaus mit sechs Maschinensatzen zugefuhrt wird. Die elektrische Energie wu*d schliei31ich uber eine gut 50 km lange 420-kVHochspannungsleitung zu einer neuen Aluminiumschmelze in einer Bucht an der Ostktiste gefiihrt. Weitere Ausbaustufen sind geplant. 4.5 [4.1] [4.2] [4.3] [4.4] [4.5] [4.6] [4.7]

[4.8] [4.9] [4.10] [4.11]

[4.12]

[4.13] [4.14]

Literatur Mosonyi, E.: Water power development. Band I + II. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 Theobald, S.: Numerische Simulation zum Betrieb von Staustufenketten. In: Wasserwirtschaft 90 (2000), Heft 9, Seite 420-426 Innwerk bzw. E.ON Wasserkraft GmbH, Landshut: Pers. Auskunft 2003 Bayerische Wasserkraftwerke AG (Hrsg.): Der Lech und der Lechausbau. Munchen, 1988 Thuringer Talsperrenverwaltung (Hrsg.): Talsperren in Thtiringen. Erfurt: Verlag Fortschritt, 1993 Stocklin, J.: Der Neubau des KraftAverks Amsteg. In: Wasser, Energie, Luft 87 (1995), Heft 11/12, Seite 257-261 Giesecke, J.: Pumped-storage Plants - their Role and Future Significance for the Electricity Supply in Germany. In: Dams in Germany. Essen: Verlag Gluckauf, 2001 Giesecke, J.: Entwicklungsstufen von Pumpspeicherwerken in BadenWurttemberg. In: Schriftenreihe des DVWK (1986), Band 78, Seite 7-49 Technische Werke der Stadt Stuttgart AG (Hrsg.): Pumpspeicherwerk Glems. 1985, Prospekt Neckarwerke Stuttgart AG: Personliche Informationen, 1997 Heimerl, S.: Systematische Beurteilung von Wasserkraftprojekten. In: Mitteilungen des Institutes fur Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2002, Heft 112 Heimerl, S.; Giesecke, J.: Wasserkraftanteil an der elektrischen Stromerzeugung in Deutschland 2003. In: Wasserwutschaft 94 (2004), Heft 10, Seite 28-40 Mosonyi, E.: Hidroenergia 93. In: European Small Hydro Association info (1994), Nr. 11, Seite 4-6 WeiB, P.: Ein Beitrag zur Planimg und Projektierung von Kleinwasserkraftanlagen. In: Mitteilungen des Instituts flir Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen (1992), Nr. 82

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4 Typen von Wasserkraftanlagen

[4.15] Wasserwirtschaftsverband Baden-Wiirttemberg e. V. (WBW) (Hrsg.): Leitfaden fiir den Bau von Kleinwasserkraftanlagen. 2. Auflage. Stuttgart: Frankh-Kosmos Verlag (heute: Wiesbaden: Viehweg & Sohn), 1994 [4.16] Palffy, S. O. et al: Wasserkraftanlagen - Klein- und Kleinstkraftwerke. 4. Auflage. Ehningen: expert verlag, 1998 [4.17] Amercian Society of Civil Engineers (ASCE): Civil engineering guidelines for planning and designing hydroelectric developments. Volume 4. Small scale hydro. New York, 1989 [4.18] Heimerl, S.; Hefele, C : Betrieb einer kleinen Wasserkraftanlage - Probleme, Schwierigkeiten, Losungsansatze. In: Wasserwhtschaft 90 (2000), Heft4,Seite 198-203 [4.19] Giesecke, J. Jorde, K.: Technisch-okologische Gesamtkonzepte bei Revitalisierung, Modemisierung und Neukonzessionierung von Wasserkraftanlagen. Beitrag zum Wasserbau-Symposium Planung und Realisierung im Wasserbau, Garmisch-Partenkirchen, 1998 [4.20] International Electrotechnical Comission (Hrsg.): International Standard lEC 41: Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. 3. Aufl. Genf, 1991 [4.21] Giesecke, J.; Heimerl, S.: Energienutzung bei Trinkwassertalsperren und Femwasserversorgungen. In: Tagungsband des 3. Anwenderforums „Kleinwasserkraftwerke", OTTI Techn.-Kolleg, Passau, 2000, S. 120-125 [4.22] Flinspach, D.; Giesecke, J.; Horlacher, H.-B.: Hydraulische und betriebliche Aspekte der Energieriickgewinnungsanlage Schonbuhl des Zweckverbandes Landeswasserversorgung. In: Wasserwirtschaft 73 (1983), Heft 7/8, Seite 226-230 [4.23] Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVWG) (Hrsg.): Energierlickgewinnung durch Wasserkraftanlagen in der Trinkwasserversorgung. In: DVWG-Merkblatter (1994), Nr. W 613 [4.24] Zweckverband Landeswasserversorgung, Stuttgart: Pers. Auskunft, 1996 [4.25] Christaller, H.: Der Bau des Gezeitenkraftwerkes an der Ranee. In: Wasserwirtschaft 55 (1965), Nr. 3, Seite 65-72 [4.26] Giesecke, J.: Uber die Gestaltung von Niederdruckkraftwerken mit Rohrttirbinen. In: Wasserwirtschaft 57 (1967), Heft 9 und 10, S. 323-327 und 370-374 [4.27] Wiesegart, K.: Gezeitenkraftwerke in der VR China. In: Wasser, Energie, Luft 76 (1984), Heft 7/8, Seite 162-164 [4.28] Holler, H. K.: Das Gezeitenkraftwerk Annapolis Royal in Kanada. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen (1985), Nr. 56, Seite 35-60 [4.29] Hafiier, E.: Energie aus Meereswellen - Entwicklung von Wandlersystemen. hi: Wasserwirtschaft 70 (1980), Nr. 9, Seite 303-308 [4.30] Bassler, F.: Neue Vorschlage fiir die Entwicklung der Kattara-Senke. In: Wasserbau-Mitt. der Technischen Hochschule Darmstadt (1975), Nr. 13 [4.31] Chamish, B.: Red or med canal route dead ahead? In: Water Power & Dam Construction 46 (1994), Nr. 11, Seite 38-40

125

5

Wasserfassung

Wasserfassungen sind Bauwerke, die der Entnahme und gegebenenfalls Reinigung von Triebwasser aus einem Bach, Flul3, See oder Speicher dienen, das der Triebwasserleitung - im Falle von Freispiegelleitungen auch als Werkkanal oder Triebwasserkanal bezeichnet - einer Wasserkraftanlage zugeleitet wh*d. Die Aufgaben der Wasserfassung sind dabei: - Verhinderung oder zumindest Verminderung der Geschiebe- und Schwebstoffeinwanderung in den Triebwasserkanal, mit dem Ziel, denselben vor Verlandung und den Turbinenbereich vor Erosionsschaden und Abnutzung zu schutzen; - Zuleitung des Triebwassers in den Werkkanal bzw. den Triebwasserstollen mit moglichst geringen Fallhohenverlusten; - Femhalten von Eis und Treibgut aller Art; - VerschluB der Triebwasserleitung bei Revisionen oder Schadensfallen. Die Gliederung der Wasserfassung selbst richtet sich nach den oben genannten Gesichtspunkten, wobei beachtet werden muC, daC Anlagen mit Druckleitungen, also vor allem Hochdruckanlagen, im Gegensatz zu Anlagen mit Freispiegelleitungen, also vor allem Nieder- und Mitteldruckanlagen, weitaus empfindlicher gegeniiber Geschiebe und kleinem Treibgut sind. Dies hat zur Folge, dal3 bei Druckleitungen eine weitergehende Reinigungsstufe, der Sandfang, der in Kapitel 7 ausftihrlich beschrieben wird, zwischengeschaltet werden mui3. Zu den wichtigsten Bauteilen gehoren in GewasserflieMchtung dementsprechend, abgesehen von der Entnahme aus stehenden Gewassem: 1. Einlaufschwelle als Schutz gegen das Einwandem von Geschiebe; 2. Tauchwand mit ihren Pfeilem, die das Eindringen von Schwimmstoffen und Treibeis verhindem soil; 3. Grobrechen am Kanaleingang, gegebenenfalls mit Rechenreinigungsmaschine, um grobe Schwimmstoffe, Treibgut und Eis abzuhalten; Anlagen mit Freispiegelleitungen: 4.1 Einlaufbecken mit zweiter Schwelle (Werkkanalschwelle) und dazugehorigem Spiilkanal mit Spiilschtitz, um weiteres Geschiebe aus dem Triebwasser zu entfemen; 5.1 Ubergangstrompete und Einlaufschtitz zur Triebwasserregulierung und zum Absperren der Triebwasserleitung bei Revisionen oder Unfallen. Anlagen mit Druckleitungen: 4.2 Einlaufbecken und gegebenenfalls Feinrechen mit Rechenreinigungsmaschine zur Abweisung von Treibgut etc.; 5.2 Sandfang mit dazugehorigem Spulkanal und Spiilschtitz zur Entfemung der feinen Geschiebe- und Schwebstoffe; 6.2 Einlaufschtitz zur Triebwasserregulierung und zum Absperren der Triebwasserleitung bei Revisionen oder Betriebsstorungen; 7.2 Ubergangsbauwerk in die Druckrohrleitung mit Einlauf- bzw. Ausgleichsbecken am Ende der Freispiegelleitung (s. Kapitel 6.5).

126

5 Wasserfassung

Bei alien Typen von oberflachennahen Wasserfassungen ist auf deren Zuganglichkeit zu achten, die aus Grunden der Betriebssicherheit jederzeit moglich sein sollte; bei tiefliegenden Entnahmen aus stehenden Gewassem wird diese nur in Sonderfallen vorgesehen. Zur Unterbrechung des Wasserstromes muB jedoch stets eine Absperrmoglichkeit vorhanden sein, auf die noch eingegangen wird. 5.1

Anordnung, Bauweise und Bemessung des Einlaufbauwerkes

Die Aufgabe des Einlaufbauwerkes besteht in der Entnahme des Triebwassers und der weitestgehenden Abhaltung von Geschiebe und Treibgut. Bei der Anordnung und Bauweise muB im wesentlichen zwischen Kraftwerken einerseits direkt im FluBlauf oder mit Entnahme bzw. Ausleitung des Triebwassers und andererseits mit Entnahme aus stehenden Gewassem (z. B. Seen, Speicher, Stauanlagen) unterschieden werden. 5.1.1

Kraftwerke im FlieBgewasser

Bei reinen FluBkraftwerken ist das Krafthaus direkt mit der Wehranlage kombiniert (s. Kapitel 4.2.1.1), ein eigenstandiges Entnahmebauwerk fiir das Triebwassers entfallt hierbei. Die Wasserfassung erfolgt unmittelbar (s. Abb. 5.1) und besteht neben einer Rechenanlage mit Reinigungseinrichtung sowie je einem Hauptund NotverschluB lediglich aus dem Turbinenzulauf (s. a. 14.3.1.1). Auf diese Elemente wird in den nachfolgenden Abschnitten genauer eingegangen werden. Einlaufbauwerk mit Hauptverschluß (Rollschütz) und Rechenanlage 358,55

Krafthaus mit Maschinengruppen

343,60

~unterwasserseitige Dammtafeln —8,04

Abb. 5.1: 5.1.2

1—

Stauanlage und das Krafthaus der Wasserkraftanlage Burgkhammer, Obere Saale: a) GrundriB, b) Schnitt A-A [5.1] Entnahme aus FlieBgewassern

Ein FlieBgewasser stellt ein komplexes System dar, das sich nur selten im Gleichgewicht, sondem vielmehr in einem standigen AnpassungsprozeB befindet, um seinen Zustand den aktuellen hydrologischen, topographischen, geologischen und fluBbaulichen Randbedingungen anzupassen. Jeder Eingriff von auBerhalb in dieses System, in diesem Fall die Triebwasserentnahme, bedeutet eine Stoning der momentan entlang der FlieBstrecke des Gewassers vorhandenen Gleichgewichts-

5 Wasserfassung

127

zustande und veranlaBt das System, seinen laufenden AnpassungsprozeB zu modifizieren. Dabei darf die Entnahmestelle im Rahmen der Planung nicht nur lokal betrachtet, sondem es miissen vielmehr die kurz- und langfristigen Auswirkungen des Eingriffes auf die ober- und unterhalb liegende Gewasserstrecke genau erkundet werden. Ftir die Triebwasserentnahme ist es von besonderer Bedeutung, die dem Kanaleintritt zugefuhrte Geschiebemenge zu verringem, wobei dies am besten durch die richtige Wahl der Entnahmestelle erzielt werden kann. Die Entnahme aus FlieBgewassem flndet man sowohl bei Nieder- als auch bei Mittel- und Hochdruckanlagen. Vor allem bei den Hochdruckanlagen, aber auch bei den Mitteldruckanlagen, mtinden ein Teil der Triebwasserfassungen vielfach in sogenannte Beileitungen, d. h. das an verschiedenen Stellen gefal3te Wasser wird der Haupttriebwasserleitung zugeleitet, um die msgesamt zur Verfugung stehende Triebwassermenge und damit die Energieerzeugung zu erhohen. Hinsichtlich der Entnahmeart werden un wesentlichen drei Formen unterschieden: - Seitenentnahme, - Stimentnahme, - Sohlentnahme. Die vierte mogliche Entnahmeart, die Saugentnahme, kommt im Bereich der Wasserkraftanlagen im Prinzip nicht vor. Tabelle 5.1: Mogliche Entnahmewassermenge und Vor- und Nachteile der Entnahmearten in Abhangigkeit des Gefalles /des FlieBgewassers [nach 5.2] Seiteneritnahme mit Geschiebemit Geschiebeabweisung abzug 1 mogliche ZulaufEntnahmewasser1 menge 1 sehr groBes Gefalle (Wildbache)

h>io% groBes Gefalle (Gebirgsfllisse)

Stimentnahme

Sohlentnahme

bis zu 100% (bis Sohlrechenleistungsgrenze) gunstig, wenn ungiinstig, wenn ungiinstig; hohe sehr giinstig; 1 wartungsfreie unzuganglich, da Turbulenz des klassischer Fall Funktion gepermanente Be- Zuflusses; perfiir Tiroler Wehr; dienung erforwartungsfreier wahrleistet manente Bediederlich | nung erforderlich Betrieb gunstig fiir alle Entnahmearten ohne besondere Einschrankungen mit oder 1 ohne Aufstau bis zu 50 %

bis zu 70 %

bis zu 80 %

110 %>!>!% 1 mittleres Gefalle (Hiigellandflusse) ll%>I>0,01Vo

gunstig fur Seiten- und Stimentnahme mit und ohne Aufstau

ungunstig; vorwie-1 gend feines Geschiebe, welches z J nahezulOO%in denEinlauf gerat | giinstig, da auch ungiinstig, da wenig KonstruktionshOhe fur die Spiilein- 1 1 geringes Gefalle ohne Aufstau richtungen zur Verfiigung steht, Aufstau macht aufwen(Flachlandfliisse) durchftihrbar dige Deiche notwendig | jO,01%>I>0,001% 1 sehr geringes Gefalle sehr ungunstig fiir jede Art der Entnahme mit Ausnahme der Entnahme mit- 1 tels Pumpbetrieb, da keine Hohe zur Verfiigung steht (FluBdeltas) \l> 0,001%

128

5 Wasserfassung

Die Tabelle 5.1 gibt einerseits einen Uberblick iiber die allenfalls mogliche Entnahmewassermenge bezuglich des Zulaufes und andererseits iiber die wesentlichen Vor- und Nachteile der drei Entnahmearten in Abhangigkeit des Gefalles des FlieBgewassers. Damit soil eine erste Einordnung ermoglicht werden, im folgenden wird dann vor allem auf die konstruktiven Details genauer eingegangen werden. Bei der Beherrschung des bei der Seitenentnahme an der Entnahmestelle anfallenden Geschiebes unterscheidet man zwei verschiedene Konzepte: - Geschiebeabweisung: Bei diesem Konzept wird versucht, das Geschiebe durch geeignete fluBbauliche und konstruktive MaBnahmen (Ausnutzung der Stromung, Schwellen, Leitwande, Spulschleusen, Spiilkanale etc.) weitestgehend vom Einlauf femzuhalten. - Geschiebeabzug: Hierbei wird das Einstromen des Zweiphasengemisches (Wasser und Geschiebe) in den Einlauf zugelassen und dort mit geeigneten konstruktiven MaBnahmen (doppelter Boden, horizontale Trennwand, Sandfang etc.) die Trennung von Feststoffen und Wasser vorgenommen. In beiden Fallen wird das Geschiebe dem Gewasser nicht entzogen, sondem es verbleibt vielmehr im FlieBgewasser, wodurch die ansonsten vielgearteten, negativen fluBbaulichen und okologischen Folgen ausbleiben und nur begrenzt in den Geschiebehaushalt eingegriffen wird (s. a. Kapitel 18.2.1.2). Von besonderer Bedeutung fiir die Geschiebeabweisung ist die in jedem Gewasser zusatzlich zur Haupt- oder Primarstromung in FlieBrichtung existierende Sekundarstromung, die sogenannte Flechtstromung, die vor allem durch FluBkriimmungen, aber auch durch asymmetrische Verengungen, Einbauten oder ahnliches verursacht wird (s. Abb. 5.2). Diese zweite Stromung ist in bezug auf den Geschiebetransport bei Entnahmebauwerken von besonderer Bedeutung, da sie fur den Transport quer zur FlieBrichtung verantwortlich ist.

Abb. 5.2:

Flechtstromung in FluBkrummungen

Wie aus Abb. 5.2 zu ersehen ist, ist es daher naheliegend, daB die gtinstigste Position fiir die Entnahme am AuBenufer einer Krummung anzutreffen ist. Die Jewells optimale Positionierung kann allerdings nur anhand eines Modellversuches gefunden werden. Die seitliche Entnahme des Triebwassers, die grundsatzlich die am weitesten verbreitete Form und gleichzeitig die alteste darstellt, aus emem geraden FluBabschnitt hat gegeniiber der Entnahme an der KriimmungsauBenseite vor der Entnahmestelle eine ausgepragtere Sekundarstromung in das Entnahmebauwerk hinein zur Folge (s. Abb. 5.3a). In diesem Fall sollte durch Einbauten eine kiinstliche Flechtstromung erzeugt werden, um die im Triebwasser mitgefuhrte Geschiebemenge und damit den baulichen und betrieblichen Aufwand fiir Entkieser und

5 Wasserfassung

129

Sandfang deutlich zu reduzieren (s. Abb. 5.3b). Besonders bei der Einrichtung stauloser Entnahmeformen ist die Ausnutzung der Sekundarstromung von besonderer Bedeutung, wobei diese Bauweise bevorzugt bei Kleinwasserkraftanlagen anzutreffen ist.

Abb. 5.3:

Flechtstromung bei Entnahme an geraden FluBabschnitten: a) natiirlich entstehende Flechtstromung in den Triebwasserkanal, b) kiinstliche Flechtstromung zur Geschiebeabweisung

Folgende fluBbaulichen MaBnahmen bieten sich zur Geschiebeabweisung unter Ausnutzung der Sekundarstromung vor allem bei der Seitenentnahme an: - Errichten von Buhnen am Gegenufer der Entnahmestelle, - Entnahme vor naturlichen oder kiinstlichen Verengungen, - lokale FluBverlegung, - Anlegen ernes gekrummten Nebenarmes, - Verengung durch Pontons, - Anordnung von Leitschwellen und Leitwanden, - Einbau schrager Grundschwellen, - Hereinziehen des Entnahmebauwerkes m den FluBquerschnitt. Die Dunensionierung erfordert stets praktische Erfahrungen sowie sinnvollerweise eine Betrachtung in einem numerischen oder besser gar physikalischen Modell, da eine umfassende rechnerische Bemessung derzeit noch nicht abschlieBend moglich ist. Meist ftihren die obengenannten fluBbaulichen MaBnahmen nicht zur ganzlichen Geschiebereduzierung, so daB zusatzlich im Entnahmebauwerk selbst konstruktive MaBnahmen vorgesehen werden miissen. Bei dem in Abb. 5.4a dargestellten, in diesem Fall etwas weiter in den FluBlauf hereingeriickten Entnahmebauwerk muB zur Bewegung des abgelagerten Geschiebes ein ausreichendes FlieBgefalle erzeugt werden, um das Geschiebe abzutransportieren. Damit die SpUlwirkung nicht nur auf einen kleinen Raum in unmittelbarer Nahe der Spiiloffiiung begrenzt bleibt, ist es unter Umstanden notwendig, kurzfristig auf das Halten der Stauhohe am Wehr zu verzichten und einen groBeren WasserdurchfluB mit gegebenenfalls erhohter Turbulenz zu erzeugen. Die in Abb. 5.4b dargestellte Grazer Kragschwelle [5.3] basiert auf der Entwicklung bzw. UnterstUtzung einer geschieberaumenden Spiralstromung vor und unterhalb der Kragschwelle, wobei Einlaufgeschwindigkeiten von iiber 1 m/s und ein Freiraum von 1-1,5 m Hohe unter der Kragschwelle notwendig sind. Von Vorteil ist, daB diese Entnahmeform keine Anforderungen an die ZufluBstromung stellt und sie somit auch in geraden FluBabschnitten angeordnet werden kann, ferner daB infolge der Anordnung kurze Spiilzeiten moglich sind und daB auch bei Hochwasser die Aufrechterhaltung der Geschiebeabweisung gewahrleistet wird.

5 Wasserfassung

130

T Schwelle 1 evt. abgestuft Vorboden Schwelle 2

(a)

Abb. 5.4:

Strömung an der Oberfläche Sohle

Trennschwelle

Schnitt A-A

Seitenentnahme: a) mit mehreren Schwellen und Spiileinrichtung, b) mit Grazer Kragschwelle [nach 5.2]/[5.3]

Das Konzept des Geschiebeabzuges berucksichtigt, daB ein geschiebefuhrendes Gewasser aus einer Zweiphasenstromung besteht und bei der Entnahme von Wasser auch eine bestimmte Menge von Geschiebe mit entnommen wird. Im Einlaufbereich der Wasserfassung wird in diesem Fall die Trennung von Wasser und Geschiebe vorgenommen, wobei die ungleichmaBige vertikale Verteilung von Wasser und Geschiebe im AbfluBquerschnitt in Verbindung mit einer FlieBgeschwindigkeitsreduzierung ausgenutzt wird. Der iiberwiegend Geschiebe beinhaltende untere Anteil des entnommenen Wassers wird dabei tiber ein System von Kanalen und Regulierorganen weiter unterstrom an das Gewasser zuriickgegeben. Hervorzuheben ist, daB dieses Betriebskonzept im wesentlichen einen kontinuierlichen Betrieb der Abzugskanale sowie einen ausreichend groBen Energiehohenunterschied zwischen Entnahme und Riickgabe zur Erzeugung einer ausreichenden Spiilgeschwindigkeit mit gegebenenfalls erhohter Turbulenz erfordert und damit die Anordnung von Geschiebeabzugen nur bei Wasserfassungen an gestauten FlieBgewassem sinnvoll ist. Wenn auch mit der kontinuierlichen Abgabe von Wasser durch die Spiilkanale dieses der Energieerzeugung entzogen wird, so stellt es gleichzeitig einen wesentlichen Anteil des notwendigen Mindestwassers, das im Gewasser verbleiben muB, dar (s. Kapitel 19). Aus der Abb. 5.5 ist die schematische Gliederung einer seitlichen Wasserfassung mit einem Geschiebeabzug ersichtlich. Der Einlauf des Geschiebeabzuges wird, wie hier dargestellt, meist vor oder unter der Entnahmeschwelle im Entnahmequerschnitt mit daran anschlieBendem SpUlkanal angeordnet. Es ist auch moglich, den Einlauf als Sohlschlitz in der Entnahmeschwelle oder auch in Form einer zweiten Sohlschwelle und emer oder mehrerer parallel daran angeschlossenen Spiihinnen auszubilden. Die Dimensionsierung und der Betrieb des Geschiebeabzuges ebenso wie bei der Geschiebabweisung erfolgen groBtenteils anhand allgemeiner Entwurfsrichtlinien und mit Hilfe von Modellversuchen. Nach Untersuchungen von KLEY [5.4] u. a. ist aber auch eine rein mathematisch-physikalische Bemessung der Geschiebeabziige m Abhangigkeit der Wasser- und Geschiebefiihrung des FlieBgewassers und der ortlichen Verhaltnisse moglich, und darliber hinaus wird durch die Erstellung von Betriebsdiagrammen eine Schiitzsteuerung zur Minimierung des Wasserverlustes ermoglicht.

5 Wasserfassung Isar

^

131

1) W

(b) Abb. 5.5:

Seitenentnahme mit Geschiebeabzug am Kraftwerk Oberfohring, Isar: a) GrundriB, b) Schnitt A-A [5.5]

Wird das Triebwasser nicht in einem Kanal oder Stollen mit FreispiegelabfluB, d. h. einem AbfluB, bei dem im normalen Betrieb eine freie Wasserspiegeloberflache vorhanden ist, sondem in einer Druckleitung, also einer Leitung mit vollstandiger, unter Innendruck stehender Wasserfullung, weitergeleitet, so befindet sich das Einlaufbauwerk bei Nieder- und Mitteldruckanlagen in der Regel komplett unterhalb des Wasserspiegels. Bei Hochdruckanlagen ist dies seltener der Fall, hier folgt auf den meist notwendigen Sandfang ein Ausgleichs- und Ubergangsbecken, das in die Druckleitung iiberleitet. Die in beiden Fallen notwendige Einlaufiiberdeckungshohe ist im nachfolgenden Abschnitt 5.1.4 naher beschrieben. Das Triebwasser wird bei der Stirnentnahme (s. Abb. 5.6a), die auch als Frontalentnahme bezeichnet wird, ohne vorherige Umlenkung aus dem FlieBgewasser entnommen. Im Gegensatz zur Seitenentnahme wird bei der Stirnentnahme von vomherein auf jeden Sekundarstromungseffekt verzichtet, und man ist bestrebt, eine moglichst gleichmaBige Stromung im Bereich der Entnahmestelle zu erzeugen, um so dem ausgeleiteten Triebwasser das Geschiebe wie beim Geschiebeabzug der Seitenentnahme durch Aufspaltung der horizontalen Zweiphasenstromung in Sohhiahe entziehen zu konnen. Um die von der Hauptstromungsrichtung abweichenden Geschwindigkeitskomponenenten zu vermeiden, muB das vor dem Einlaufbereich vorhandene Geschwindigkeitsprofil auch im Einlaufquerschnitt selbst erhalten bleiben, damit das Eindringen von Geschiebe in die Entnahme moglichst gering ist. Soil der Vorteil der geschiebearmen AuBenseite einer FluBkriimmung genutzt werden, ist die Vorschaltung einer Beruhigungsstrecke vor dem eigentlichen Einlaufquerschnitt notwendig.

5 Wasserfassung

132

Die Dimensionierung des Geschiebekanales (s. Abb. 5.6b) hangt im wesentlichen von den AusmaBen der Umlenkungsstrecke, von den zu erwartenden GeschiebekomgroBen und der zurtickzuhaltenden Geschiebemenge ab. Bei der zwischenzuspeichemden Geschiebemenge muB der KompromiB zwischen der Gefahr der unzulassigen Anlandung bei einem iiberdimensionierten Einlaufbereich und andererseits der Verstopfung bei einer unterdimensionierten Spiilwassermenge gefunden werden. Eine permanente Spiilung des Geschiebekanales ist nicht unbedingt erforderhch, allerdings reduziert diese die Gefahr einer Verstopfung und macht aufwendige Regeleinrichtungen liberflussig. ^^

.

y

Einlaufquerschnitt ^ Anlandung

Qd

Q

Geschiebekänale mit Regulierorganen

^a \^

Abb. 5.6:

Qa

"^^^

r Strömung an der Oberfläche • Sohle •

] Entnahmekanal

Wehr

Geschiebekanal Spülschütz

=?ii:

Qe

- Geschiebebewegung Qa

b

Prinzipskizze der Stimentnahme: a) GrundriB, b) Horizontalschnitt durch das Einlaufbauwerk [nach 5.2]

Einen Sonderfall der Stimentnahme stellt die Pfeilerentnahme dar, bei der das Wasser durch einen Pfeiler, der im FHeBgewasser steht, auf dessen Prallseite entnommen wird, wobei die Wassermengen im Vergleich zum ZufluB nur auBerst gering sein konnen. Bei dieser Entnahmeart wird der sogenannte Pfeilerkopfeffekt ausgeniitzt, bei dem durch das auf den Pfeiler au^rallende Wasser das Sohlmaterial vom Pfeiler wegbewegt wu*d, dadurch ein „Hufeisenkolk" entsteht und weitestgehend geschiebefreies Wasser entnommen werden kann. Bei der Sohlentnahme schlieBlich wird das Triebwasser iiber ein Grundwehr mit liegendem Grobrechen, dessen Stabe in Stromungsrichtung ausgerichtet sind, entnommen, in einem Sammelkanal aufgefangen und quer zum Ufer ausgeleitet (s. Abb. 5.7a und Abb. 7.2). Die KomgroBen, die kleiner als die lichte Weite zwischen den Staben des Grobrechens sind, werden mit dem Wasser entnommen und in einer geeigneten SpUleinrichtung, meist einer Entsanderkammer, von diesem getrennt. Das grobere Geschiebe und auch das meiste Treibgut hingegen werden durch den Rechen abgehalten und verbleiben im FHeBgewasser. Urspriinglich wurde dieser Entnahmetyp, der je nach Bauart auch als Sohlrechen, Grundrechen, Grundwehr, Coanda-Feinrechen (s. Abb. 5.19) und vor allem Tiroler Wehr (s. Abb. 5.7) bezeichnet wird, fur Gebirgsbache mit groBem Grobgeschiebeanfall und extremem Gefalle in den Alpen entwickelt. Mittlerweile jedoch kommt vor allem das Tiroler Wehr aber auch in Mittelgebirgslagen zur Anwendung. Dies rtihrt vor allem daher, daB mit einer derartigen Ausbildung des Entnahmebauwerkes die freie Hochwasserabfiihr direkt iiber das Bauwerk erfolgen kann und die Triebwasserentnahme hierdurch nicht beeintrachtigt wird. Das im Entsander (s. Kapitel 7) zurtickgehaltene Geschiebe wird iiber eine Spiiloffiiung wieder in das FHeBgewasser zuriickgeleitet, wobei das Spiilschiitz iiber

5 Wasserfassung

133

uber Sohlmembranen elektrisch oder durch einen einfachen, vollstandig automatisch arbeitenden Gegengewichtsbehalter mit Wasserftillung gesteuert wird. In Hochgebirgslagen, in denen mit Steinschlag zu rechnen ist, hat sich die Anbringung eines zusatzlichen Steinschlagrechens sehr bewahrt. Durch diesen sehr stabilen Rechen wird das Bauwerk vor einer Beschadigung geschiitzt und ermoglicht bei einem nahezu vollstandig zugeschtittetem Steinschlagrechen durchaus noch eine Triebwasserentnahme (s. Abb. 5.7b).

Vorbecken ^_ Wehrkanal a Abb. 5.7; Schnitt durch ein normales (a) und ein steinschlaggeschiitztes (b) Tiroler Wehr [5.6] 5.1.3

Entnahme aus stehenden Gewassern

Wie bereits ausgefiihrt wurde, stellt die zeitweise Speicherung von Wasser aus energiewutschaftlicher Sicht die optimale Betriebsform dar, da so eine Bewutschaftung des Wasserdargebotes moglich ist. Sofem gtinstige Speicherraume zur Verfugung stehen, ist man bestrebt, zur Erganzung des lokalen, natiirlichen Wasservorkommen auch dasjenige von Seitentalem zur Energieerzeugung mittels Beileitungen heranzuziehen, die entweder direkt in die Triebwasserleitung (insbesondere bei Druckleitungen) oder in den Speicher miinden. Die Entnahme des Triebwassers aus stehenden Gewassern (z. B. Seen, Speicher, Stauanlagen) fiir Mitteldruck- und Hochdruckanlagen erfolgt, abgesehen von den obengenannten Beileitungen, mittels eines unter der Wasseroberflache liegenden Entnahmebauwerkes, das in einem separaten Entnahmeturm oder an der Talflanke angeordnet ist oder vielfach auch in Staumauem (s. Abb. 5.8 sowie Abb. 4.10, 4.11b, 5.1, 5.24c, 13.5) integriert wird. Die Standortwahl des Emlaufes kann im wesentlichen nach dem Gesichtspunkt der Trassenminimierung zwischen Einlauf und Turbine erfolgen. Die Aufgabe des Entnahmebauwerkes beschrankt sich im Grunde darauf, den BeckenzufluB hydraulisch giinstig in den Triebwasserstollen einzuleiten und auf die geforderte Stollengeschwindigkeit zu beschleunigen. Hierzu wird die Leitung im Eintrittsbereich trichterformig erweitert oder bei groBeren Entnahmemengen zu einem eigenen Entnahmeturm ausgebildet (s. Abb. 5.17), wobei eine ausreichende Einlaufuberdeckungshohe vorgesehen werden muB, auf die im folgenden noch eingegangen werden wird. Im Regelfall konnen bei dieser Entnahmeform die obengenannten Reinigungsstufen zur Geschiebeabwehr entfallen, da sich das Geschiebe im Zulaufbereich bereits absetzt, ein stehendes Gewasser also die gleiche Funktion wie ein Geschiebebzw. Sandfang hat. Direkt an der Entnahmestelle wird lediglich ein Grobrechen

134

5 Wasserfassung

zur Abwehr von Treibgut, Fischen etc. angeordnet, bei dem, vor allem bei senkrecht stehenden Rechen, auf eine Rechenreinigungseinrichtung verzichtet werden kann.

Abb. 5.8:

Entnahmebauwerk der Bleilochtalsperre (s. Abb. 4.10)

Besonders jedoch bei kleinen Speicherraumen und hoher Geschiebezufuhr kann infolge der durch die Bewirtschaftung des Speichers veranlaBten, regelmaBigen Absenkung des Stauzieles eine schrittweise Verlagerung des Verlandungskorpers in den Speicherraum hinein erfolgen, bis dieser letztlich gar das Entnahmebauwerk erreicht. Gleichzeitig bewirkt die stete Geschiebezufuhr eine unerwunschte Verringerung des Speichervolumens. Um diese Probleme infolge des Geschiebes in diesen Speichem zu verringem, gibt es im wesentlichen zwei prinzipielle Moglichkeiten. Zum einen kann man im Stauwurzelbereich sogenannte Vorsperren anordnen, die die Funktion eines groi3en Geschiebe- und Sandfanges wahmehmen und in gewissen Zeitabstanden geraumt werden miissen oder gar mit einem SpUlstollen in das Unterwasser versehen werden. Zum anderen kann man je nach Speicherform oder Hauptstromungsrichtung die Ablagerungen im Speicher teilweise oder gar vollstandig aus diesem herausspulen. Da vielfach keine separaten Spiilauslasse vorgesehen werden, werden zu diesem Zweck die im Stauwerk vorhandenen Grundablasse herangezogen, sofem die von ihnen ausgehende Spulwirkung sich auch auf den Entnahmebereich auswirken und dort zu einem befriedigenden Ergebnis fiihren konnte. Eine Sonderlosung stellt die schwimmende Wasserfassung zur Forderung von stark schwebstoffuhrendem Gletscherwasser dar, wie sie erstmals bei dem zur Wasserkraflanlage Grande Dixence gehorenden Ausgleichsbecken Z'Mutt bei Zermatt (Schweiz) zur Ausfiihrung gelangte [5.7]. Sie entnimmt das Wasser stets knapp unter dem Wasserspiegel, da dort die Schwebstofffracht am geringsten ist,

5 Wasserfassung

135

und erspart so die hohen jahrlichen Instandsetzungskosten an den Maschinen. Diese Wasserfassung wurde neu entwickelt, da alle anderen bisherigen MaBnahmen nicht zur gewiinschten, notwendigen Reduzierung der Schwebstofffracht geflihrt hatten. 5.1.4

Bemessungsgrundlagen fur das Einlaufbauwerk

Grundsatzlich ergibt sich der notwendige Einlaufquerschnitt Ae aus der Kontinuitatsgleichung (2.10), wobei eine Eintrittsgeschwindigkeit v von: v = 0,8 ^1,2 [m/s] bzw. in Sonderfallen von:

(5.1a)

(5.1b) v = 0,5-i-l,5 [m/s] anzunehmen ist, damit von vomherein nur eine geringe Geschiebemenge eingetragen wird. Dariiber hinaus ermogUcht diese geringe Einlaufgeschwindigkeit Fischen, sich der daraus resultierenden Sogwirkung noch entziehen zu konnen. Die Veranderung der Stromung und deren Richtung hat infolge der dadurch verursachten zusatzlichen Turbulenz und Reibung stets Verluste zur Folge. Da diese Verluste die Energiegewinnung bei Wasserkraftanlagen bekanntlich nachteilig beeinflussen, ist es wichtig, diese genau zu erfassen und soweit moglich zu reduzieren, indem die mafigebenden Stromungsbedingungen durch entsprechende BaumaBnahmen optimiert werden (s. Kapitel 2.1.3). Fur die bestmogliche Ausgestaltung und Anordnung dieser Bauwerke einschlieBlich der zugehorenden Komponenten (Trennpfeiler, Tauchwande, Rechen etc.) stehen heute ausgereifte numerische Modelle zur Verfiigung, mit Hilfe derer die haufig komplexen Stromungsverhaltnisse far unterschiedliche Betriebszustande simuliert werden konnen (s. a. Kapitel 14.2.7). Diese Vorgehensweise ist meist auch bei kleineren Wasserkraftanlagen wirtschaftlich, da sowohl der vermiedene Energieverlust am Einlaufl)auwerk als auch die verbesserte Turbinenanstromung und der daraus resultierende hohere Turbinenwirkungsgrad die hierflir notwendigen Aufwendungen deutlich kompensieren. So hat der Eintritt von Wasser in einen Turbineneinlauf, einen Werkkanal oder eine geschlossene Triebwasserleitung durch die erzwungene Stromungsumlenkung eine mehr oder weniger starke Ablosungserscheinung kn Einlaufbereich zur Folge, aus der ein Energiehohenverlust, der Einlaufverlust /?v,e, resultiert. Dieser Verlust richtet sich dabei nach der Ausgestaltung des Einlaufbereiches und ergibt sich mit dem jeweiligen Verlustbeiwert Q Air Einlaufe (s. Abb. 5.9) aus (2.8) zu: /A..e=C.~ hye Ce

[m]

Einlaufverlust Verlustbeiwert fur Einlaufe s. Abb. 5.9

(5.2) [m] [-]

Weitere Verluste treten an horizontalen oder vertikalen Querschnittsanderungen, in Form von positiven oder negativen Stufen, kombiniert als Sohlschwellen bezeichnet, Verbreiterungen oder Verengungen auf, die im Bereich der Wasserfassung vielfach aus konstruktiven Griinden vorhanden sind.

5 Wasserfassung

136

v

a

v III! I

\ 7

^ (^e= 0,50-0,60

(^e= 0,30-0,40

^v^

v

(^e= 0,06-0,10

^v^

v*

b v

P^

v

(^e= 0,60-1,30

l

v C-0,25

^0,50

C ~ 0,06-0,10

Verlustbeiwerte (^^ fiir a) Werkkanaleinlaufe, b) Stollen- und Rohreinlaufe [nach 5.8]

Abb. 5.9:

Um die Beeintrachtigung des Abflusses durch eine Querschnittsanderung ermitteln zu konnen, muB zuerst die dimensionslose stromungsmechanische Froudesche Kennzahl Fr eingeflihrt werden, die das Verhaltnis von Tragheitskraft zu Schwerkraft wiedergibt und definiert ist zu: Fr

(5.3)

[-]

Fr

Froudesche Kennzahl

[-] I

^ - _ _ _

_ _v,qh_

v,qh

h1

E1

h

h1

h

s a

1

v1

E1

1

2,

I

f-.

--v2_/2g\i______lhv,qh -T-v2

Abb. 5.10:

hE2

2 2

v1/2g__

1

h2

s b

2

c

v2"

T

h2

E

2

LL (2)

Definitionsskizze fur Querschnittsanderungen: a) positive Stufe; b) negative Stufe; c) Sohlschwelle [5.8]

Damit ergibt sich das Verhaltnis der Wasserspiegel an einer Stufe bzw. Sohlschwelle (s. Abb. 5.10) zu [5.8]/[5.9]: 8'Fr/ hj~

2

+ 1-c^

k^

1-c-

K

[-]

(5.4)

5 Wasserfassung

137

mit dem Beiwert c fiir Stufen (oberes Vorzeichen fur positive Stufe, unteres Vorzeichen ftir negative Stufe):

±2-s/hj c«-

(5.5a)

[-]

bzw. fur Sohlschwellen: c«2

[-]

(5.5b)

hj Wasserspiegelhohe am Punkt i [m] c Beiwert H [m] s Hohe der Stufe bzw. Sohlschwelle woraus iterativ am Punkt 2 der Querschnitt A2 bzw. der Einlaufquerschnitt AQ SOwie mit der Kontmuitatsgleichung der AbfluB Q2 ermittelt werden kann. Der Verlustbeiwert ^/^ fiir Stufen ergibt sich dann bei gleicher Vorzeichenanordnung wie oben (oberes Vorzeichen fiir positive Stufe, unteres Vorzeichen fur negative Stufe) zu: \^ r l-h2/h,+s/h] -1 [-] (5.6a) 1+2 C?A -

Frf

bzw. fur Sohlschwellen: ^qh

-

1-^2

l-h2/hj

-1

[-]

(5,6b)

^qh Verlustbeiwert fiir Stufen bzw. Sohlschwellen [-] und damit die Verlusthohe hv^qh der Stufe bzw. Sohlschwelle mit der bekannten Beziehung (2.8) zu: h

-r

.^2- [m] 2g

(5.7)

[m] hyqh Stufen- bzw. Sohlschwellenverlust Da bei den vertikalen Querschnittsanderungen, also Verbreiterungen oder Verengungen, zwischen den Abfliissen in einer Freispiegelleitung und in einer Druckrohrleitung bzw. -stollen unterschieden werden muB, wird far die Verlustberechnung auf die beiden entsprechenden Kapitel 6 und 8 bzw. 9 verwiesen. In einigen Fallen befinden sich im Einlaufbauwerk weitere, unvermeidbare Einbauten, vor allem Pfeiler (s. Abb. 5.11), insbesondere im Einlaufbereich (Trennpfeiler) oder auch Bruckenwiderlager, die eine Stromungsbeeintrachtigung und damit ortliche Energiehohenverluste bewirken. Die Stauhohe z ftir stromenden AbfluB, das ist ein unterkritischer AbfluB mit kleinerer Geschwindigkeit bei groBer Wassertiefe und Fr
[m] 2g

(5.8a)

5 Wasserfassung

138

bzw. fur den im Bereich der Wasserkraftanlagen selteneren Fall des schieBenden Abflusses, also einen iiberkritischen AbfluB mit groBer Geschwindigkeit bei kleiner Wassertiefe und Fr>\ (s. Kapitel 6), sowie des FlieBwechsels von stromendem zu schieBendem AbfluB naherungsweise zu: z = hj-h2

[m]

(5.8b)

mit

a = l-(J^b!)/b

[-]

(5.9)

und damit die Verlusthohe Kp des Pfeileraufstaues zu:

v|-v/ 2g

Ki

[m]

(5.10)

Stauhohe Verbauungsverhaltnis Gerinnebreite im verbauten Querschnitt Gerinnebreite (unverbaut) Pfeilerformbeiwert s. Abb. 5.1 lb Pfeilerverlust

a b 5 Kp V

[

2

V ^ v ^7^

2g

2g

1

? — zT

i /

v2

5Z 2 ~=~

2g

h2

•

v2

V

h2

^

(1)

(2)

C

v1

1 '•-

b

v2 C

a

v,p :

v2

V

/ ^

h1 v 1

Schießen

^~^~-~^-_ ^

Strömen h1

V

^

*-

[m] [-] [m] [m] [-] [m]

SH|

;

1

b

6 = 3,90 2,10

1,45

2,87

1,53

1,00

1,32

0,81

0,55

1,19

1,00

0,81

Abb. 5.11: Pfeilerstau: a) Definitionsskizze bei stromendem AbfluB; b) Pfeilerformbeiwerte (5'[nach 5.8] Ebenso treten bei Verzweigungen oder Abzweigen Verluste infolge der Stromungsbeeinflussung auf, die sogenannten Verzweigungsverluste h^^, die insbesondere von der Gerinneform und der AbfluBart abhangig sind. Fur die bei Einlaufbauwerken sehr haufig anzutreffenden Rechteckgerinne (s. Abb. 5.12) lassen

5 Wasserfassung

139

sich die Wasserspiegelhohen bzw. Abflusse aus der Energiegleichung (2.6) berechnen zu:

hE=hWl2g

= h+

Q'l[2g'h''b') [m]

(5.11)

mit der Verlusthohe Kza bzw. /Zv.zj und dem Verlustbeiwert Qa bzw. Qd fur Verzweigungen (s. Tabelle 5.2): hv,zi=Zzr—K,zi Qi

(5.12)

[m]

Verzweigungsverlust im Abzweig/Hauptgerinne Verzweigungsverlustbeiwert s. Tabelle 5.2

[m] [-]

t

Av2/2g

b

Q

h T

(b)

A

• •

\ y - - - - - - - - - - - - - - - - - v 2/ 2 g J

1- h

Q

hE,d

v

X. ^v

\.^ \ Q-x \ v a2/2g

SH

Abb. 5.12: Verzweigungsverluste in Rechteckgerinnen: a) GrundriB, b) Seitenansicht Tabelle 5.2: Verlustbeiwerte Qa bzw. Qd fur Verzweigungen von Rechteckgerinnen [5.10]

e/e 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1 1,0

40° 0,296 0,296 0,316 0,347 0,405 0,468 0,545 0,636 0,741 0,854 0,980

50° 0,440 0,442 0,458 0,484 0,524 0,572 0,636 0,706 0,792 0,882 0,980

Ca Verzweigungswinkel 5 70° 80° 90° 60° 0,602 0,980 0,783 1,200 0,593 0,755 0,923 1,104 1,017 0,591 0,736 0,874 0,607 0,730 0,840 0,954 0,628 0,734 0,820 0,904 0,662 0,814 0,870 0,744 0,708 0,763 0,824 0,858 0,763 0,810 0,844 0,865 0,832 0,882 0,888 0,861 0,904 0,927 0,927 0,918 0,980 0,980 0,980 0,980

Czd

100° 40°^100° 0,440 1,432 0,340 1,278 1,145 0,246 1,048 0,160 0,963 0,076 0,907 0,004 0,876 -0,054 0,868 -0,084 0,888 -0,092 0,927 -0,600 0,980 0,000

Fiir Gerinne, die keinen Rechteckquerschnitt aufweisen, koimen die oben in Tabelle 5.2 aufgefiihrten Werte nur liberschlagig verwandt werden, da es ftir diese Gerinne keine verallgemeinerten Berechnungsansatze gibt. Es ist daher empfehlenswert, zur Verifiziemng der Ergebnisse einen Modellversuch durchzufiihren.

140

5 Wasserfassung

Wird das Entnahmebauwerk in einer Kriimmung angeordnet, so sind die durch diese Stromungsbeeinflussung resultierenden Verluste noch zusatzlich zu berucksichtigen. Da diese Anordnung bei Wasserfassungen selten anzutreffen ist, wird an dieser Stelle fur die Berechnung der Energiehohenverluste infolge der Kriimmung auf die Kapitel 6 und 8 bzw. 9 verwiesen. Im Einlaufquerschnitt der unterschiedlichen Entnahmeformen, vor allem bei der Seitenentnahme, befmden sich in vielen Fallen Einbauten, die den AbfluB und den Geschiebeeintrag steuem sollen und gleichzeitig Verluste erzeugen. Eine der wesentlichen Entnahmeformen stellt die senkrecht angestromte Entnahme mit freier Oberflache Uber einen uberstromten Wehrkorper dar, der auch beweglich als VerschluB ausgebildet werden kann, oder Uber eine Sohlschwelle. Wird bei einem AbfluB Uber einen Wehrkorper oder ahnlichem der AbfluBvorgang, d. h. die Uberstromung nicht beeintrachtigt und damit der Oberwasserstand durch das Unterwasser nicht beeinfluBt, so bezeichnet man den Uberfall als voUkommen, im anderen Fall als unvollkommen (s. Abb. 5.13a); er wird allgemein fur Rechteckgerinne vereinfacht berechnet zu: (5.13)

[mVs]

Q =

-'[iu'C'bu

/jji c

Uberfallbeiwert (s. Tabelle 5.3) [-] Korrekturbeiwert: fiirvollkommenenUberfall: c= \ [-] fur unvollkommenen Uberfall s. Abb. 5.13b Breite der Uberfallkrone [m] Uberfallhohe [m]

bii hji

1,0

t

1

hü'/hü|

::::;3

0,8

2\

4 N

\5 h '

0,6

UW bei unvollk. Überfall

1 f

UW bei vollk. Überfall

~n breitkronig

2 y/^\

dachförmig

3 r^\

rundkronigh ü /w=1

0,4

Qa

4 ru ndkronig hü/w<0,42 0,2 scharfkantig

5

b 0

0,2

0,4

0,6

0,8 c—

1,0

Abb. 5.13: a) Entnahme mit freier Oberflache; b) Korrekturbeiwert c fur unvollkommenen Uberfall [nach 5.8] Eine weitere Moglichkeit der Wasserentnahme bietet sich mit unterstromten Schutzen, bei denen man zwischen den FreispiegelschUtzen (s. Abb. 5.14a), also SchUtzen in einem FlieBgewasser, und den TiefschUtzen, die sich unter der Wasserspiegeloberflache im Einlaufbereich zu einem Freispiegel- oder Druckstollen befinden und Uber den gesamten Umfang der rechteckigen SchUtzentafel abgedichtet sind, unterscheidet. Auch bei TiefschUtzen muB letztlich wieder die Unter-

5 Wasserfassung

141

scheidung zwischen vollkommenem und unvollkommenem AusfluB hinter dem Schiitz vorgenommen werden. Tabelle 5.3: Anhaltswerte fur Uberfallbeiwerte /y^ (Form s. auch Abb. 5.13b) [5.8]/[5.11] Kronenform

Nr. in Abb. 5.13

/4

fbreit, scharfkantig, waagrecht 0,49^0,51 fbreit, mit gut abgerundeten Kanten, waagrecht 0,50 -^ 0,55 Idachfbrmig, mit abgerundeter Krone 0,79 fbreit, vollstandig abgerundet, z. B. mit ganz umgelegter Stauklappe 0,65 ^ 0,73 Irundkronig, mit lotrechter Ober- und geneigter Unterwasserseite 0,75 ca. 0,64 Ischarfkantig, mit BelUftung des Strahles

1

1 2

-3/4

5

1

Ftir Freispiegelschiitze ergibt sich der AusfluB Q zu: Q = \ia-^-a'bu'yJ2'g-h

(5.14)

[mVs]

AusfluBbeiwert s. Abb. 5.14b/c Korrekturbeiwert: fur voUkommenen AusfluB: K=\ fiir unvollkommenen AusfluB s. Abb. 5.14d Oimungshohe des Sc:hut

K

a

OW 1

90°

f

75°

^ 1

UW bei unvollk. Ausfluß

m

p

'

[-] [-] [m]

n

^

^ ^

h.1

^

60°

h

1

^

* ^ UW bei vollk. Ausfluß

45°

aT•

15°

'

—•Q

0°

(a) 0,9

I

0,50

fa

'

0,5

0,55

0,60

30°

I

c.

2

Abb. 5.14:

0,4

60°

/ /^ /^

00 4

8

10

h/a

0,70

0,75

1

0,2

90°

0,65

(1 \ k \ \ \ s\ \\ \ > N ^ ^ \ v\ \ \A \^v^ \s \\\ \ \ \ \ \^ ^\ a^ \ c c^

0,8

4 •5° _

0,6

\

5 6

8

^a

1,0

— P= 15

0,8 0,7

h/a = ^2,5 3 3,5 4

(b)

n<

h

a^

30°

^ •

hr

2

4

6

8

10

12

0,80 0,85

^-. N^

V\ 14

P' \k

\ ^

16 hu/a •20

(d) 14

Freispiegelschiitz: a) Defmitionsskizze; b) AusfluBbeiwert jUa fur Segmentschutze; c) AusfluBbeiwert jUa fiir Planschtitze; d) Korrekturbeiwert K fiir unvollkommenen AusfluB [5.8]

Bei Freispiegelschiitzen kann man, vor allem wenn deren AusfluB an der Gerinnesohle liegt, den geringen ReibungseinfluB vemachlassigen und muB lediglich den Einlaufverlust /?v,e gemaB (5.2) berticksichtigen.

142

5 Wasserfassung

Insbesondere bei der Entnahme aus stehenden Gewassem trifft man Tiefschiitze an, die sowohl als regulare VerschluBorgane als auch als Notverschlusse ausgefiihrt werden. Bei Wasserkraftanlagen werden Tiefschiitze jedoch im allgemeinen nicht als Regulierorgane zur AbfluBsteuerung (s. Abschnitt 5.3), sondem lediglich zum AbschluB der Triebwasserleitung eingesetzt. Bei der Dimensionierung der Wasserfassung mtissen daher diese nur insoweit berucksichtigt werden, als sie Einbauten darstellen, die einen ortlichen Verlust erzeugen. Bei Grundablassen, bei denen Tiefschiitze zur AbfluBregulierung eingesetzt werden und damit langere Zeit in Zwischenstellungen zwischen voUstandig geschlossen und geoffiiet verbleiben, konnen die mannigfaltigen Probleme der Beliiftung und damit der Kavitationsgefahr, der Schwingungsprobleme, des sogenannten Downpulls etc. im emzelnen nicht unberiicksichtigt bleiben. Um bei Einlaufbauwerken, die unter der Wasserspiegeloberflache liegen, eine Wirbelbildung mit unterschiedlichen Folgen, vor allem Minderung der entnehmbaren Wassermenge, Druckschwankungen oder unkontrollierter Lufteintrag, der neben erheblichen Leistungsminderungen auch Schaden erzeugen kann, zu vermeiden, muB eine ausreichende Einlaufiiberdeckungshohe he,u beriicksichtigt werden. Nach GORDON [5.12] betragt die erforderliche Einlaufiiberdeckungshohe ftir horizontale Einlaufe, die bei Wasserkraftanlagen iiberwiegen (s. Abb. 5.15): he,,=C'V'4dl^ he^ii C d

[m]

Einlaufuberdeckungshohe Konstante: C ^ 1,70 fur symmetrische Anstromung C = 2,30 fur asymmetrische Anstromung Rohrdurchmesser

(5.15) [m] [-] [m]

Abb. 5.15: Definitionsskizze zur Einlaufuberdeckungshohe 1st die erforderliche Einlaufuberdeckungshohe nicht einzuhalten, so kann durch Verkleinerung der Zirkulation mittels Einbauten, VergroBerung des Emlaufquerschnittes und Wahl einer giinstigeren Einlaufrichtung versucht werden, die Wirbelbildung und den Lufteintrag zu verringem. Derartige Sonderfalle bediirfen jedoch ausreichender Erfahrung und machen in vielen Fallen einen Modellversuch erforderlich. Eine Moglichkeit der Seitenentnahme ist die Entnahme des Triebwassers iiber ein Streichwehr ohne oder mit aufgesetztem beweglichen VerschluB, das ab einem festgelegtem AbfluB das Wasser aus dem FlieBgewasser seitlich abfiihrt und damit z. B. ftir Mindestwasserregelungen von Interesse ist (s. Abb. 5.16). Fiir die Berechnung des Abflusses iiber ein Streichwehr in einem Rechteckgerinne muB das Stromungsverhalten im FlieBgewasser beriicksichtigt werden, wobei im Bereich der Wasserkraftanlagen nur der verhaltnismaBig einfach zu be-

5 Wasserfassung

143

rechnende Fall des stromenden Abflusses mit Fr < I im Oberwasser, besser noch Fr < 0,75, von Bedeutung ist, da nur hier ein groBerer AbfluB iiber das Streichwehr zu erwarten ist. Vereinfachend kann der AbfluB entlang des Streichwehres als geradlinig angenommen werden (s. Abb. 5.16b), er ergibt sich zu: hi =-{hi

+ hn)

(5.16)

[m]

wobei die tJberfallhohe hjj im Punkt / / aus den AbfluBbedingungen im Unterwasser des Hauptgerinnes folgt: hii =hd-w

[m]

(5.17a)

und die Uberfallhohe hi im Punkt / sich aus dem Energiehohenvergleich bestimmen laBt: hi = hii +

vi 2g

Q' 2g'b'-{hi+w)

[m]

(5.17b) [m]

Wehrruckenhohe

Abb. 5.16:

Streichwehr: a) GrundriB; b) Seitenansicht

Damit laBt sich der AbfluB tiber das Streichwehr aus der modifizierten Uberfallformel (5.13) ermitteln, wobei nun die Streichwehrlange L der Breite bu des Wehriiberfalles entspricht und der Uberfallbeiwert / 4 zu maximal 95 % des Wertes des senkrecht angestromten Wertes (s. Tabelle 5.3) angenommen werden sollte [5.13]: Qa=0^95'

2 I— -'\iu'C'L'^2'g'hi^

Streichwehrlange

y

[mVs]

(5.18) [m]

144

5 Wasserfassung

Fiir die bei Wasserkraftanlagen selteneren Falle mit einer hoheren Froude-Zahl Oder anderen Gerinneformen empflehlt sich ein Modellversuch, da eine rein rechnerische Erfassimg des Abflusses nur fiir wenige spezielle Falle bisher zuverlassig vorgenommen werden kann. Um die Entnahmefortnen hier vollstandig aufzufiihren, soil auch auf den fiir Wasserfassungen bei Wasserkraftanlagen im Prinzip ungebrauchlichen ringformigen Uberfall eingegangen werden (s. Abb. 5.17). Dieser kommt vor allem bei Hochwasserentlastungen, seltener bei der Entnahme aus Speichem zum Einsatz. Sein AbfluB kann ebenso aus der Uberfallformel (5.13) entwickelt werden und ergibt sich fiir vollkommenen AbfluB bei einer gleichmaBigen Anstromung mit dem wirksamen Umfang t/anstelle der Uberfallkronenbreite ba zu: Q = -'[i',-U-^'ht'

(5.19)

[mVs]

ju'ii Uberfallbeiwerts. Abb. 5.17c [-] wobei bei dem wirksamen Umfang U gegebenenfalls die Breite der aus stromungstechnischen Grtinden vor allem zur Vermeidung von Wirbeln aufgesetzten Pfeiler abgezogen wird:

-Y.^: [m]

U- • n-d-YK,

(5.20)

U wirksamer Umfang des Uberfalles [m] d Durchmesser der Oberfallkrone [m] Zbpi Breite der aufgesetzten Pfeiler [m] Bei einem unvollkommenen AbfluB wird dieser zum einen durch das AbfluBvermogen des ringformigen Uberfalles und zum anderen durch das AbfluBvermogen des anschlieBenden Rohres bzw. Stollens begrenzt. Bei dem speziellen Einsatzgebiet der Hochwasserentlastung sollte dieser AbfluBzustand vermieden und stets ein vollkommener AbfluB angestrebt werden. Der Vollstandigkeit halber sei hier noch auf die erforderliche Beliiftung des anschlieBenden Rohres bzw. Stollens hingewiesen, da sonst Unterdriicke und damit Kavitationsschaden auBer der Beulgefahr entstehen konnen. Des weiteren sollte bei Anordnung des ringformigen tjberfalles in Ufemahe ein Uferabstand eingehalten werden, der mindestens dem zweifachen Durchmesser der Uberfallkrone entspricht, um eine gleichmaBige Anstromung zu erzielen. d

0,75 f^´ ü

0,70

yke lchför mig 0,65

0,60

c Abb. 5.17

0,55

sc harfkan tig

h ü /dl 0

0,1

0,2

0,3

Ringformiger Uberfall: a) kelchformig; b) scharfkantig zylindrisch; c) Uberfallbeiwert ju\ [nach 5.8]

5 Wasserfassung

145

Die Sohlentnahme uber ein Tiroler Wehr stellt eine weitere Entnahmeform dar, deren hydraulische Dimensionierung bei den heutigen Betriebsweisen, die eine Standardisierung der einzelnen Konstruktionselemente zulassen, mit einer fur die Praxis ausreichenden Genauigkeit rein rechnerisch anhand der zur Verfugung stehenden Dimensionierungsdiagramme erfolgen kann. Dabei konnen spezifische AbfluBspenden von mindestens 180 1/skm^ bis maximal 250 1/skm^ angenommen werden, womit der AusbaudurchfluB Qa der Wasserfassung zwischen 0,5 mVs und 6,0 m^/s liegt. Konstruktionsbedingt tritt bei diesem Entnahmetyp ein Fallhohenverlust von ca. 1-3 m auf. Aus Abb. 5.18 kann die erforderliche Lange des Rechens L in Abhangigkeit des spezifischen Abflusses q, des Quotienten aus AusbaudurchfluB Qa und der Rechenbreite B, sowie der gebrauchlichen Rechenneigungen von 20 % und 30 % ermittelt werden. Da die Wasserfassungen vielfach schwer zuganglich sind und auch bei teilweiser Verlegung noch ausreichend funktionieren mtissen, wird in der Praxis als Rechenlange L des Tiroler Wehres die 1,5- bis 2,0-fache errechnete Lange Lynin angenommen. Die Spaltweite der Einlaufrechen kann meist mit 150 mm angesetzt werden, damit der Rechen moglichst selten verlegt. Auch wenn dadurch verhaltnismaBig viel Geschiebe eingezogen wird, so ist doch der Wasserverlust infolge Spulung des anschlieBenden Sandfanges (s. Kapitel 7) geringer als der durch Rechenverlegung hervorgerufene Wasserverlust. Bei der Form der Rechenstabe haben sich abgerundete, nach unten verjiingende Querschnitte sehr bewahrt, z. B. fischbauchformige Rechenstabe, da bei diesen der Wasserverlust und eine Verlegungsgefahr gering sind.

2,0

1,5 —

1,0 Y (4) 2,0·Lmin bei 20% Rechenneigung (5) 1,5·Lmin bei 30% Rechenneigung (6) 2,0·L min bei 30% Rechenneigung

0,5 L

erforderliche Wehrkanaltiefe h 0 : 1 bei 30% Rechenneigung und einer Rechenlänge von 'L=-2,0·Lmin (2) bei 20% Rechenneigung und einer Rechenlänge von L=2,0·L min 0,0 [ 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

h0 bzw. L [m]

Abb. 5.18: Bemessungsdiagramm fur die erforderliche Wehrkanaltiefe ho (Kurven 1 und 2) sowie fiir die Lange L des Einlaufrechens (Kurven 3 bis 6) eines Tiroler Wehres in Abhangigkeit des spezifischen Abflusses q = Qa/B [nach 5.6] Auch bei ausreichender Dunensionierung der Rechenlange und der Spaltweite kann bei nicht ausreichender Wehrkanahiefe ho Wasser verloren gehen, bevor noch der AusbaudurchfluB erreicht wird. Aus dem Diagramm in Abb. 5.18 geht die erforderliche Wehrkanahiefe ho fur die Rechenneigung 20 % oder 30 % hervor, wobei eine Rechenlange L = 2 • Lmm zugrunde gelegt wurde. Eine flachere

146

5 Wasserfassung

Neigung als 20 % sollte keinesfalls gewahlt werden, da sonst die Gefahr der Verlegung durch Laub und Aste besteht. Bei der in Europa bisher noch nicht sehr haufig gebrauchlichen Form der Sohlentnahme iiber einen Coanda-Feinrechen wird der Wandhaftungseffekt, der sogenannte Coanda-Effekt, bei der gleichmaBigen Uberstromung eines abgerundeten Wehrkorpers ausgeniitzt und das Triebwasser iiber quer zu dessen FlieBrichtung angeordnete Rechenstabe entnommen (s. Abb. 5.19). Bei einem iiblichen Stababstand von 1 mm werden iiber 90 % der Feststoffe mit einer GroBe iiber 0,5 mm abgehalten und mit dem iiberflieBenden Wasser ins Unterwasser abgespiilt, so daB in vielen Fallen die Anordnung eines Sandfanges nicht mehr notwendig ist. Das spezifische Schluckvermogen ist bei gleichmaBiger Anstromung iiber die ganze Breite auf 140 1/sm begrenzt, wodurch sich die jeweils notwendige Breite des aus rostfreiem Stahl gefertigten Rechens ergibt. Bei einem konstant vorhandenen AbfluB bis zu Temperaturen von -20 °C treten normalerweise keine Beeintrachtigungen durch Zufrieren auf. Bedingt durch die Funktionsweise benotigt der Rechen eine durchschnittliche Neigung von ca. 1 : 1,2, die wiederum einen Verlust der nutzbaren Fallhohe von etwa 1 m zur Folge hat. Aufgrund der Erfahrung bei in Betrieb befmdlichen Anlagen hat sich gezeigt, daB die Wirtschaftlichkeit ernes Coanda-Feinrechens ab einer Fallhohe von ca. 30 m gegeben ist; darunter sollte dies iiberpriift werden. Der Coanda-Rechen kann ahnlich einem Tiroler Wehr entweder im Gewasser selbst (s. Abb. 5.19b) oder in einem separaten, von der GewasserflieBrichtung unabhangigen Entnahmebauwerk (s. Abb. 5.19c) angeordnet werden. Letzteres bietet sich vor allem dann an, wenn dieser Rechen einerseits mit einem Geschiebefang kombiniert werden soil und andererseits eine langere spezifische Rechenlange notwendig ist, um die erwiinschte Wassermenge trotz begrenzter raumlicher Verhaltnisse entnehmen zu konnen. (a)

fftf

' Beschleunigungsstrecke ' Coanda-Rechen

Fassung

Überschußwasser + Feststoffe ^ Triebwasserleitung

Abb. 5.19: Prinzip der Sohlentnahme mit Coanda-Rechen: a) Ansicht Wehrbauweise; b) Schnitt Wehrbauweise; c) Schnitt Entnahmebauwerk [nach 5.14]

5 Wasserfassung 5.2

147

Schutz gegen Treibgut und Treibeis

Fur den Schutz gegen Treibgut und Treibeis gelten bei der Entnahme von Triebwasser aus FlieBgewassem im Prinzip andere Gesichtspunkte der baulichen Anordnung, als wie sie zur Vermeidung des Geschiebeeintrages zu beachten waren. Durch die Sekundarstromung wird, wie oben beschrieben, das Geschiebe an der Sohle in einer Flul3krummung zur Innenseite hin gefiihrt, gleichzeitig bewegt sich jedoch das Treibgut an und direkt unter der Wasseroberflache in Richtung der AuBenseite. Die Entscheidung, welche der beiden Erscheinungsformen maBgeblich ist, fallt meist zugunsten der Femhaltung des Geschiebes, da auch die Femhaltung von Treibgut konstruktiv verhaltnismaBig einfach zu bewerkstelligen ist. Fur die Abhaltung des Treibgutes - also Geschwemmsel auf der Wasseroberflache, Schwimmstoffe unter der Wasseroberflache - sowie Treibeis kommen Rechen, Tauchwand, Schwimmbalken oder Kombinationen in Betracht [5.15]. In Gegenden mit kaltem Klima ist eine Eisbildung moglich, die am Einlaufbauwerk und in sehr langen Triebwasserkanalen (s. a. Kapitel 6.1) einen negativen EinfluB auf den reibungsfreien Betrieb der Wasserkraftanlage haben kann. Treibeis an der Wasseroberflache bedeutet keine besondere Gefahr fiir das Kraflwerk, da ein Femhalten desselben durch entsprechende Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Tauchwand oder einen Schwimmbalken, relativ einfach mogHch ist. In vielen Fallen bildet sich aus dem Treibeis eine geschlossene Eisdecke, die zwar den Einlauf- bzw. Kanalquerschnitt verringert, gleichzeitig aber in einigen Fallen durchaus in Kauf genommen werden kann. Altemativ kann das oberflachennah antreibende Eis bei FluBkraftwerkseinlaufen uber entsprechende Eisklappen und anschlieBende Eiskanale ins Unterwasser abgeschwemmt werden, so daB sich direkt vor dem Krafthaus selbst keine dickere Eisdecke ausbildet. Auf diese Weise konnen die Rechenreinigungsemrichtungen sowie eventuell vorhandene Verschliisse weiterhin ungestort betrieben und darUber hinaus einseitige Belastungen des Bauwerks sowie der Einrichtungen vermieden werden. Um auch in langer andauemden Kalteperioden vor derartigen Einlaufen eine geschlossene Eisdecke zu verhindem, hat sich ebenso wie an Wehranlagen vielfach das Einperlen bzw. Einblasen von Druckluft unter der Wasseroberflache uber entsprechende Rohr- oder Schlauchleitungssysteme als kostengunstige und effektive Methode bewahrt. Auch bei Pumpspeicherkraftwerken werden mit diesem System die Betriebseinrichtungen vor allem bei den haufig exponiert liegenden Oberbecken freigehalten (s. a. Kapitel 17.4). Sehr viel gefahrlicher fur den konstanten Betrieb ist hingegen das Grundeis und das mit dem Wasser mittransportierte Breieis, deren Entstehung noch nicht abschlieBend geklart ist [5.16]. Es gilt als relativ sicher, daB die Unterkuhlung des Wassers unter den Gefrierpunkt ausschlaggebend ist, wobei diese wiederum durch die Wasserqualitat (Sediment- und Salzgehalt), die AbkUhlungsrate und die FlieBart (Turbulenz und Geschwindigkeitsverteilung) beeinfluBt wu*d. Zur Abwehr des Grund- und Breieises und zur Gewahrleistung ernes kontrollierten Betriebes der Wasserkraftanlage in langeren Kalteperioden ist neben einer moglichst genauen Vorhersage der Eisentwicklung die gezielte Forderung einer geschlossenen Eisdecke an der Wasseroberflache, die eine sehr erfolgreiche Moglichkeit zur Verringerung der Grund- und Breieisentwicklung darstellt, notwendig.

148

5 Wasserfassung

Die geschlossene Eisdecke vor dem Einlaufbauwerk bzw. im Triebwasserkanal, die beispielsweise durch eine vorubergehende AuBerbetriebnahme der Wasserkraftanlage erreicht werden kann, verringert die Turbulenz und den Warmeaustausch mit der Luft an der Wasseroberflache. 5.2.1

Rechenanlagen

5.2.1.1 Konstruktive Ausbildung Zu den Rechenanlagen gehoren neben den Rechen, bei denen man zwischen den Grob- und den Feinrechen unterscheidet, auch die Einrichtungen zur Wartung der Rechen, also insbesondere die Rechenreinigungsgerate. Der Grobrechen ist bei alien Kraftwerkstypen anzutreffen, und seine Aufgabe besteht darin, grobes Treibgut femzuhalten. Er befmdet sich normalerweise im Entnahmequerschnitt, die weiteren Details fur die bauliche Durchbildung sind bereits in den vorhergehenden Abschnitten behandelt worden. Der Feinrechen ist immer dann anzutreffen, wenn die Triebwasserleitung und die Maschmen ein von feinem Treibgut befreites Wasser erfordem, wobei er sich am Eintritt in den geschlossenen Teil des Triebwasserweges befindet. Andemfalls soUte der daran anschlieBende Abschnitt durch fest montierte Gitter oder ahnliches abgedeckt werden. Die Rechen setzen sich meist aus senkrechten, selten horizontalen Staben zusammen, um eine Reinigung durch entsprechende Maschinen zu erleichtem. Dabei kann die Verwendung von unterschiedlichen Profilstaben (s. Abb. 5.20), die abwechsehid angeordnet werden, in speziellen Fallen zu besseren Reinigungsergebnissen fuhren. Eine sinnvolle Alternative konnen auch Lochblechrechen darstellen, wobei diese sowohl als senkrecht als auch seitlich der Hauptstromung des genutzten Gewassers angeordnet werden konnen [5.17]. Bei diesem Rechentyp werden handelsiibliche Lochbleche mit einer Lochung von ca. 20-25 mm und einem Lochanteil von etwa 50-56 % verwendet. Um keine zu groBen Verluste zu erhalten, sollte die Geschwindigkeit in den Lochem ca. 0,6 m/s betragen, so daB die Querschnittsflache entsprechend bemessen werden muB. Aufgrund der geringeren Stabilitat der gelochten Bleche bedtirfen diese auf der Rtick- bzw. Abstromseite einer Stiitzkonstruktion. Die Reinigung erfolgt meist (iber Horizontah-einiger, die von einer Spulstromung unterstiitzt werden konnen, indem ein entsprechendes Spulschiitz kurzzeitig geoffiiet wird. Infolge der Stromungsgeschwindigkeit sowie emer moglichen Verlegung des Rechens durch Treibgut und Treibeis wu*d dieser einer statischen und auch dynamischen Belastung ausgesetzt werden. Es ist daher im allgemeinen iiblich, die Rechen so zu dimensionieren, daB diese mindestens dem ortlichen statischen Druck standhalten. Die Kraftiibertragung auf die StUtzwande erfolgt durch stromungsgtinstig geformte, horizontale Quertrager sowie den Rahmen des Rechenfeldes, auf denen die einzelnen Rechentafebi aufliegen. Diese Rechentafebi bestehen iiblicherweise aus 1,0-1,5 m breiten Elementen, deren einzelne Stabe durch mehrere Verbindungsstangen mit Distanzringen fest miteinander verbunden sind. Der Stababstand ergibt sich aus den maximal moglichen MaBen des Treibgutes im Triebwasser, das die Maschineneinrichtungen im Krafthaus (Leitapparat, Tur-

5 Wasserfassung

149

binenschaufeln etc.) ohne Schadensfolge verarbeiten konnen; gleichzeitig muB der mit einem enger werdenden Rechenstababstand steigende Stromungswiderstand berucksichtigt werden, der wiederum die Energieausbeute verringert. Hinzu kommt, daB ab einem gewissen Grenzabstand nach unten die Rechenreinigung nurmehr mit groBem Aufwand oder gar nicht moglich ist, da sich vor allem fasrige Materialien nicht mehr abstreifen lassen. Grobrechen erhalten in der Regel Durchgange von 50-100 mm, bei Feinrechen variiert der Stababstand zwischen 20-30 mm. Die Rechenneigung bewegt sich iiblicherweise im Bereich von 70-80° gegenuber der Horizontalen. Eine ausnahmsweise Reduzierung der Stabweiten unter dem Aspekt des Schutzes von Fischen auf einen Abstand von ca. 20 mm ist bei Wasserkraftanlagen in FlieBgewassem nur dann zu erwagen, wenn der Bestand von Wanderfischen, z. B. Aalen, hoch und mit hohen Schaden am Fischbestand zu rechnen ist. Derartige Rechen konnen jedoch nur dann wirksam sein, wenn die Anstromungsgeschwindigkeit des Rechens geringer als die mogliche Schwimm- bzw. gar Sprintgeschwindigkeit der relevanten Fischarten gegen die Stromung ist, damit diese Fische sich noch selbstandig aus dem Einlaufbereich entfemen konnen. Gleichzeitig muB jedoch eine wirksame Umgehungsmoglichkeit der Wasserkraftanlage eventuell in Kombination mit einer flacheren Rechenneigung vorgesehen werden (siehe Kapitel 20.3). Derartige MaBnahmen sind bisher jedoch nur bei Neubauten und in Verbindung mit geringeren Durchfliissen bzw. Rechenflachen erfolgversprechend realisierbar. 5.2.1.2 Bemessung Die Breite des Rechenquerschnittes bre infolge der notwendigen Verbreiterung durch den Rechen gegeniiber der bisherigen Breite des Gewasserquerschnittes ergibt sich - bei Rechteckquerschnitten - bei gleicher Wassertiefe zu: bre^[y^-l\s^b b bre e

[m]

Gerinnebreite Breite des Rechenquerschnittes lichter Abstand der Rechenstabe: e 8.500 mm s Rechenstabbreite und die notwendige Stabanzahl n des Rechens zu:

(5.21) [m] [m] [m]

[m]

n = ^^^^ [-] (5.22) e-\-s n Stabanzahl [-] Der Energiehohenverlust Kre des Rechens, auch als Rechen- oder Stauverlust bezeichnet, ist von einer Vielzahl von Faktoren abhangig. Hierzu zahlen insbesondere die Anstromgeschwmdigkeit, der Anstromwinkel, der Verbauungsgrad, die Rechenverlegung, die geometrischen RechengroBen und die Rechenneigung. Hinzu kommen erne Reihe weiterer Phanomene, wie z. B. Turbulenzgrad bzw. Stromungsinhomogenitaten etc.

5 Wasserfassung

150

(1 X v,re

(2)

(3)

(4)

(7)

o

2s]

Sl

0,5s -^s!<

•!s!<

>\s'\4r-

p = 2,42

1,83

1,67

1,04

0,5s 0,92 0,76

1,79

c

(b)

Abb. 5.20:

(6)

3s

5s

h1

a

5

s L ^ ^ s k - ^ s k - ^ s U - ^ I s U - ^ s U - •^ ^s k s-k -

Definitionsskizzen zur Rechenverlustberechnung: a) Rechenquerschnitt, b) Horizontalschnitt (Anstromwinkel S), c) Formbeiwerte J3

Neuere Untersuchungen haben ergeben, daB die bisher eingesetzten Formeln, z. B. nach KIRSCHMER, zur Berechnung des Rechenverlustes diesen in den meisten Fallen bedeutend unterschatzen, so daB aufbauend auf (2.8) und umfangreichen Arbeiten [5.18]/[5.19] eine neue empirische Formel entwickelt wurde, die den Verlust an Rechen relativ gut beschreibt [5.20]: 1--

k,re = P •

ry{-l,4tanb)

•h V,i •sina

[ml

(5.23)

2g mit dem Verbauungsgrad PrePre={As+AA)lARE h^re P S Pre Ays AvA ARE ts a Vy

(5.24)

["]

Rechenverlust Formbeiwert des Rechenstabes s. Abb. 5.20c Anstromwinkel Verbauungsgrad des Rechens Verbauungsflache der Rechenstabe Verbauungsflache der Abstandshalter, Rechentrager etc. Rechenfeldflache (Bruttoflache) Rechenstabtiefe Neigungswinkel der Rechenstabe FlieBgeschwindigkeit vor dem Rechen bzw. im Rechenquerschnitt ohne Rechenstabe: vy = Q/Aj = Q/(b • hj) (s. Abb. 5.20a), optimal gemaB (5.1a): vj = 0,8-1,2 m/s

[m] [-]

n [-] [m^] [m^] [m^] [m]

n [m/s]

Hinzu kommt der Verlegungsgrad Vre'. Vre=AvTlARE Vre AvT

(5.25a)

["]

Verlegungsgrad des Rechens verlegte Flache infolge Treibgut, Algen, Muscheln etc.

&

5 Wasserfassung

151

und mit dem aus dieser Verlegung resultierenden Verlegungsfaktor Kj, bei dem zwischen den zwei Gruppen 1 und 2 gemaB Abb. 5.21 unterschieden wird, da diese ein differenziertes Verlustverhalten aufweisen [5.20]: Ky I — 1 -\- J,2 ' ifg

(5.25b)

[-] Ni.2

ky2 =1 + 1,8-Pr'e

(5.25c)

[-]

Verlegungsfaktor eines Rechens der Gruppe 1 oder 2 [-] gemaB Abb. 5.21 Der Verlegungsgrad Vre resultiert aus der jahreszeitlich unterschiedlichen Verlegung des Rechens mit Treibgut, festsitzenden Algen und Muscheln etc. und muB gegebenenfalls abgeschatzt werden. Im Normalbetrieb ist ein mittlerer Verlegungsgrad von 5-10 % je nach Reinigungshaufigkeit und Wartungsintensitat anzutreffen. In Sonderfallen (starker Laubanfall im Herbst, Eisgang, Hochwasser etc.) kann dieser deutlich ansteigen und im Extremfall gar zur Abschaltung des Kraftwerkes flihren. f^v,i

Gruppe 2

Gruppe 1

Vre = 0,25 Vre = 0,25

Vre = 0,25

Vre = 0,25 Vre =0,125 Vre = 0,25

Abb. 5.21:

Vre = 0,25

Vre = 0,25 Vre =0,125 Vre =0,125 Vre = 0,25

Vre = 0,25 Vre = 0,25 Vre = 0,25

•

Vre = 0,25 Vre =0,125

Schematische Darstellung der Verlegungsarten und Verlegungsgrade der Gruppen 1 und 2 [nach 5.20]

Streng genommen darf die Formel nur fiir den rechteckigen Stabquerschnitt verwandt werden (Typ 1 m Abb. 5.20c). Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dai3 die Ergebnisse der Rechenverlustberechnung durchaus fiir andere Stabtypen als allgemeuie Richtwerte dienen konnen, solange der Verbauungsgrad im Bereich von P,, = 0,19-0,55 liegt, das Verhaltnis OJO
152

5 Wasserfassung

zumindest minimiert werden. Die Schwingungsanregung kann indirekt durch die Turbinen (Drehfrequenz, Schaufeldrehfrequenz, Leitschaufeldrehfrequenz etc.) und gelegentlich durch das auf dem Rechen liegende Treibgut erfolgen. Hauptanreger fiir Rechenschwingungen und fur die Bemessung maBgebender Fall sind jedoch periodische Wirbelablosungen des stromenden Wassers an den Rechenstaben im stationaren Zustand. Gleichfalls konnen sich die am Rechen auftretenden Schwingungen bis in die Turbine fortpflanzen und dort zu bedeutenden LeistungseinbuBen ^hren, so daB auch unter diesem Gesichtspunkt derartige Phanomene weitestgehend verhindert werden soUten. In der Regel kann diesen Schwingungen veremfacht dadurch begegnet werden, indem die Stababstande e
Sr-v s

[Hz]

(5.26)

/A Anregerfrequenz infolge Wirbelablosungen [Hz] [-] Sr Strouhal-Zahl s. Abb. 5.22a s Rechenstabbreite [m] Die Durchstromungsgeschwindigkeit des Rechens stellt bei der Ermittlung der Anregerfrequenz einen nicht vorhersagbaren Unsicherheitsfaktor dar, da trotz stromungstechnisch gunstiger Ausbildung des Recheneinlaufes lokale Spitzen mit der Folge von Rechenbeschadigungen auftreten konnen. Entspricht die Anregerfrequenz der Eigenfrequenz y^, so entsteht eine Resonanzschwingung. Um diese zu vermeiden, muB die maBgebende Eigenfrequenz mit einem notwendigen Sicherheitsabstand iiber der Anregerfrequenz liegen [5.22]: /A <0,60-

/E

0,65'

/E

Eigenfrequenz

(5.27)

[HZ]

[Hz]

5 Wasserfassung

153

Die Eigenfrequenz ermittelt sich aus einem Vielfachen der Grundeigenfrequenz /E^O, da ein Stab verschiedene Schwingungsformen annehmen kann und somit mehrere Eigenfrequenzen aufweist (s. Abb. 5.22b): M fE,0

Is

fE,0 M Is Es

I As Ps/Pw

E,'I

[Hz]

Grundeigenfrequenz Lagerungskoeffizient:

gelenkig: M= 1,57 eingespannt: M= 3,57 schwingungsfahige Stablange (Querabstand) Elastizitat von Stahl Tragheitsmoment des Stabes quer zur FlieBrichtung Stabquerschnittsflache {As^ s -1^ Dichte von Stahl/Wasser wirksamer Stababstand: b^jrk < e bzw. b^jrk < 0,7-ts

Abb. 5.22:

(5.28)

\A\9s+^w'Kirkls)

[Hz] [-] [mm] [N/mm^] [mm"*]

Schwingungen: a) Strouhal-Zahl Sr fur verschiedene Stabformen (Einzelstabe); b) Schwingungsformen und Eigenfrequenzen von gelenkig gelagerten (oben) und eingespannten (unten) Rechenstaben [nach 5.22]

1st die notw^endige Bedingung aus (5.27) nicht einzuhalten, so kann zum einen die Anregerfrequenz des stromenden Wassers durch die Wahl eines anderen Rechenprofiles, z. B. Flachstahl, verringert werden. Zum anderen kann die Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz erhoht werden, wofiir es unterschiedliche Moglichkeiten gibt: Verringerung des Abstandes und der Lage der Distanzhalter, VergroBerung des Stabwiderstandes quer zur FlieBrichtung, Verbindung der einzelnen Rechentafeln untereinander etc. Zudem sei noch darauf hingewiesen, dal3 es sinnvoll ist, einen Ermtidungsnachw^eis fiir die Rechenstabe durchzufiihren. Ebenso bedeutend wie schwierig ist die Beurteilung der Schwingungsanfalligkeit der ganzen Rechenfelder, die aus konstruktiven Grunden meist in einzelne Rechentafehi unterteilt sind. Durch bauliche MaBnahmen sollte dem Risiko emer

154

5 Wasserfassung

Schwingungsanregung vorgebeugt werden, indem die Rechenelemente seitlich kraftschlUssig in unregelmaBigen Abstanden miteinander sowie an den Seitenwanden bzw. Trennpfeilem befestigt werden. Auch die Aussteifung mit schragen Querstaben kann zielfuhrend sein. Bei der analytischen Betrachtung dieser komplexen Systeme konnen FEM-Berechnungen eine wertvolle Hilfe darstellen [5.23]. AbschlieBend sei noch auf die Gefahr der Korrosion insbesondere der Befestigungselemente hingewiesen, so daB je nach Gegebenheiten ein langfristiger Schutz vorgesehen werden muB. Hier hat sich in etlichen Fallen ein lokaler, kathodischer Korrosionsschutz bewahrt (s. a. Kapitel 8.1.1). Insgesamt ist eine regelmaBige Kontrolle, z. B. durch Trockenlegung oder Taucher, zu empfehlen. 5.2.1.3 Betrieb und Wartung der Rechenanlagen Betrieb und Wartung der Rechenanlagen bestehen neben einer grundsatzlichen, regelmaBigen Uberprtifung der Anlagenteile vor allem aus der Reinigung des Rechens von zuriickgehaltenem Treibgut und gegebenenfalls von Treibeis. Fur die Entscheidung, ob eine mechanische Rechenreinigung notwendig ist, spielt bei der Entnahme aus FlieBgewassem neben dem zu erwartenden Treibgutanfall die Anordnung des Rechens zur Stromungsrichtung eine wesentliche Rolle. Kann der Rechen parallel oder schrag zur Hauptstromung im FlieBgewasser angeordnet werden, so ist haufig eine mechanische Reinigung entbehrlich, da in diesem Fall die Wasserstromung den Rechen selbstandig reinigt und das Treibgut weiterbefordert. Allenfalls ist eine mechanische Abstreifvorrichtung vorzusehen. MuB der Rechen jedoch quer zur Hauptstromungsrichtung angeordnet werden oder ist mit einem starken Treibgutanfall zu rechnen, so ist grundsatzlich eine mechanische Rechenreinigungsanlage vorzusehen. Die Treibgutbeseitigung wird im wesentlichen bestimmt durch die Faktoren: - Spaltweite, - Turbulenz im Anstrombereich, - Belegungsdichte in Verbindung mit Raumintervall. Die Steuerung der Rechenreinigungsanlage (s. Abb. 5.23) erfolgt in der Regel automatisch, wobei aus Sicherheitsgriinden immer eine zusatzliche Handsteuerung vorhanden sein muB. Als MeBgroBe dient heute meist die Hohendifferenz des Wasserstandes vor und hinter dem Rechen infolge des Treibgutanfalls, die uber Tauchkorper gemessen wird. Ab einer bestimmten, vorgegebenen Differenz wh*d die Rechenreinigung in Betrieb gesetzt. Zusatzlich ist stets ein Zeitschaltwerk eingebaut, damit unabhangig von der Treibgutmenge mindestens eine ein- bis zweimalige Reinigung pro Tag durchgefiihrt wird. Der aus ungeniigender Rechenreinigung resultierende Wirkungsgradverlust der Anlage kann insgesamt bis zu ca. 10 % oder sogar mehr betragen.

5 Wasserfassung Höhendifferenz für Wasserspiegel

auto/manuell 6

Rechenreinigungsanlage

auto/manuell

6 Rechenreinigungsanlage ein ^

155

6

6

Rechengut-Fördereinrichtung ein

RechengutFördereinrichtung

automatischer Eissensor

Trogheizung

auto/0/manuell 666

Rechengut-Fördereinrichtung aus Trogheizung ein/aus

Trogheizungssensor

->•auto/0/manuell 666

Abb. 5.23:

Schematische Darstellung der automatischen Rechenreinigung [nach 5.24]

Bei starkem Frost muB darauf geachtet werden, daB die Reinigungsgerate und insbesondere deren Antrieb so wenig wie moglich mit dem Wasser direkt in Beriihrung kommen, um einer Eisbildung an diesen Elementen vorzubeugen. Dies kann beispielsweise durch die Begrenzung der Hubtiefe erreicht werden; gesteuert wird dies tiber Eis- oder Temperatursensoren. Darliber hinaus werden in vielen Fallen die Abwurfwande, Fordertroge und Fordereinrichtungen beheizt, damit auch bei tiefen Temperaturen ein Betrieb gewahrleistet werden kann. Bei den Rechenreinigungsmaschinen kann unterschieden werden zwischen: 1.1 Raumung von der Beaufschlagungsseite (sog. Mitstromrechen): - Teleskop-/Schubstangen-/Winkelrechenreiniger (s. Abb. 5.24a); - Kranbahngreifer (s. Abb. 5.24c); - Steilrechenreiniger: mit Umlaufkettenantrieb (s. Abb. 5.23), mit Seilantrieb (s. Abb. 5.24b), als Kletterrechen, - Rollrechen, Trommelrechen und andere, v. a. aus der Abwassertechnik Ubertragene Systeme. 1.2 Raumung von der nicht beaufschlagten Seite (sog. Gegenstromrechen): - Steilrechenreiniger; - Doppellenkerrechenreiniger. 2.1 Reinigungsmaschinen oberhalb des Wasserspiegels: - s. unterPunkt 1. 2.2 Reinigungsmaschinen unterhalb des Wasserspiegels [5.25]: - Teleskop-Rechenreiniger; - Segmentbogen-Rechenreiniger; - Schwenkrechenreiniger.

156

5 Wasserfassung

Abb. 5.24: Rechenreinigertypen: a) Winkelrechenreiniger [nach 5.26]; b) Steilrechen mit Seilantrieb [nach 5.27]; c) Kranbahngreifer [nach 5.28] Die unter den Pimlcten 1.1 bzw. 2.1 genaimten Typen sind am meisten verbreitet, wobei bei den Antrieben auch bei groBeren Anlagen die hydraulischen immer mehr an Bedeutung gewinnen, da diese einen gleichmaBigen vertikalen Antrieb sowie ein variables Andrticken der Putzharke gewahrleisten. Bei groBen Rechenreinigungstiefen dominieren jedoch nach wie vor die Seilantriebe. Die Rechenreinigungsanlagen unterhalb des Wasserspiegels kommen aufgrund ihrer Unauffalligkeit vor allem bei Wasserfassungen fiir Kleinwasserkraftanlagen zum Einsatz, wobei allerdings auf eine robuste Ausfuhrung zu achten ist, da die Einrichtungen permanent unter Wasser und damit nur schwer zuganglich sind. Beim regehnaBigen Anfall von sperrigem Treibgut, wie z. B. Asten oder Baumen, sollte zusatzlich ein Greifer zur Einzelentnahme vorgesehen werden. Bei kleineren Wasserkraftanlagen mit geringeren Durchfltissen bzw. Rechenfeldflachen kommen gelegentlich auch aus der Abwassertechnik ubertragene Systeme zum Einsatz, wie z. B. Rollrechen, bei denen ein die voile Rechenflache bedeckendes, uber an beiden Enden mittels Walzen umgelenktes Gewebeband aus Edelstahldrahten fur eine permanente Reinigung sorgt. Vielfach werden diese Bauweisen installiert, um emen erhohten Fischschutz zu erzielen bzw. damit emen Fischabstieg zu gewahrleisten (s. Kapitel 20.3). Wird das Treibgut dem Wasser entnommen, muB es anschlieBend entsorgt werden. Wesentlich ist hierbei, daB bei einer vollstandigen Entnahme aus dem Gewasser das Rechengut im rechtlichen Sinn nach der derzeitigen Rechtsinterpretation als Abfall zu behandebi ist, in den Besitz des Wasserlcraftanlagenbetreibers Ubergeht und einer geordneten Entsorgung zugefiihrt werden muB [5.15]. Handelt es sich dabei um rein organisches Rechengut (Laub, Wasserpflanzen, Aste etc.), besteht die Moglichkeit einer l
5 Wasserfassung

157

werden mit der Stromung insbesondere bei Hochwassem jedoch auch nichtorganische Bestandteile, wie beispielsweise Kunststoffe, Autoreifen etc. mittransportiert, so daB zumindest eine aufwendige handische Trennung erfolgen muB. Werden neben dem Zivilisationsmiill gar Sondermull (gefullte Fasser etc.) oder Kadaver angeschwemmt, wird nach emer Benachrichtigung der Ordnungsbehorden eine geordnete Entsorgung notwendig, die auf langere Sicht fur die Wasserkraftanlagenbetreiber zu einer nicht zu unterschatzenden finanziellen Belastung anwachst. Bei einer Entnahme des Rechengutes wird dieses entweder durch Forderbander oder Forderwagen der Zwischenlagerung in Containem bis zur Weiterverarbeitung oder endgtiltigen Beseitigung, z. B. auf Deponien, zugefuhrt. Problematisch kann im Winter die Mischung mit Eis werden, da bei der Entnahme eine Trennung kaum moglich ist und so das zu entnehmende Volumen deutlich vergroBert wird. Mancherorts wird daher ein rechtlicher Freiraum genutzt, indem das Rechengut nicht (vollstandig) aus dem Wasser entnommen wu*d, sondem dieses nach dem Reinigen des Rechens mittels Sptil- und Schwemmeinrichtungen weitergegeben wird. Gerade bei Kleinwasserkraftanlagen kann durch derartige MaBnahmen die kostenintensive Entsorgung umgangen werden, da diese ohnehin vielfach am Rande der Rentabilitat arbeiten. Auch aus okologischen Griinden kann die Rtickgabe von organischem Treibgut von Vorteil sein, da dieses fiir das natiirliche Gleichgewicht von Flora und Fauna entlang und innerhalb des FlieBgewassers eine wichtige Rolle spielt (s. Abschnitt 18.3.5). Hier scheint eine entsprechende Neuinterpretation der vorhandenen Gesetzeslage angebracht [5.15]/[5.29]. 5.2.2

Tauchwand und Schwimmbalken

Fur die Abhaltung von Treibgut sowie Treibeis auf der Wasseroberflache werden in vielen Fallen feste Tauchwande oder sogenannte Schwimmbalken bzw. Schwimmbalkenketten, die vor allem bei schwankenden Oberwasserstanden ausgeftihrt werden, im Einlaufbereich angeordnet. Bei der Entscheidung fur oder gegen den Einsatz von Tauchwanden bzw. Schwimmbalken ist neben der Treibgutmenge vor allem die von ihnen ausgehende Stromungsbeeinflussung sowie bei groBeren Anlagen die Interaktion beider vor allem bei Wellenbildung infolge Windeinwirkung ausschlaggebend, die gegebenenfalls in Modellversuchen tiberpruft werden muB. So wurde beispielsweise beim Ausbau des Hochrhemkraftwerkes Laufenburg 1988 bis 1994 auf den mit einer Tauchwand kombinierten AuBenrechen verzichtet, da die Energieverluste durch die Stromungsbeeinflussung zu hoch waren und das Treibgut durch die neu konzipierte Rechenanlage ausreichend entfemt werden kann. Hingegen wurde bei der 1994 in Betrieb genommenen neuen Wasserkraftanlage Mooshausen an der Iller eine runde Tauchwand im Seitenentnahmequerschnitt angeordnet. Ist eine Tauchwand bzw. ein Schwimmbalken erforderlich, so wird deren Unterkante mindestens 0,2 m, bei groBeren Querschnitten im allgemeinen in 0,51,0 m Tiefe unter dem Stauspiegel angelegt. Dieses MaB hangt von der Eintrittsgeschwindigkeit des Triebwassers ab, da vermieden werden muB, daB das Treibgut durch die beschleunigte Stromung unter der Tauchwand bzw. dem Schwimmbalken in das Einlaufbauwerk eingesogen wird.

158

5 Wasserfassung

Die Tauchwand bzw. der Schwimmbalken besteht bei Kleinwasserkraftanlagen vielfach aus einfachen Holzbalkenkonstruktionen. Bei groBeren Anlagen wird die Tauchwand zumeist aus Stahlbeton erbaut und ihr Oberteil als Bedienungssteg ausgebildet. Von entscheidender Bedeutung fur deren Funktionsfahigkeit ist jedoch, dai3 diese stromungstechnisch gunstig angeordnet und eine ausreichend groBe, oberflachennahe Tangentialstromung ausgentitzt wird, mit Hilfe derer das zuriickgehaltene Treibgut weiter zu transportieren ist, damit dieses nicht mechanisch entfemt werden mufi. Diese Stromung wird bei Entnahmebauwerken an Wehranlagen vielfach durch das Offhen des Wehrfeldes, das dh-ekt an die Wasserfassung anschlieBt, bzw. das leichte Absenken einer Wehrklappe analog des Vorgehens zur Geschiebeabfuhr gezielt erzeugt. Zum Abweisen von Treibeis wurden fruher auch schwimmende Eisbaume verwandt, die aus 7 bis 20 m langen, gelenkig zusammengefiigten Holzgliedem bestanden, die in der kalten Jahreszeit zu Wasser gelassen wurden. Diese Eisbaume bestanden je nach Eisgang nur aus einer Kette von einfachen Stammen oder im anderen Extremfall aus einer Kette von floBartigen Fachwerktragem. Heute wird diese Aufgabe meist von entsprechend ausgebildeten Tauchwanden mit tibernommen. Der Verlustbeiwert <J der Tauchwand (s. Abb. 5.25) ergibt sich aus der Bemoullischen Gleichung und dem Sttitzkraftsatz zu:

..

2-Ul-2-Frr{hlh-l)-l]

und somit der Tauchwandverlust hyt nach (2.8) zu: Kj=i;t~

[m]

(5.30)

Uber die Energiehohe hsj vor der Tauchwand lafit sich schlieBlich naherungsweise die Wasserspiegelhohe hj vor der Tauchwand ableiten: 3

(h, h.'2 J Q ht hi/h2 Fr2 hv,t

/ .

\2 (

T?^2

\

FryJ

^^^•(^H-CO +- f = ^ V

[-]

Verlustbeiwert der Tauchwand Hohe der Tauchwand uber der Sohle Wasserspiegelhohe vor/hinter der Tauchwand Froudesche Kennzahl hinter der Tauchwand Tauchwandverlust

(5.31) [-] [m] [m] [-] [m]

5 Wasserfassung

159

Abb. 5.25: Tauchwand 5.3

VerschluBorgane

Um bei Betriebsstorungen, bei auBergewohnlichen Naturereignissen, wie z. B. Unwetter mit hohem Treibgut- und Geschiebeanfall oder Hochwasser, oder bei der Durchfuhrung von Instandsetzungsarbeiten das Triebwasser aus der Wasserfassung und der Triebwasserzuleitung femzuhalten, werden im Einlaufquerschnitt und gegebenenfalls auch am Anfang der Triebwasserzuleitung VerschluBorgane vorgesehen. Einen grundsatzlichen tJberblick iiber die bei Einlaufbauwerken gebrauchlichen Typen von Verschliissen geben die Abb. 5.26a und 5.26b; die Regeleinrichtungen fiir die Steuerung der Turbinenzufltisse, also vor allem die Verschlusse in Rohr- und Verteilleitungen, werden im Kapitel 12 behandelt. Sowohl im Einlaufquerschnitt von Wasserfassungen fur Ausleitungskraftwerke als auch bei Turbineneinlaufen von FluBkraftwerken sind normalerweise Fuhrungsschienen oder anderweitige Vorrichtungen zur Aufiiahme von zusatzlichen Notverschliissen vorgesehen (s. auch Abb. 5.24c). Diese Notverschliisse bestehen meist aus Dammbalken, d. h. einzehie, ubereinander liegende Balken, Stautafehi oder Fachwerkkonstruktionen, die im Bedarfsfall durch einen mobilen oder stationaren Kran eingesetzt werden. Auch einschwimmbare Verschlusse oder leicht zu setzende Nadelwehre bzw. Rohmadelverschltisse, diese sind senkrecht gestellte Profile, kommen zur Anwendung. Bei groBeren Wasserfassungen werden ebenso permanente Schiitze, z. B. Segment- oder Hubschiitze (Gleit- oder Rollschiitze), eingebaut. Bei erhohten Sicherheitsanforderungen von Turbinenzuleitungen kommen Schnell- bzw. sogenannte Sicherheitsschiitze in Frage, die die Turbinen bei Betriebsstorungen, z. B. dem Ausfall der Maschinenregelung etc., schiitzen sollen.

160

5 Wasserfassung

BETRIEBSVERSCHLÜSSE Wehre I überströmt Sektorwehr

Tiefschütze

über- und unterströmt Gleitschütz

Gleitschütz

Rollenschütz

Rollenschütz

Walzenwehr

Segment

1 ^ Dachwehr

t Klappenwehr >, ^

Trommelwehr

Drucksegment

Klappe

^ \ Schlauchwehr

Zugsegment

Kegelstrahlschieber

Bewegung während der Umströmung Abb. 5.26a: VerschluBarten: Betriebsverschlusse I: Wehre und Tiefschiitze Bei Entnahmeanlagen an stehenden oder flieBenden Gewassem (s. Abb. 5.1), die sich wie beschrieben unter der Wasseroberflache befinden, ist dbekt vor oder hinter dem Einlaufrechen stets mindestens ein VerschluB, in vielen Fallen noch zusatzlich ein zweiter fur Notfalle, angeordnet. Bei den Einlaufschutzen handelt es sich um Tiefschiitze, die meist als Hub-, seltener als Segmentschiitze ausgebildet werden und die rundum abgedichtet sind. Da das Offiien der Schiitze bei einer entleerten Triebwasserleitung, z. B. infolge einer Revision, zu starken Druckschwankungen und damit zu Schaden an der Anlage fiihren wiirde, mui3 die entleerte Triebwasserleitung mittels eines zusatzlich vorgesehenen Zuflusses vor dem Offnen des Schiitzes gefullt werden.

5 Wasserfassung

BETRIEBSVERSCHLÜSSE Tore Sperrwerke

161

REVISIONS- UND NOTVERSCHLÜSSE

Schleusen

Rollenschütz

Stemmtor

Nadelwehr

Segment

Klapptor

Dammbalken In 1

[U 1

Schiebetor

Ein- und ausschwimmbare Verschlüsse

Hub-Senk-Tor

n

0'

"

*'

1^

~E Sonderkonstruktion

-r

Segmenttor

4

'

^

^-^ 1

Gleit- und Ro)llenschütz

^

Schiebetor

-^ Uj

^

_

Klappe

n ^

Bewegung im ruhenden Wasser

5Zr

Bewegung in der Regel im ruhenden Wasser

Abb. 5.26b: VerschluBarten: a) Betriebsverschlusse II: Tore; b) Notverschlusse Neben den Einlaufschiitzen zum AbschluB der Triebwasserleitung direkt im Bereich der Wasserfassung kommen hier stets auch VerschluB- und Regelorgane zum Einsatz. Diese konnen je nach Turbinen- und Anlagentyp als Drosselklappen, Keilschieber etc. ausgefuhrt werden (s. Kapitel 12) und sich in einer separaten Schieberkammer befinden, die in einiger Entfemung von der Wasserfassung innerhalb der Leitungstrasse angeordnet ist oder die Regulierung erfolgt direkt an der Turbine z. B. durch ein Regelorgan, den Leitapparat oder die Schaufelblatter, wobei hierauf bei den einzeben Turbinentypen noch genauer eingegangen werden wird. Die Anordnung der Schtitze hangt primar von der Gesamtkonzeption der Anlage und der Aufgabenstellung des Verschlusses ab. Daruber hinaus sind die betrieblichen Anforderungen, die Wahl und Installationsmoglichkeiten des Antriebes, bei

162

5 Wasserfassung

Stollen die Zuganglichkeit zum Stollen iind zum VerschluB fiir Revisionszwecke sowie andere Kriterien von Bedeutung. Wegen der auftretenden hoheren FlieBgeschwindigkeiten im Bereich der Verschliisse, insbesondere bei Tiefschiitzen, muB der Gestaltung der Schiitzenunterkante und eventuell auch der Nischen bzw. Fuhrungsschienen ein besonderes Augenmerk zur Vermeidung von Stromungsturbulenzen gewidmet werden. Die hieraus resultierenden Verluste sowohl bei oberwasserseitig als auch unterwasserseitig am Saugrohrende angeordneten Verschlussen (s. a. Kapitel 14.3.1.2) konnen unter Umstanden den Anlagenwirkungsgrad in Abhangigkeit der auftretenden Geschwindigkeiten und Turbulenzen bedeutend um bis zu ca. 2 % verringem, so daB gegebenenfalls entsprechende Blenden o. a. zur besseren Stromungsfiihrung vorgesehen werden sollten. Da es sich bei den VerschluBorganen in der Kegel um Bauteile aus nicht korrosionsbestandigem Stahl handelt, die permanent in einer feuchten Umgebung sind, ist von Anafang an auf einen entsprechenden langfristigen Korrosionsschutz durch entsprechende Beschichtungen (s. a. Kapitel 8.1.1) zu achten. Nur unter besonderen Umstanden werden einzelne Bauteile gar oder ganze VerschluBorgane aus teuren, nichtrostenden bzw. korrosionsbestandigen Metallen gefertigt.. Insgesamt ist eine regelmaBige Kontrolle, z. B. durch Trockenlegung oder Taucher, zu empfehlen. Des weiteren stellen die Dichtungen an den Konstrukteur besondere Herausforderungen. Grundsatzlich gibt es zwei Dichtungsarten, die unterschieden werden mussen: Dichtungen, die infolge des Wasserdrucks auf eine entsprechende Flache angedrUckt werden und bei VerschluBbewegung daran entlanggleiten mit der Folge eines hoheren VerschleiBes, und diejenigen, die durch emen zusatzlichen Innendruck im Dichtungsprofil angepreBt werden und bei VerschluBbewegung abgehoben werden konnen, jedoch einen hoheren apparativen Aufwand bedingen. In besonderen Fallen werden zur Reparatur von unteru-dischen VerschluBorganen am Stollenanfang mittlerweile provisorische, kiinstliche Eisverschliisse emgesetzt [5.30], indem ahnlich wie bei dem Vereisungsverfahren im Tunnelbau eine oder mehrere Kuhlleitungsreihen quer zum Stollen durch vertikale Bohrungen eingebracht werden und so ein Eispfropfen den Stollenquerschnitt wasserdicht abschlieBt. Je nach Druckverhaltnissen und Dimension der Rohr- bzw. Stollenquerschnitte konnen fiir eine vorlibergehende Absperrung auch unter Druck stehende Ballone darin zur Anwendung gelangen. Die VerschluBorgane werden von der Zentrale, die sich normalerweise im Krafthaus befindet, aus gesteuert; eine zusatzliche Steuerungsmoglichkeit fur Revisions- und Notfalle befindet sich direkt vor Ort. Der Antrieb erfolgt mechanisch uber einen Elektroantrieb oder hydraulisch, in seltenen Fallen von Hand. 5.4 [5.1] [5.2]

Literatur Thiiringer Talsperrenverwaltung (Hrsg.): Talsperren in Thuringen. Erfurt: Verlag Fortschritt, 1993 Scheuerlein, H.: Die Wasserentnahme aus geschiebefuhrenden Flussen. Berlin: W. Ernst & Sohn, 1984

5 Wasserfassung [5.3]

[5.4]

[5.5] [5.6] [5.7]

[5.8] [5.9] [5.10]

[5.11] [5.12]

[5.13] [5.14] [5.15]

[5.16] [5.17] [5.18]

[5.19]

[5.20]

163

Simmler, H.: Zur Geschiebeabwehr bei Wasserfassungen - Modellversuche und Ergebnisse. In: Osterreichische Wasserwirtschaft 31 (1979), Heft 5/6, Seite 99-107 Kley, G. M.: Zur Bemessung von Geschiebeabzugen. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau und Kulturtechnik der Universitat Fridericiana Karlsruhe (1988), Nr. 177 Mosonyi, E.: Water power development. Band I + II. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 Drobir, H.: Entwurf von Wasserfassungen im Hochgebirge. In: Osterreichische Wasserwhtschaft 33 (1981), Heft 11/12, Seite 243-253 Bezinge, A.; Aasheim, P.; Hertig, P.: Schwimmende Wasserfassung zur Forderung von Gletscherwasser. In: Wasser, Energie, Luft 78 (1986), Heft 1/2, Seite 13-16 Press, H.; Schroder, R.: Hydromechanik im Wasserbau. Berlin, MUnchen: W. Ernst &Sohn, 1966 Bollrich, G.: Technische Hydromechanik. Band 1. Berlin: Verlag fiir Bauwesen, 1996 Mock, F.-J.: Stromungsvorgange und Energieverluste in Verzweigungen von Rechteckgerinnen. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau und Wasserwhtschaft der TU Berlin (1960), Nr. 52 Peter, G.: Uberfalle und Wehre. Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2005 Knauss, J.: Wirbelbildung an Einlaufbauwerken: Luft- und Dralleintrag. In: Schriftenreihe des Deutschen Verbandes fiir Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (1983), Band 63 Schmidt, M.: Gerinnehydraulik. Wiesbaden: Bauverlag, 1957 Elektrizitatswerke Frastanz GmbH, Frastanz; Vorarlberger Illwerke, Schruns: Personliche Auskunft, 2005 Giesecke, J.; Heimerl, S.: Treibgut an Wasserkraftanlagen - ist die voUstandige Entnahme heute noch zeitgemafi? In: Wasserwirtschaft 90 (2000), Heft 6, Seite 294-299 Starosolszky, O.: The ice regune and ist risks to hydro plant operation. In: Hydropower & Dams 2 (1995), Heft 2, Seite 53-57 Engel, A. P.; Weber, E.: Lochblechrechen - neue Anwendungen einer alten Technik. hi: Wasserwhtschaft 93 (2003), Heft 6, Seite 42-44 Meusberger, H.; Hermann, F.; Volkart, P.; Mmor, H.-E.: Energieverluste an Einlaufrechen von FluBkraftwerken. In: Elektrizitatswirtschaft 99 (2000), Heft 13, Seite 43-52 Versuchsanstalt fiir Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Ziirich (Hrsg.): Untersuchung uber den EinfluB der Geometric und Anstromung von Einlaufi*echen auf den Betrieb von Wasserkraftwerken. In: Untersuchungsbericht (1999), Nr. 4109 Meusberger, H.: Energieverluste an Einlaufi*echen von FluBkraftwerken. In: Mitteilungen der Versuchsanstalt fiir Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Ziirich (2002), Nr. 179

164

5 Wasserfassung

[5.21] Kerenyi, K.; Hillisch, S.; Staubli, T.: Stromungsinduzierte Rechenschwingungen. In: Wasser, Energie, Luft 90 (1998), Heft 9/10, Seite 255257 [5.22] Schleiss, A.: Schwingungen von Einlaufrechen bei Wasserkraftanlagen. In: Wasser, Energie, Luft 77 (1985), Heft 10, Seite 299-303 [5.23] Schleiss, A.; Fust, A.: Schwingungsuntersuchungen bei den Einlaufi*echen des Rheinkraftwerks Laufenburg. In: Mitteilungen des Institutes fur Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universitat MUnchen (1992), Heft 73, Seite 225-237 [5.24] Hayashi, S.; Erdmannsdorfer, H.: Automatic trashrack cleaners save costs at two Japanese schemes. In: Water Power & Dam Construction 43 (1991),Heft 11, Seite 41-43 [5.25] Muhr, R.: Unterwasser-Rechenreiniger fur den Einsatz in landschaftlich und architektonisch sensiblen Bereichen. In: Wasserwirtschaft 84 (1994), Heft 7/8, Seite 428-429 [5.26] Haimerl, L. A.: Rechenreinigungsmaschinen. In: Wasserwirtschaft. 52 (1962), Heft 5, Seite 126-137 [5.27] Munster Apparatebau GmbH: Rechenreinigungsmaschinen. Itzehoe, Firmenschrift [5.28] Noell GmbH: Wasserkraftwerk Buyo, Wurzburg, 1992, Firmenschrift [5.29] Heimerl, S.; Giesecke, J.; Kibele, K.: Neuinterpretation der Schwemmgutbehandlung an Wasserkraftanlagen in der Bundesrepublik Deutschland? In: Wasser, Energie, Luft 95 (2003), Heft 11/12, Seite 366-368 [5.30] Berggren, A.-L.; Sandvold, A.: The world's first artificial ice plug for a hydro tunnel. In: Hydropower & Dams 2 (1995), Heft 3, Seite 50-51

165

6

Freispiegelleitungen

Fur die Ausleitung des Triebwassers und die Zufiihrung zum Krafthaus kommen in vielen Fallen fUr Teilabschnitte oder auch fiir die ganze Strecke Freispiegelleitungen zum Einsatz, wobei diese als offene Gerinne, auch als Werkkanale bezeichnet, oder als teilgefullte geschlossene Querschnitte, z. B. als Rohrleitung oder Stollen, ausgeflihrt werden konnen. Freispiegelleitungen sind stets durch die freie Wasserspiegeloberflache charakterisiert, an der Atmospharendruck herrscht, und die nicht unter Uberdruck stehen. Eine derartige Losung bietet sich in den Fallen an, bei denen Topographic und Geologic bei Zuordnung von Speicher und Krafthaus eine flache, d. h. wenig geneigte Trassenftihrung erfordem und die Freispiegelleitung wahrend der Baudurchfiihrung, des Betriebs und Unterhalts weitaus kostengUnstigere Losungen im Vergleich zu Druckrohrleitungen bieten. Abschnitte mit Freispiegelstollen werden dann notwendig, wenn beispielsweise Hangstabilitat, Einschnitte oder Rinnen teure SchutzmaBnahmen gegen abgleitendes Geroll und Verunreinigung des Triebwasssers durch lokale, oberflachennahe Storzonen (Lockergesteine, Bodenmaterial, Baumstamme etc.) eine unterirdische Umgehung erforderlich machen. Nicht zuletzt ist die Bedeutung, GroBe und Betriebssicherheit der Gesamtanlage fur die Entscheidung zwischen Freispiegelleitung und Druckleitung ausschlaggebend. Bei Kleinwasserkraftanlagen findet erstere bevorzugt Anwendung. Die offenen Kanale werden je nach den Hangneigungen und Hangstrukturen im Einschnitt oder im Auftrag (Dammstrecken, seltener als Brtickenkonstruktionen) geftihrt. Die vielfach trapezformigen, halbrunden oder rechteckigen Gerinne werden je nach ihrer Bedeutung (Herstellungskosten, Unterhalt, Dichtigkeit) unbefestigt Oder befestigt erstellt. Das Gefalle der Freispiegelleitungen schwankt in Flachlandgebieten im allgemeinen zwischen 0,05-0,2 %o und kann im Gebirge Werte von 1,0-2,0 %o erreichen. Wie aus den unten weiter ausgeftihrten hydraulischen Grundbeziehungen unter gleichen Randbedingungen hervorgeht, mussen kleinere Freispiegelleitungen mit einer geringeren Wasserfuhrung ein starkeres Gefalle erhalten, wahrend bei groBeren Freispiegelleitungen ein kleineres Gefalle moglich wu*d. 6.1

Hydraulische Bemessung

Beim AbfluB in Freispiegelleitungen bei Wasserkraftanlagen kann man im allgemeinen von einem gleichformigen, stromenden AbfluB ausgehen, da man bestrebt ist, den Energieverlust im Triebwasserkanal zu minimieren und so eine maximale Energieausbeute zu erzielen. Bei Freispiegelleitungen mit stromendem AbfluB sollte eine Froude-Zahl (s. (5.3)) von Fr < 0,65 angestrebt werden. Der gleichformige AbfluB, auch NormalabfluB genannt und durch gleichbleibende Stromungscharakteristika (Tiefe, Geschwindigkeit und deren Querschnittsverteilung etc.) gekennzeichnet, bedarf zwar einer gewissen Ausbildungslange nach bzw. vor Veranderungen im FlieBquerschnitt, z. B. Verengung, Verbreiterung, FlieBgefallewechsel etc., doch kann

166

6 Freispiegelleitungen

dieser Ubergang in der hydraulischen Berechnung mit Einzelverlustangaben vernachlassigt werden, indem die unvermeidbaren Abweichungen von der Gleichformigkeit langs der FlieBstrecke in dem Widerstands- und Verlustbeiwert X, auch Reibungsbeiwert genannt, zusammengefaBt werden. Der Verlustbeiwert X ist dabei eine Funktion der relativen Rauheit e der Gerinnewandung und der Reynolds-Zahl Re. Die Reynolds-Zahl Re ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhaltnis von Tragheits- zur Zahigkeitskraft wiedergibt und defmiert ist zu: V

Re Reynolds-Zahl [-] Vrn mittlere Geschwindigkeit [m/s] dhy hydraulischer Durchmesser: d^y = dKreisrohr = ^-Vhy = 4-(A/In) [i^i] Vhy hydraulischer Radius [m] /„ benetzter Umfang [m] V kinematische Viskositat s. Tabelle 6.1 [m^/s] Der hydraulische Durchmesser dhy, der beim Kreisrohrquerschnitt dem Durchmesser d entspricht, hat keine eigentliche hydraulische Bedeutung, sondem stellt lediglich eine als Vergleichsmafi dienende BezugsgroBe dar. Mit Hilfe der Reynolds-Zahl ist man in der Lage, eine Aussage iiber die Art der Bewegung der Wasserteilchen in einer Stromung zu treffen. Dabei unterscheidet man zwischen der laminaren, damit der im Gesamtablauf ungestorten Stromung - im allgemeinen unterhalb einer kritischen Reynolds-Zahl Rej^ru, die ftir Gerinnestromungen bei Reuru » 500 bzw. fur Rohrstromungen bei Rekru « 2.300 liegt -, und der turbulenten, instabilen Stromung oberhalb von Re^rm t>ei der eine mehr oder weniger intensive Durchmischung infolge Querbewegungen vorhanden ist. Damit ergibt sich fur den in der Praxis fast immer vorkommenden Fall des turbulenten Abflusses fiir den Verlustbeiwert X die allgemeine Beziehung nach COLEBROOK-WHITE [6.1]/[6.2]:

i-'"'

Cj

s

Re^lX

C2

[-]

(6.2)

mit e=% /

[-]

(6.3)

^hy

A Reibungsbeiwert Cj/C2 Konstanten s. Tabelle 6.2 £ relative Rauheit k aquivalente Rauheit s. Tabelle 6.3 wobei hier d^y in [mm] verwandt werden muB.

[-] [-] [-] [mm]

6 Freispiegelleitungen

167

Tabelle 6 . 1 : Kinematische Viskositat v und Dichte p ^ fur Wasser Temperatur [°C] 1 kinematische Viskositat v [m^/s] 1 Dichte des Wassers p^ [kg/m^]] Tabelle 6.2:

0 1,78-10-^ : 999,87

10 1,3010-^ 999,73

20 1,00-10-^ 998,23^

30] 8,0610-^

995,671

Formbeiwert / sowie Konstanten Cy und Q in Abhangigkeit der Querschnittsform [6.3/6.4] Formbeiwert/

1 Rechteckprofil

1 Kreisrohrquerschnitt

1 Trapezprofil

h/h 0 0,25 0,50 0,75 1,00 h/d 0 0,25 0,50 0,75 1,00

Cj = 2,51/f

C2 = 3,71,f

(0,520-) 0,600 0,791 0,869 0,893 0,897

(4,83-) 4,18 3,17 2,89 2,81 2,80

(1,93-) 2,23 2,93 3,22 3,31 3,33

0,328 0,763 0,922 0,951 1,0

7,65 3,29 2,72 2,64 2,51

1,22 2,83 3,42 3,53 3,71

1

\f = {l629'nJh,uS''

1 Dreieckprofil

f = {2,539

tanay

Fur den in der Praxis seltenen Fall der lammaren Stromung kann der Reibungsbeiwert X vereinfacht berechnet werden, wobei dies streng genommen nur fur sehr breite oder sehr tiefe Rechteckgerinne gilt: 1=96/

(6.4) 'Re [-] FUr Kreisrohrquerschnitte kann zur schnelleren Ermittlung des Reibungsbeiwertes A das Nikuradse-Moody-Diagramm herangezogen werden, das in Abb. 8.4 zu finden ist. Bei der Wahl der entsprechenden aquivalenten Rauheit k aus Tabelle 6.3 muB berucksichtigt werden, daB diese Werte Mittelwerte darstellen, die bei neuen Triebwasserleitungungen geringer, bei alteren infolge Korrosion, Ablagerungen etc. deutlich hoher ausfallen. Den Reibungsverlustbeiwert ^ und damit die Reibungsverlusthohe hyr nach (2.8) erhalt man zu:

c.=^Cr L

(6.5)

[-] 4hy

Reibungsverlustbeiwert Lange (z. B. des Gerinnes bzw. der Leitung)

[-] [m]

168

6 Freispiegelleitungen

Tabelle 6.3:

Aquivalente Rauheit k und Strickler-Beiwert kg ,[6.4]

Oberflachenbeschaffenheit neu, gehobelt, stoBfrei nach langjahrigem Gebrauch, verquollen Asphaltauskleidung, neu 1 Bituminose Materialien Asphaltauskleidungen, leichte bis mittlere Verkrustung Hart-PVC, neu 1 Kunststoffe Polyethylen, neu glasfaserverstarter Kunststoff (GFK) neu Glas Kupfer, Messing, Blei, Aluminium NE-Metalle Messingblech, leicht oxidiert 1 GuBeisen neu gebraucht starker verrostet oder verkrustet Stahl geschweiBt, neu genietet Rohre (geschweiBt/gezogen), maBig verrostet Rohre (geschweiBt/gezogen), stark verrostet oder verkrustet 1 Uberzogener Stahl feuerverzinkt, neu galvanisch verzinkt, neu galvanisch verzinkt, 3 Jahre alt Bitumenuberzug, neu Bitumentiberzug, 0,5 ^ 5 Jahre alt Zementmortelauskleidung Kunststoff-/Lackiiberzug neu 1 Steinzeug 1 Asbestzement neu 1 Beton neu Spritzbeton, geglattet Stahlbetonrohre (Vakuumschalung) Schleuderbetonrohre DruckstoUen, geglattet Holz-/Stahlschalung Stein Ziegelmauerwerk Bruchsteinmauerwerk Felswande/Stollen, nachgearbeitet Felsw^de/StoUen, mit Zementmortelputz regelmaBig, ohne Bewuchs 1 Erde steiniger Boden, vereinzelt Pflanzen bei Geschiebetrieb stark verkrautet FlieBgewassersohle mit Riffeln FlieBgewassersohle mit mittlere UnregelmaBigkeiten erhebliche 1 Werkstoff Holz

A: [mm] 0,3 3,0 0,25-0,5 0,5-2,0 0,003-0,015 0,003 0,015-0,1 0-0,0015 0-0,0015 0,05-0,1 0,15-0,6 0,1-1,5 1,5-4,0 0,02-0,1 0,3-(>5,0) 0,14-0,4 1,0-3,5 0,07-0,16 0,02-0,28 0,27 0,03-0,05 0,1-0,4 0-0,3 0,007-0,4 0,3-11,5 0,01-0,06 0,3-3,0 0,5-1,5 0,15 0,03-0,6 1,5-1,6 ca. 1,0 1,5-6,0 3,0-20,0 220-350 1,5-4,0 15-60 110-170 100-200 500-1.500 RiffelhOhe 100-270 300-500

kst [m'^Vs] j 100,5 68,5 92-103,5 92-73 " -

-1

"" 120,5-135,5 89,5-113 77-120,5 65,5-77 120,5-(>150) <63-100,5 96-114 66,5-82

111,5-128 >101,5 102,5 135,5-147,5 96-120,5 >100,5 >96 54,5-100,5 >131,5 68,5-100,5 77-92,5 113 89,5-147,5 76-77 ca. 82 61-77 50-68,5 31-33,5 65,5-77 41,5-52,5 35-37,5 30-38 24,5-29 30-35 29-32 1

6 Freispiegelleitungen

169

Da die Berechnung des Reibungsbeiwertes X nach (6.2) relativ aufwendig ist, finden auch etliche empirische Formeln Anwendung, unter denen die nach MANNING-STRICKLER am verbreitetsten ist: y = Krrl''4

[m/s]

{6.6)

kst Strickler-Beiwert s. Tabelle 6.3 [m^^Vs] IE Energieliniengefalle [-] wobei bei NormalabfluB das Energieliniengefalle IE durch das Sohlengefalle Is ersetzt werden darf. Durch die Geschwindigkeit aus (6.6) wird die Rauheit berucksichtigt, und damit kann eine separate Berechnung des Reibungsbeiwertes X bzw. der Reibungsverlusthohe hyr entfallen. Bei der Ermittlung des Strickler-Beiwertes muB gepriift werden, ob die jeweilige Gerinnewandung gleichformig ist oder ob bei starkeren UnregelmaBigkeiten mit einer die FlieBgeschwindigkeit dampfenden Wirkung zu rechnen und damit der Beiwert abzumindem ist. So kann beispielsweise in maBig unterhaltenen Kanalen mit Bewuchs oder teilweise eingerutschten Boschungen die Rauheit deutlich erhoht und damit der Strickler-Beiwert nur ca. 60 % eines gut unterhaltenen Kanales betragen. Anzumerken ist, daB bei annahemd gleichen oder groBeren Abmessungen der Rauheitselemente im Vergleich zur Wassertiefe des FlieBgewassers die Gleichung {6.6) nicht mehr angewandt werden kann, sondem sie durch eine andere ersetzt werden muB. Gegebenenfalls laBt sich fiir einen Triebwasserleitungsabschnitt der Lange L der Reibungsverlustbeiwert ^ aus (2.8) und {6.6) berechnen zu: C . = ^ ^ K'st

[-]

(6.7)

%

Der Reibungsbeiwert X kann naherungsweise mit der aquivalenten Rauheit k folgendermaBen in Zusammenhang gebracht werden:

X = 0J84'{k/d,y)^' =0J84\zY'

[-]

(6.8)

Des weiteren hangt der Strickler-Beiwert kst mit der aquivalenten Rauheit k und damit mit dem Reibungsbeiwert X wie folgt naherungsweise zusammen: kst

=8,3'4g' ^f V'

'A

'/6

«26-

k

/

'^i 11,153-

.

f

dfjy'X

^ •/6

[m^^Vs]

(6.9)

J

/ Formbeiwert s. Tabelle 6.2 [-] wobei fur Werte s < 10"^ mit Ergebnisverfalschungen gerechnet werden muB bzw diese nur fur 35 m^^Vs < ^^^ < 65 m^^Vs und 0,168 m > A: > 0,004 m zutreffende Werte liefert. Daruber hinaus muB angemerkt werden, daB Strickler-Beiwerte mit kst > 150 m^^^/s nicht in die Tabelle 6.3 aufgenommen wurden, da bei derart glatten Materialien die Gleichung {6.6) nicht mehr vorbehaltlos angewandt werden kann. Vor allem bei natumah ausgebauten Freispiegelleitungen kommen haufig Unterschiede in der Rauheit des benetzten Umfanges /„ vor, z. B. zwischen Sohle und

6 Freispiegelleitxingen

170

Boschung. In diesem Fall kann man unter der Annahme gleicher mittlerer Geschwindigkeiten im entsprechenden Querschnitt den Strickler-Beiwert wie folgt bilden [6.5]: 2/3

L

f^st

Z(4,-/(*..f)

[m^^Vs]

(6.10)

Bei unregelmaBigen oder stark gegliederten Querschnitten, wie sie bei natiirlichen FluBlaufen sehr haufig, bei Triebwasserleitung hingegen seltener angetroffen werden, laBt sich der AbfluB vereinfacht uberschlagig uber die Kontinuitatsgleichung (2.10) ermitteln, indem die einzelnen Teilquerschnitte aufsummiert werden. Die Verluste infolge von Veranderungen des Querschnittes, die bei FlieBgewassem immer auftreten und damit beriicksichtigt werden miissen, konnen hingegen bei Triebwasserkanalen ganzlich vemachlassigt werden, da aus bautechnischen Griinden der Triebwasserkanal fast immer in einer Bauweise hergestellt wird, und daruber hinaus man bekanntlich bestrebt ist, die zusatzlichen Energieverluste moglichst gering zu halten. Entlang der Triebwasserleitung konnen sich unterschiedliche Querschnittsanderungen befinden, die entsprechend abschnittsweise berucksichtigt werden miissen. Fiir vertikale Querschnittsanderungen, also Verengungen (s. Abb. 6.1a) oder Verbreiterungen (s. Abb. 6.1b), erweitert sich (5.6b) um den EinfluB der Gerinnebreite und ergibt den Verlustbeiwert ^'^v zu [6.1]: •1 [-]

1+2

^qv

(6.11)

und damit die VerlusthOhe //v,^ der vertikalen Querschnittsanderung mit der bekaimten Beziehung (2.8) zu: [m]

^qv '

'h,qv

(6.12)

2g Verlustbeiwert fiir Verbreiterungen bzw. Verengungen Gerinnebreite am Punkt / Querschnittsanderungsverlust

hqv

a

1

Abb. 6.1:

2

(b)

[-]

[m] [m]

(1)

Horizontale Querschnittsveranderung: a) Verengung; b) Verbreiterung

(2)

6 Freispiegelleitungen

171

Krummungen wirken auf den AbfluB wie eine vergroBerte Rauheit, wobei der uberwiegende Anteil dieser Verluste auf Ablosungen und die daraus folgenden Sekundarstromungen (s. Kapitel 5.1.2) zuriickzufflhren ist. Bei dem bei Triebwasserkanalen dominierenden stromenden AbfluB hat die Anderung der Geschwindigkeitsrichtung eine Erhohung des Wasserspiegels und Verringerung der Geschwindigkeit an der AuBenseite und eine Absenkung des Wasserspiegels und Steigerung der Geschwindigkeit am Innenufer zur Folge (s. Abb. 6.2a). Die Wasserspiegeldifferenz ergibt sich dabei naherungsweise zu: Ah^-^-^

[m]

(6.13)

Ah Wasserspiegeldifferenz [m] r„j mittlerer Radius [m] Der Kriimmungsverlust hy^k ergibt sich nach GARBRECHT [6.6] zu: hy,k=^k'Ca-Ck-—-

vi

[m]

(6.14)

2g mit dem Korrekturfaktor Ca fiir den Kriimmungswinkel or. fura<90°:c^=6i/P0^ [-] (6.15a) ftir a > 90°: c« = (45 ^+ a/2)/90 ^ [-] (6.15b) und dem Korrekturfaktor Ck fur die aquivalente Rauheit k bei rauhen Gerinnen: c,=7,4'k''' [-]

(6.16)

hvk Kriimmungsverlust [m] <5t Krummungsverlustbeiwert s. Abb. 6.2b [-] Ccc Korrekturfaktor fur den Kriimmungswinkel a [-] Ck Korrekturfaktor fur die aquivalente Rauheit k [-] a Kriimmungswinkel s. Abb. 6.2a [°] Aus stromungstechnischen Grunden ist es vorteilhaft, keine abrupten Richtungswechsel einzuplanen, sondem vielmehr stete Krummungen mit ausreichenden tJbergangsbogen, beispielsweise in Form von Klothoiden oder Hyperbehi, vorzusehen. Die in manchen Triebwasserkanalen von Kraftwerken jahreszeitlich unterschiedlich stark auftretende Verkrautung vor allem mit hoheren Wasserpflanzen, den sogenannten Makrophyten, verursacht eine Reduktion des DurchfluBquerschnittes A sowie eine Veranderung der Gerinnerauheit, woraus wiederum eine Minderung der Kraftwerksleistung folgt.

6 Freispiegelleitungen

172

Ah E2

ha

h

^. 0,6 -

hi

Ablaufquerschnitt

1

0,5 - —n~

b

0,4 -

\ 1 'i 'i

Zulaufquerschnitt 1^

E1

^

1

0,3 -

wi

1

2 ,_

v 1 /2g

\

\

0,2 -

0,1 -

b

(a) Abb. 6.2:

~-~^ ~

1

Cb)

1

2

3

4

rm/b 5

6

7

8

9

Gerinnekrummung: a) Defmitionsskizze; b) Krummungsverlustbeiwert Ck ftir J3= 90° und A:« 0,0025 m (glatte Gerinne) [nach 6.6]

Diese zusatzlichen Verluste lassen sich mit Hilfe eines korrigierten StricklerBeiwertes infolge Verkrautung ^^^j^wie folgt abschatzen [6.7]: kst,v = ksi -10,464 + 2,149' ln(A/Av ) [m^'^ls] (6.17) ksty

korrigierter Strickler-Beiwert infolge Verkrautung [m^^^/s] fiir Verkrautungsgrade 5 > A/Ay> 130 A DurchfluBquerschnitt [m^] Ay Verkrautungsstimflache [m^] Die daraus ertnittelten Produktionsverluste lassen sich leicht dem Aufwand ftir IVlaheinsatze zur Beseitigung der Wasserpflanzen gegeniiberstellen und so der Verkrautungsgrad festlegen, ab dem eine Wasserpflanzenbeseitigung sinnvoll und wirtschaftlich ist. Beim FreispiegelabfluB in Rohrleitungen oder Stollen, bei den sogenannten teilgefiillten Querschnitten, kann ebenfalls davon ausgegangen werden, daB sich bei langeren Strecken NormalabfluB einstellt, und somit die Berechnung mit einer ausreichenden Genauigkeit wie bei der offenen Freispiegelleitung erfolgen kann. Stets sollten zur Kontrolle eine oder mehrere DurchfluBmefistellen vorgesehen werden. Hierzu bedient man sich in der Kegel genau definierter Querschnitte, z. B. eines Wehruberfalles oder DurchlaBbauwerkes, die eine Ermittlung der Geschwindigkeit bzw. des Durchflusses iiber die vorgegebene Querschnittsflache in Abhangigkeit von der Wasserspiegelhohe erlauben. Um iiber die dadurch ermittelte durchschnittliche Geschwindigkeit im Querschnitt genauere, detailliertere Angaben uber lokale Geschwindigkeiten zu erhalten, kann man sich numerischer Stromungsmodelle in Kombination mit der digitalen Bildverarbeitung bedienen, die bereits zur eigenstandigen DurchfluBermittlung herangezogen werden konnen. Ein besonderes Augenmerk muB bei geschlossenen Freispiegelleitungen auf ein ausreichendes Luftvolumen gelegt werden, da sonst bei AbfluBschwankungen der Rohrquerschnitt plotzlich vollstandig geflillt sein und der Luftstrom abreiBen

6 Freispiegelleitungen

173

konnten. Dieses sogenannte Zuschlagen des Leitungsquerschnittes und die nachfolgende mogliche Unterdruckbildung im Fliissigkeits-Luft-Gemisch kann zu betrachtlichen Druckerscheinungen fuhren, fiir die die Freispiegelrohrleitungen bzw. -stollen in der Regel nicht bemessen werden und wodurch starke Schaden entstehen konnen. Es ist daher naheliegend, die AbfluBhohe aus Sicherheitsgrunden auf ein MaB zu beschranken, bis zu der erfahrungsgemaB keine Gefahr des Zuschlagens besteht. Die entsprechenden Richtwerte fiir die Wasserspiegelhohen bei Teilfullung hrF fur die gebrauchlichsten Querschnitte in Abhangigkeit von deren Gesamthohe H bzw. deren Durchmesser d sind in der nachfolgenden Tabelle 6.4 angegeben. Fiir die genauere Bestimmung des Abflusses und der FlieBgeschwindigkeit stehen zahb*eiche Bemessungsdiagramme fur die jeweiligen Profiltypen unter den unterschiedlichen Randbedingungen zur Verfugung (s. beispielsweise VISCHER [6.8]). Tabelle 6.4: Wasserspiegelhohen HTF bei Teilfullung in Abhangigkeit von der Gesamthohe //bzw. dem Durchmesser d Profiltyp /ZTFM

Kreisprofil (und Hufeisenprofll) 0,75 -d

Quadratprofil 0,8 H

Torbogenprofil 0,83'd

Um das Zuschlagen zu vermeiden, sollten Storungen des stromenden Abflusses in der geschlossenen Freispiegelleitung nach Moglichkeit vermieden werden, wobei die bereits genannte ausreichende BelUftung erne sehr wichtige Rolle spielt. Dariiber hinaus soUte bereits bei der Planung em konstantes Gefalle vorgesehen werden, da sich an den Gefallewechseln je nach FlieBzustand FlieBwechsel von stromendem zu schieBendem AbfluB (sogenannter Wechselsprung) mit der wahrscheinlichen Folge des Zuschlagens des Querschnittes bilden konnen [6.8]. Der EmfluB des Gefalles wird aus der Tabelle 6.5 deutlich, in der beispielhaft die Werte fiir Betonrohre aufgefiihrt smd. Tabelle 6.5: Sohlgefallebereiche 1$ ftir Betonrohre (Kreisprofil) hinsichtlich Zuschlagen fiir stromenden AbfluB [nach 6.8] 1 Durchmesser d [m] 1 stabile Spiegellage mit Fr
0,5 /i'<8%o

1,0

k
2,0

4<6%o

^ 1\

Is<5%o

Weitere Ursache fiir das Zuschlagen konnen kraftige Wellen sein, die bei stromendem AbfluB sehr ofl durch auBere Emfliisse, z. B. plotzliches Offiien eines Verschlusses, entstehen konnen. Des weiteren konnen beim Uberschreiten emer kritischen Froude-Zahl Sturzwellen, auch als Froude-Wellen bezeichnet, entstehen, die ebenso zum Zuschlagen fiihren konnen [6.9] (s. a. Kapitel 6.3). Beziiglich der allgememen Berechnung von Rohrleitungen und Stollen, msbesondere hmsichtlich der Stabilitatsprobleme bei emgeerdeten Rohrleitungen und bei Stollen, wird auf die Kapitel 8 bzw. 9 verwiesen. Aus technisch-okonomischen Uberlegungen sollte grundsatzlich versucht werden, eine hydraulisch gunstige Querschnittsform zu wahlen, sofem keine topographischen oder anderen Einfliisse derartige Uberlegungen einschranken. Diese Querschnittsform ist dadurch charakterisiert, daB sie bei gegebenem (maximalem)

174

6 Freispiegelleitungen

AbfluB Q die minimale Querschnittsflache A benotigt; dies bedeutet beispielsweise ftir (6,6), daB r^y maximal oder 4 minimal werden mtissen. Fiir Rechteckquerschnitte ergibt sich damit: % =2

[-]

(6.18a)

und ftir Trapezquerschnitte: bsohkJ

Vh

= 2Ul^m'

-m\

[-]

(6.18b)

m Boschungsneigung 1: m [-] Befmdet sich der Triebwasserkanal in kalten Klimagebieten, in denen eine Eisbildung zu erwarten ist, kann diesem in vielen Fallen durch konstruktive und betriebliche MaBnahmen begegnet werden (s. Kapitel 5.2). 6.2

Sedimenttransport

In naturlichen FlieBgewassem befinden sich stets Sedimente - Geschiebe und Schwebstoffe -, die infolge Verwitterung, Gelande- und FluBbetterosion entstanden oder eingeleitet worden sind. Unter Geschiebe versteht man die Feststoffe, die an der Gewassersohle bewegt werden, unter Schwebstoffen jene, die mit dem Wasser im Gleichgewicht stehen oder durch Turbulenz in Schwebe gehalten werden. Durch den Sedimenttransport in den FlieBgewassem konnen Schaden bei Wasserkraftanlagen vemrsacht werden, wofur GegenmaBnahmen zu treffen sind. Schadliche Auswirkungen sind z. B.: - Vorschreiten des Geschiebedeltas in den Stauraum einer Sperranlage bis zum Wehr bzw. bis zum GmndablaB der Talsperre und dadurch Blokkierung der Wasserentlastung, sofem nicht fiir eine wirksame Sptilung Sorge getragen wu*d; - Auflandung eines bedeutenden Teiles des Speicherraumes durch eindringendes Geschiebe und absinkende Schwebstoffe und dadurch Verminderung der Speicherkapazitat und Verluste bei der Energieerzeugung; - Eindringen von an der Sohle transportiertem Geschiebe in den Werkkanal bzw. in den Dmckstollen infolge einer Auflandung bis zur Triebwasserentnahmehohe; - Fallhohenverluste betrachtlichen AusmaBes durch Erhohung der Wandrauheit und EinbuBe der Wasserfiihmng durch Geschiebe- und Schwebstoffablagemngen in Einlaufbauwerk, Kanalen, Vorbecken, Stollen oder Schachten; - Erosive Abnutzung der Wandungen und umstromter Bau- und Maschinenteile durch sandhahiges Triebwasser. Auf die Gmndlagen des Sedimenttransportes und damit der Erosion und Sedimentation soil hier nachfolgend nur insoweit eingegangen werden, wie dies zum allgemeinen Verstandnis notwendig ist; ansonsten findet man z. B. bei ZANKE [6.10], RAUDVIKI [6.11], WESTRICH [6.12] oder DVWK [6.13] die weiteren

6 Freispiegelleitungen

175

Details. Es muB allerdings darauf hingewiesen werden, daB alle rechnerischen Verfahren nicht allgemein gultig, sondem die Berechnungsansatze mehr oder weniger empirisch sind [6.14]. Nach der obigen Unterscheidung zwischen Geschiebe und Schwebstoffen kann demnach ein Kom je nach Fortbewegungsart zu beiden Gruppen zugeordnet werden. Rein rechnerisch laBt sich die GrenzkomgroBe dgr und damit gleichzeitig die mittlere Geschwindigkeit Vm fur den Ubergang Geschiebe - Schwebstoff ermittebi zu[6.15]: d^=vil{360'g)^2,832'10-''vi

[m]

(6.19)

dgr GrenzkomgroBe Geschiebe - Schwebstoff [m] Bei Wasserkraftanlagen ist vor allem der Geschiebeanteil der transportierten Sedimente von Bedeutung; auf die Schwebstoffe soil nicht weiter eingegangen werden, da diese bei den hier vorhandenen Geschwindigkeiten in der Wasserfassung und den Freispiegelleitungen in der Regel sehr kleine Komabmessungen haben. Der Ubergang von der Ruhe zur Bewegung und umgekehrt ist ein sehr komplexer, stochastischer ProzeB, der von mehreren Parametem, vor allem der Geschwindigkeitsverteilung, KomgroBe und Komform, abhangt. Werden die ftir eine KomgroBe kritische Geschwindigkeit Vcru und kritische Schubspannung Tcru, also die Spannung infolge Grenzflachenreibung und Grenzflachenwiderstand, Uberschritten, so setzt sich das Kom in Bewegung oder im anderen Fall sedimentiert es. Die kritische Schubspannung Tcru stellt dabei ein MaB ftir die Erosionsbestandigkeit der Gerinnewandungen dar, ftir deren Berechnung die alteren, oberflachlich abgeschliffenen Sedimente oder das kiinstliche Sohlendeckwerk und nicht die frisch abgelagerten Lockersedimente beriicksichtigt werden. Dieser Zusammenhang wurde von SHIELDS erstmals genauer erfaBt und in einem Diagramm dargestellt, aus dem fur die jeweilige KomgroBe deren Zustand entnommen werden kann, wobei eine gewisse Unsicherheit durch den angegebenen Ubergangsbereich zu beriicksichtigen ist. In der nachfolgenden Abb. 6.3 ist zusatzlich noch das Bewegungsrisiko R aufgetragen, wodurch die Schwierigkeit einer defmitiven rechnerischen Erfassung des Sedimenttransportes verdeutlicht wird. Die sedimentologische Reynolds-Zahl Re*, auch als Feststoff-Reynolds-Zahl bezeichnet, ergibt sich mit der kinematischen Viskositat v bzw. der Dichte p^ ftir Wasser aus Tabelle 6.1 zu: Re*=^o-dhy^

[-]

(6.20)

mit der Schubspannungsgeschwindigkeit v^*:

Re* VQ*

sedimentologische Reynolds-Zahl/Feststoff-Reynolds-Zahl Schubspannungsgeschwindigkeit

[-] [m/s]

6 Freispiegelleitungen

176 dch

charakteristischer Komdurchmesser

To hy,r

Wandschubspannung Reibungsverlusthohe (s. Kapitel 6.1)

[m] [kN/m^] [m]

Die Feststoff-Froude-Zahl Fr* ist definiert zu: (v:)'

Fr =Fr*

(6.22)

[-]

9F-9W

g' del

Feststoff-Froude-Zahl Feststoffdichte (wenn unbekannt: pp « 2650 kg/m^)

PF

T"

I .-••I

"1—r

[kg/m^] 1

Suspension SHIELDS-Bereich (original) SHIELDS-Kurve (iibl. Naherung)

1

Geschiebe

Sedimentation 0,01

J

1,0 Abb. 6.3:

I

L

J

10

\—r

Re* [-] J

L

100

\

L_

1000

Shields-Diagramm erganzt um das Bewegungsrisiko R [6.16]

Mit dem charakteristischen Komdurchmesser dch soil im Idealfall das Sedimentgemisch aus unterschiedlichen KomgroBen ausreichend reprasentiert sein, was naheliegenderweise jedoch unter realen Verhaltnissen nur schwer moglich ist. Vereinfachend wird oftmals, insbesondere bei nicht allzu groBer Streuung der KomgroBen {d84 /dj6 < 2), ein maBgebender Komdurchmesser beniitzt. In vielen Fallen wird der KomgroBendurchmesser dso verwandt, dessen Index darauf hinweist, daB diese KomgroBe von 50 % des Sedimentgemisches unterschritten wird, Oder anders ausgedrilckt, es sich hier um den Komdurchmesser bei 50 % Siebdurchgang handelt. Bei Wasserkraftanlagen interessiert insbesondere der kleinste zulassige Komdurchmesser, der in den Anlagenteilen keine Schaden vemrsacht, so daB unter diesem Aspekt auch dieser kleinste zulassige Komdurchmesser als charakteristischer Komdurchmesser angesetzt wird und damit die Bemessungsgmndlage fur den Sandfang darstellt, in dem das Triebwasser von alien KomgroBen bis zu diesem charakteristischen Komdurchmesser gereinigt werden soil (s. Kapitel 7).

6 Freispiegelleitungen

177

Das in einem FlieBgewasser vorhandene Sedimentgemisch muB anhand von zu nehmenden Proben ermittelt werden, wobei dies bei unterschiedlichen FlieBgeschwindigkeiten geschehen sollte, da, wie oben bereits erwahnt, mit steigender FlieBgeschwindigkeit die Transportmenge und die GroBe der transportierten Korner zunehmen. Im Gegensatz zu FlieBgewassem sind bei den Freispiegelleitungen die Randbedingungen verhaltnismaBig eindeutig vorgegeben. Das grobe Geschiebe wird in der Wasserfassung bereits weitestgehend zuriickgehalten, so daB hier nur das transportierte feine Geschiebe und die Sedimente sowie das Sohlenmaterial der Freispiegelleitung betrachtet werden miissen. Insbesondere bei Freispiegelleitungen mit beweglicher Sohle muB die FlieBgeschwindigkeit so gering gehalten werden, daB kerne weitere Erosion und Sohleintiefung geschehen und damit das Bauwerk Schaden nimmt. Die kritische FlieBgeschwindigkeit v^^, bei der der Feststofftransport der charakteristischen KomgroBe dch beginnt, ergibt sich zu [6.17]:

\Fr

P».

• "cA 'ksl

-h

[m/s]

(6.23)

mit dem Riffelfaktor //, durch den die Unebenheit der Sohle berticksichtigt wird: f^st Kf

Fr: ft

K dgo

[5,87i2gf]ld'J: kritische FlieBgeschwindigkeit kritische Feststoff-Froude-Zahl (Bewegungsbeginn) Riffelfaktor Komrauheit Komdurchmesser bei 90 % Siebdurchgang

(6.24)

[-]

[m/s] [-] [-] [m^^Vs] [m]

Im Zusammenhang mit der Grenzgeschwindigkeit muB auch auf die notwendige KomgroBe der Gesteinsbrocken bei Blockwurf oder anderen Bauweisen mit Lokkergesteinen bei Freispiegelkanalen hingewiesen werden, deren mittlerer Komdurchmesser dm sich wie folgt berechnen laBt, wobei bei NormalabfluB das Energieliniengefalle IE durch das Sohlengefalle Is ersetzt werden kann: dn,> dm

[m] mittlerer Komdurchmesser

(6.25) [m]

Selbstverstandhch kann zum Ufer hin ein kleinerer Komdurchmesser als auf der Sohle verwendet werden, doch bietet es sich aus Vereinfachungsgriinden an, beim Bau nur mit einer Gesteinsfraktion, also einer Gmppe von unterschiedlichen KomgroBen m einem bestimmten Bereich, zu arbeiten. Bei einer Freispiegelleitung mit fester Sohle, z. B. Beton oder Stahl, sollten die Materialeigenschaften und Dicke des Deckwerks so bemessen werden, daB dieses einem langeren Betrieb bei moglichst geringen Abtragsmengen standhalt, wo-

178

6 Freispiegelleitungen

durch zugleich auch hohere FlieBgeschwindigkeiten moglich werden. Als Richtwert fur die Grenzgeschwindigkeit Vgr^seton zur Vermeidung von groBeren Abschliffschaden gilt hier fur Betonkanale je nach der Zusammensetzung und Menge der Sedimente: Vgr,Beton =4^10

[m/s]

(6.26)

^gr,Beton Grcnzgeschwindlgkeit bei Betonkanalen [m/s] Gleichzeitig soil es aber auch nicht zu einer unkontroUierten Sedimentation der mittransportierten Sedimente kommen; diese sollen viehnehr, sofem notwendig, gezielt im Sandfang dem Triebwasser entzogen werden. Dies bedeutet, daB eine gewisse Mindestgeschwindigkeit nicht unterschritten werden darf, die groBer als die Absinkgeschwindigkeit des jeweiligen Komes ist (s. Kapitel 7). 6.3

Wellenbildung und Wasserspiegelschwingungen

In FlieBgewassem kann es aus unterschiedlichen Grtinden zu einer Wellenbildung und zu Wasserspiegelschwingungen kommen. In Freispiegelgerinnen mit einem gleichformigen und stromenden AbfluB sind Wellen, die durch lokale Storungen des AbfluBvorganges, z. B. durch Richtungsanderungen, Sohlschwellen, Gerinneverengungen oder -erweiterungen, ausgelost werden, selten, da diese vor allem bei schieBendem AbfluB auftreten. Bei stromendem AbfluB auBem sich diese lokalen Storungen hochstens in stetigen Wasserspiegelanderungen. Von besonderer Bedeutung sind die Schwall- und Sunkwellen, die durch eine DurchfluBstorung infolge teilweisen oder vollstandigen SchlieBens oder Offiiens eines Verschlusses am Anfang der Freispiegelleitung im Bereich der Wasserfassung oder direkt am Krafthaus durch Anderung der Turbinenbeaufschlagung ausgelost werden. Auch durch die Inbetriebnahme bzw. AuBerbetriebnahme einer Wasserkraftanlage werden selbstverstandlich Schwall- bzw. Sunkwellen erzeugt. Grundsatzlich ist man bestrebt, die Schwall- und Sunkwellen so gering wie moglich zu halten, um eventuelle Schaden zu minunieren. Vor allem beun Offhen oder SchlieBen der VerschluBorgane bzw. bei der In- oder AuBerbetriebnahme der Turbinen kann durch einen langsameren Steuervorgang dafur Sorge getragen werden, daB nahezu keine Wellen entstehen (siehe auch Kapitel 12).

6 Freispiegelleitungen

Abb. 6.4:

179

Schwall- und Sunkerscheinungen in Gerinnen: a) Fiill- oder Offnungsschwall; b) Absperrsunk; c) Entnahme- oder Offnungssunk; d) Absperr- oder Stauschwall

Man unterscheidet hierbei (s. Abb. 6.4): - Fiill- oder Offiiungsschwall: Wasserspiegelanhebung unterhalb des geoffneten Verschlusses (positive Welle); - Absperrsunk: Wasserspiegelabsenkung unterhalb des geschlossenen Verschlusses (negative Welle); - Entnahme- oder Offiiungssunk: Wasserspiegelabsenkung oberhalb des geoffiieten Verschlusses (negative Welle); - Absperr- oder Stauschwall: Wasserspiegelanhebung oberhalb des geschlossenen Verschlusses (positive Welle). Vereinfachend kann fur kleine Schwall- und Sunkwellen, d. h. z << ho, die absolute Wellengeschwindigkeit v^ der Schwall- bzw. Sunkwelle naherungsweise berechnet werden zu: (6.27)

Vv. =^g'ho ±Vo [m/s]

[m/s] v^ Wellengeschwindigkeit womit sich die Wasserspiegeldifferenz z beziiglich der urspriinglichen Wasserspiegelhohe ho infolge der Wellen naherungsweise ergibt zu:

±(a-a) K -Vw

[m]

z Wasserspiegeldifferenz bezuglich hg Qo/Qi DurchfluB vor/nach dem Offnen bzw. SchlieBen byv

Breite der Schwall- bzw. Sunkwelle

(6.28) [m] [mVs] [m]

In beiden Fallen ist das positive Vorzeichen bei Ftillschwall und Absperrsunk und das negative Vorzeichen bei Entnahmesunk und Absperrschwall anzuwenden.

180

6 Freispiegelleitungen

Allgemein laBt sich die WasserspiegeldifFerenz z berechnen zu [6.1]: (VQ-VI)

2g AQ

^

"V

(vo-Vy)

{vo-viy

2g

_^2-Ao

2g

K

[m]

FlieBquerschnitt im Ursprungszustand

(6.29) [m^]

mit positivem Vorzeichen fur Schwall und negativem Vorzeichen fiir Sunk. Da in der Regel kein Wert fur v/ vorliegt, ist man gezwungen, eine Iteration mit dem Anfangswert vj = Q/(Ao + K -z) durchzuftihren, bei der z abgeschatzt wird, die aber relativ schnell zu einem befriedigendem Ergebnis fuhrt. Fiir den Sonderfall des plotzlichen SchlieBens wird V; = 0, und bei plotzlichem Offiien ist bekanntlich vo = 0. Bei Rechteckquerschnitten vereinfacht sich die Gleichung mit Ao = by^ - ho. Neben den eventuell durch Wind oder Schiffe erzeugten Wellen ist in Freispiegelleitungen insbesondere die Hohe der maximal auftretenden Schwallwelle fur die Ermittlung des notwendigen Freibords von hiteresse, woraus sich mit einem Sicherheitszuschlag s die Mindesthohe hu/er fur die Kanalberandung bzw. das Ufer bezuglich der Sohle ergibt: h Ufer = ho,max -^ Zmax -^ S

hjjfer s

[m]

Mindesthohe der Kanalberandung bzw. des Ufers Sicherheitszuschlag: 5 = 0,3-0,5 m

(6.30)

[m] [m]

Bei Freispiegelstollen ist der Berechnung des Freibords ein besonderes Augenmerk zu widmen, da durch die Schwallwellen die Gefahr des Zuschlagens des Stollenquerschnittes besteht. Welters sei noch auf eventuell auftretende Hochwasserwellen vor allem infolge erhohten Niederschlages und seitlichen Oberflachenabflusses hingewiesen, die bei der Dimensionierung der Freispiegelleitungen unter Umstanden beriicksichtigt werden miissen, wenn es sich bei der Freispiegelleitung nicht um eine reine Ausleitungsstrecke handelt, die vollstandig vom FlieBgewasser oder Speicher abgetrennt werden kann. Bei der Dimensionierung des Deckwerks, insbesondere bei natumah gestalteten Freispiegelleitungen, muB auf die Schlepp- bzw. Sogkraft der Schwall- bzw. Sunkwellen geachtet werden. Wie bereits im vorhergehenden Kapitel erwahnt, muB die Stabilitat grundsatzlich gewahrleistet sein und bei Bauweisen mit Lokkergesteinen eine MindestkomgroBe verwandt werden. 6.4

Konstruktive Ausbildung und Befestigungen

Fiir die Wahl der konstruktiven Ausbildung einer Freispiegelleitung sind insbesondere die topographischen und geologischen Gegebenheiten entlang der Trasse von Bedeutung. Die wesentlichen Ausftihrungsmoglichkeiten fur deren Querschnittsform zeigt die Abb. 6.5. Es liegt auf der Hand, daB rutschungsgefahrdete Hangzonen fiir Triebwasserkanale durch Stollenbauten zu umgehen sind. Femer ist bei der Trassierung eines

6 Freispiegelleitungen

181

Hangkanales auf einen Massenausgleich beim Wechsel von Einschnitt- und Dammstrecken sowie auf giinstigere Transportweiten fur Aushub- und Schiittmassen zu achten. Die Querschnittsformen richten sich nach der Sicherung von Boschung und Kanalsohle sowie nach den Erfordemissen von Stromungsverhalten, Nutzung und Wirtschaftlichkeit. Daher sind fur die konstruktive Ausbildung von offenen Freispiegelleitungen die Neigungsverhaltnisse, die Baugrundbedingungen, die verfugbaren Baustoffe, die Standsicherheit, die Betriebsfiihrung und der Unterhalt weitere Entscheidungskriterien. Hieraus resultieren der Umfang der BaumaBnahmen, die Bauzeit, die Baudurchfuhrung, der Kostenaufwand und die Ausgaben fiir Kapitaldienst und Betrieb.

Abb. 6.5:

Querschnittsformen von Freispiegelleitungen [6.18]: Kanale: a) im Aushub; b) im Auftrag mit geschiitteten Dammen; c) mit teilweise geschiitteten Dammen (Massenausgleich); d) in leicht geneigtem Gelande; e) in stark geneigtem Gelande; f/g) mit beidseitigen Schwergewichtsstutzmauem; h) als Trog; i) als Trog mit Querriegeln; j) freistehender Trog; k) aufgestanderter Trog bzw. Kanalbriicke; 1) oberirdische Rohrleitung; m) Stollen

Da FlieBquerschnitt und Stromungsgeschwindigkeit, Rauheit und Sohlgefalle auch fiir die Energie- bzw. Fallhohenverluste bestimmend smd, bedarf es einer sorgfaltigen Abwagung zwischen rechteckiger, trapez- oder parabelformiger Querschnittsausbildung, der QuerschnittsgroBe, der Mindestneigung des FlieBgerinnes und der Befestigung seiner Sohle und Boschungen in Abhangigkeit von den

182

6 Freispiegelleitungen

baulichen, hydraulischen und betrieblichen Gegebenheiten auch bei unterschiedlicher Wasserfiihrung. In vielen Fallen macht die Topographie die Kombination unterschiedlicher Bauweisen und Querschnittsformen entlang der Trasse notwendig, z. B. ist im hiigeligen Gelande gelegentlich die Querung einer Rinne oder eines Einschnittes mittels einer Briicke notwendig. In diesen Fallen ist ein besonderes Augenmerk auf die Ausbildung des Ubergangsbereiches der unterschiedlichen Bauweisen zu legen, da diese Stellen einen moglichen Schwachpunkt darstellen. So ist es neben unterschiedlichem Setzungsverhalten beispielsweise moglich, daB infolge von Sickerwasser uber einen langeren Zeitraum unbemerkt Auswaschungen von Lokkergestein entstehen, infolge derer sich z. B. ein Brtickenwiderlager zu senken beginnt, die gesamte Konstruktion schlieBlich versagt und groBere Schaden durch das auslaufende Triebwasser entstehen konnen. Uberhaupt ist das Hauptaugenmerk auf den Wechsel von Einschnitt- und Auftragsstrecken hinsichtlich dichter Ubergange, unterschiedlicher Verformungen, Setzungen und Temperaturbewegungen zu richten. Letztere bedingen gleichfalls dichte Dehnfiigen, deren gegenseitiger Abstand wiederum von der Vertraglichkeit variierender Kanalabschnitte und maximaler Temperaturschwankungen abhangig ist. Ein parallel zum Hangkanal laufender Fahrweg, der auch auf Bermen angelegt werden kann, erleichtert die Zuganglichkeit und Unterhaltung der Triebwasserzuleitung je nach deren betrieblicher Bedeutung. Boschungen iiber der hochsten Wasserspiegellage sollten durch eine Rasendecke gegen Auswaschungen gesichert werden. Bei freistehenden, d. h. aufgestanderten oder iiber Briicken gefiihrten Freispiegelleitungen, insbesondere bei Trogformen, muB auch gegebenenfalls die Eisbildung berUcksichtigt werden. In Gebieten mit langer anhaltenden Frostperioden ist diese Bauweise deshalb ungunstig; es besteht nicht nur die groBere Gefahr des Zufrierens, vor allem bei Betriebsstillstand, wodurch der Betrieb beeintrachtigt wird, sondem das Bauwerk kann Schaden nehmen. In Regionen mit hohen Temperaturen oder in Gegenden mit starker und lang andauemder Windeinwirkung sollte zum Schutz gegen Wasserverluste infolge Verdunstung die vollstandige oder teilweise Abdeckung der Freispiegelleitung in Erwagung gezogen werden. Dasselbe gilt flir den Schutz gegen Beeintrachtigungen durch Laubeinfall, Stemschlag, Lawmen und Frost. Als reine Erdkanale ausgeflihrte Triebwasserleitungen bieten kaum einen ausreichenden Schutz gegen: - Erosionsschaden durch die Triebwasserstromung und Eis, - Wellenbildung, - Witterungseinfliisse, - Wasserverluste durch Sickerwasserstromung, - Bauwerksschaden an Boschungen vomehmlich durch einsickemdes Wasser bei hoherem Grundwasserspiegel besonders in Einschnittstrecken. Damit wird der zusatzliche Einbau eines Deckwerkes und meist auch einer Dichtung gegen Wasserverluste notwendig. Hierfur kommen eine Vielzahl von Bauweisen und Dichtungstypen in Frage [6.19], auf deren detaillierte Beschreibung an dieser Stelle jedoch verzichtet wird. Wiederum geben fiir die gezielte

6 Freispiegelleitungen

183

Auswahl jeweils geeigneter Dichtungsverfahren die Kosten den Ausschlag, wobei nicht zuletzt im Falle unvertretbar hoher Aufwendungen die Alternative einer Stollenleitung in den Vordergrund treten kann. Die nachfolgend genannten Moglichkeiten von Oberflachen- und Innendichtungen werden der Vollstandigkeit halber komplett aufgeftihrt, auch unter der Voraussetzung, daB besonders kostenintensive Methoden nur partiell unter Beachtung lokal gravierender Umstande in Frage kommen konnten: 1. Oberflachendichtung: gebundene Flachendichtung aus Tonbeton (Bodenvermortelung); naturliche Erddichtungen (verdichtet), z. B. Lehmdichtung; aufbereitete Erddichtungen (verdichtet) aus einer Bodenmischung mit nahezu stetiger Komverteilung (Fullerkurve); Flachendichtung mit Geotextilmatten mit eingebettetem Bentonit; Asphaltbetondichtungen mit schichtweisem Aufbau; Zementbeton mit Dehnungsfugen; Pflasterung aus Natur- oder Kunststeinen mit FugenverguB; Kunststoffdichtungen aus verschweiBten Polymer- oder Elastomerbahnen oder kunststoffverstarkten Bitumenbahnen, teilweise mit aufgeschutteter, stabiler Schutzschicht. 2. Flachige Innendichtung (vor allem in vertikaler Richtung): nattirliche Erddichtungen (verdichtet); aufbereitete Erddichtungen (verdichtet) aus einer Bodenmischung mit nahezu stetiger Komverteilung; Graben-ZTrockenschlitzwand aus Tonbeton; Asphaltbetondichtungen; Betonkem; Injektionen auf Zementbasis, seltener Kunstharz- oder Silikonbasis; Einphasen-Schlitzwand aus Betonitgemisch, unter Umstanden mit Einbauelementen (Stahlspundbohlen, Kunststoffdichtungsbahnen, Betonfertigteile); Zweiphasen-Schlitzwand aus Tonbeton, unbewehrtem Beton oder Stahlbeton; Schmalwand aus Stahlprofilen und Dichtungsmasse (Betonitgemisch). 3. Bohrpfahlwand 4. Spundwand aus Holz, Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton Bei den Deckwerken kann grundsatzlich unterschieden werden zwischen: - durchlassigem Deckwerk und - undurchlassigem Deckwerk. In Bereichen, in denen kein Wasserverlust durch Versickem auftreten kann, ist der Einbau eines durchlassigen Deckwerkes, das einfacher und kostengtinstiger herzustellen und zu erhalten ist, moglich. Hierbei wird direkt auf die Boschungsund Sohlenoberflache ein Komfilter oder geotextiler Filter und gegebenenfalls zur Leistungssteigemng eine Dranschicht aufgebracht (s. Abb. 6.6a). Zu deren Schutz und gleichzeitig als Auflast zur Sichemng der Standfestigkeit wird in der Regel

6 Freispiegelleitungen

184

dariiber noch eine Deckschicht angeordnet, die vor allem aus Steinschuttungen mit Oder ohne durchlassigen VerguB sowie Betonfertigteilen bestehen kann. Der Komfilter bzw. geotextile Filter hat dabei die Aufgabe, die verschiedenen Schichten mit stark unterschiedlicher Durchlassigkeit zu trennen und eine Erosion bzw. Bodenumlagerung sowohl des Deckwerkes und der gegebenenfalls vorhandenen Dichtungsschicht als auch des anstehenden Bodens zu verhindem. Durch die Auswaschungen kann die Leistungsfahigkeit der Filter- bzw. Dranschicht betrachtlich gemindert werden. Bei der Bemessung des Filters mussen sowohl die hydraulische Belastung als auch die Beschaffenheit der jeweils anschlieBenden Schichten gemal3 den entwickelten Filtergesetzen flir stufenweisen Aufbau der Komstrukturen (Mehrstufenfilter) beriicksichtigt werden. Ein besonderes Augenmerk ist auch auf den BoschungsfuB zu legen, der ausreichend groB dimensioniert oder verankert sein muB, um die Standsicherheit der Boschung gegen ein Abrutschen zu gewahrleisten. -Sickerlinie (theor.)

\ V

V V Boden mit bindigen V V Deckschichten \

a

Abb. 6.6:

\ \

\

Dränung und Auflast geotextiler Filter Asphaltmastix Asphaltbeton Dränasphalt Asphaltbeton Asphaltbinder Bitumenemulsion Schotterausgleich Dammschüttung

Schematischer Aufbau von Deckwerken: a) Deckwerk mit Geotextil [6.20]; b) Asphaltdichtung [6.21]

Auch bei undurchlassigen Deckwerken ist in der Regel eine Filter- und Dranschicht anzuordnen, um eine Sicherheit gegen die Bildung von Wasseriiberdruck hinter der Dichtung zu erreichen, wobei auf diese bei geniigend durchlassigem Boden verzichtet werden kann. Beim Aufbau unterscheidet man zwei Grundtypen: - Filter - Dichtung - Filter - Schutz-ZDeckschicht, - Filter - dichte Deckschicht. Der erste Typ ist bei Dichtungen notwendig, die nicht erosionsbestandig sind, z. B. Lehmdichtungen. Der zweite Typ kommt bei alien erosionsbestandigen, stabilen Deckschichten zur Anwendung (s. Abb. 6.6b). Bei den undurchlassigen Dichtungsschichten, die nicht elastisch sind (z. B. Betonplatten bzw. Betonfertigteile), ist die Ausbildung von elastischen Fugen, die gleichzeitig eine ausreichende Dichtigkeit besitzen, von besonderer Bedeutung. Da im Betrieb diese Fugen jedoch einen Schwachpunkt des Deckwerkes darstellen und sehr wartungsintensiv sind, ist man heute bemiiht, andere Oberflachendichtungstypen zur Anwendung zu bringen, bei denen keine Fugen notwendig sind und die eine ausreichende Elastizitat besitzen, wie z. B. Kunststoff- und Asphaltbetondichtungen. Vor allem bei SanierungsmaBnahmen kommen heute vermehrt

6 Freispiegelleitungen

185

flachige Kxinststoffdichtungen auf PVC- oder Kunstharz-Basis zur Anwendung, die keinen zusatzlichen Oberflachenschutz benotigen und trotzdem eine hohe Widerstandsfahigkeit vor allem gegeniiber Abrieb und Alterung aufweisen. Bei den flachigen Innendichtungen wird die Dichtungsschicht getrennt von der Deckschicht, die hier im wesentlichen die Aufgabe des Erosionsschutzes der Sohle und Boschung hat, angeordnet. In der Regel wird bei diesem Typ die Dichtungsschicht vertikal angeordnet, wobei dies vor allem in der einfacheren Bauausflihrung und dem geringeren Materialverbrauch begriindet ist. AUe Innendichtungen miissen bis in eine tieferliegende Schicht gefiihrt werden, die eine ausreichende Dichtigkeit bietet, um so einen Wasserverlust im Triebwasserkanal durch Unterstromung zu verhindem. Bei Iimendichtungen in geschiitteten Dammen ist ebenso wie bei den Oberflachendichtungen eine Filter- und Dranschicht zur Trennung hinsichtlich der spezifischen Durchlassigkeit stark unterschiedlicher Bodenschichten und zum Schutz anzuordnen. Bestimmten firtiher die technischen und wirtschaftlichen Vorgaben die Gestaltung der Deckwerke, so treten heute zunehmend okologische und landschaftsplanerische Aspekte in den Vordergrund, und es wird vermehrt ein naturnaher Ausbau der Triebwasserleitungen angestrebt, der einen sinnvollen Mittelweg zwischen dem rein technischen Zweckbau, z. B. einer Betonriime, und der Nachbildung nahezu naturlicher Verhaltnisse darstellt. Charakterisiert wird diese Bauweise bei Triebwasserleitungen vor allem durch: - moglichst natumahe Sohlen- und Boschungsbeschaffenheit, - natilrliche Ufersicherung, - geschwungene Linienfiihrung, wobei dies eindeutig immer ein KompromiB zwischen den Anforderungen an eine moglichst unbeeintrachtigte Triebwasserfuhrung und den okologischen Zielsetzungen ist. Ein besonderes Augenmerk muB bei dieser Ausbauart auf die sehr komplexen Wechselbeziehungen zwischen AbfluBgeschehen, Sedimenttransport, Morphologic und Vegetation (Uferboschungen, Wasserwechselzonen, Verkrautung) gelegt werden, die zu bestunmen es emer ausreichenden Erfahrung bedarf [6.22]. 6.5

Ubergang in Druckrohrleitungen

Am Ende der Freispiegelleitung ordnet man als Ubergang zum direkt daran anschlieBenden Krafthaus - insbesondere bei Niederdruckanlagen - oder bei Mittelund Hochdruckanlagen in die dorthin ftihrende Druckrohrleitung ein weiteres Einlaufbauwerk mit einem Einlaufbecken (s. Abb. 4.11 und 6.7) an.

6 Freispiegelleitungen

186

Stirnwand des Einlaufbeckens

Druckrohre Geschiebespülkanäle .Verschlüsse für Geschiebespülkanäle

Schnitt B - B

Übergang in Druckrohrleitung Einlaufschütz 1 I I m^^i>

/Leerschußrinne •A

Druckrohre

Dammbalkennischen

Abb. 6.7:

I^A

Ubergang von der Freispiegelleitung in eine Druckrohrleitung mit Einlaufbecken und Entlastungsbauwerk [nach 6.18]

In beiden Fallen hat das Einlaufbecken die Aufgabe, das im Triebwasserkanal herangefiihrte Wasser mit einem geeigneten tJbergang gleichmaBig verteilt in die zum Krafthaus fiihrende Rohrleitung zu fiihren. Gleichzeitig fallt diesem Ausgleichsbecken - auch als WasserschloB bezeichnet (s. Kapitel 11) - die Dampfiing von DurchfluBschwankungen bei kurzfristigen Lastwechseln der Turbinen zu. Bel groBer dimensionierten Einlaufbecken konnen diese sogar die Rolle eines Tagesspeichers ubemehmen. Ebenso stellt die Verhinderung eines unkontrollierten Lufteintrages durch eine ausreichende Einlaufuberdeckungshohe eine wichtige Aufgabe dar (s. Kapitel 5.1.4). Des weiteren muB fur die Ableitung von iiberfliissigem Wasser ein selbstandig regehides Entlastungsbauwerk vorgesehen werden (s. Abb. 6.7), wofur in der Regel ein Streichwehr oder ein Heber mit anschlieBendem Tosbecken zur Energievemichtung und einem Entlastungskanal angeordnet wird. Am Ende des Einlaufbeckens wird vor dem eigentlichen Ubergangsbereich stets ein Feinrechen zum Schutz der Druckrohrleitung sowie der Maschinensatze vor Treibgut sowie gleichzeitig zur Unfallverhiitung eingebaut. Des weiteren befindet sich dort ein VerschluBorgan, meist in Form eines Schiitzes. Bei Freispiegelkanalen, bei denen ein emeuter Eintrag von Geschiebe in das bereits entsandete Triebwasser infolge von WitterungseinflUssen nicht ganzlich ausgeschlossen werden kann, muB dariiber hinaus ein Geschiebespulkanal zum Abzug der sich im Emlaufbecken infolge der Stromungsberuhigung absetzenden Sedunente vorgesehen werden. Gleichzeitig kann dieser Kanal auch die Funktion des

6 Freispiegelleitungen

187

notwendigen Grundablasses fur die Entleerung der Freispiegelleitung iibemehmen. 6.6 [6.1] [6.2] [6.3]

[6.4]

[6.5] [6.6] [6.7]

[6.8] [6.9]

[6.10] [6.11] [6.12]

[6.13]

[6.14] [6.15]

[6.16] [6.17]

Literatur Press, H.; Schroder, R.: Hydromechanik im Wasserbau. Berlin, Munchen: W. Ernst &Sohn, 1966 Bollrich, G.: Technische Hydromechanik. Band 1. Berlin: Verlag fur Bauwesen, 1996 Schroder, R. C. M.: Hydraulische Methoden zur Erfassung von Rauheiten - Bestimmung von Rauheiten. In: Schriftenreihe des Deutschen Verbandes ftir Wasserwutschaft und Kulturbau e. V. (DVWK) (1990), Heft 92 Wallisch, S.: Hydraulische Methoden zur Erfassung von Rauheiten Aquivalente Sandrauheiten und Strickler-Beiwerte fester und beweglicher Stromungsberandungen. In: Schriftenreihe des DVWK (1990), Heft 92 Einstein, H. A.: Der hydraulische Profilradius. In: Schweizerische Bauzeitung(1934),Bandl03,Nr. 8 Garbrecht, G.: AbfluBberechnung fur FlUsse und Kanale. In: Wasserwirtschaft 51 (1961), Heft 2 + 3, Seite 40-45 + 72-77 Abegg, J.; Wachter, K.: Bestunmung der Energieverluste bei FluBkraftwerken durch Wasserpflanzen. In: Wasser, Energie, Luft 88 (1996), Heft 9, Seite 191-193 Vischer, D. L.: Das Zu- und Aufschlagen eines geschlossenen Kanals. In: Wasser • Abwasser 134 (1993), Nr. 8, Seite 492-497 Dracos, T.; Chen, J.: Instabilitat und Zweideutigkeit des Normalabflusses in teilgeftillten Rohrkanalen. In: Wasser • Abwasser 136 (1995), Nr. 6, Seite 288-295 Zanke, U.: Grundlagen der Sedunentbewegung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1982 Raudviki, A.: Grundlagen des Sedimenttransportes. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1982 Westrich, B.: Fluvialer Feststofftransport - Auswirkung auf die Morphologic und Bedeutung fiir die Gewassergtite. In: Schriftenreihe gwf - Wasser, Abwasser (1988), Band 22 Deutscher Verband fur Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (Hrsg.): Feststofftransport in FlieBgewassem Berechnungsverfahren ftir die Ingenieurpraxis. In: Schriftenreihe des DVWK (1988), Heft 87 Mertens, W.: Zur Wahl geeigneter Sedimenttransport-Formeln. In: Wasserwirtschaft 85 (1995), Heft 10, Seite 486-490 Deutscher Verband ftir Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (Hrsg.): Schwebstoffinessungen. In: Regeki zur Wasserwirtschaft des DVWK (1986), Heft 125 Zanke, U.: Der Beginn der Sedimentbewegung als Wahrscheinlichkeitsproblem. In: Wasser + Boden 42 (1990), Nr. 1, Seite 40-43 DVWK (Hrsg.): Geschiebemessungen. In: Regeln zur Wasserwirtschaft des DVWK (1992), Heft 127

188

6 Freispiegelleitungen

[6.18] Mosonyi, E.: Water power development. Band I + II. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 [6.19] DVWK (Hrsg.): Dichtungselemente im Wasserbau. In: Merkblatter zur Wasserwirtschaft des DVWK (1990), Heft 215 [6.20] DVWK (Hrsg.): Anwendung von Geotextilien im Wasserbau. In: Merkblatter zur Wasserwirtschaft des DVWK (1992), Heft 221 [6.21] DVWK (Hrsg.): Asphaltdichtungen fur Talsperren und Speicherbecken. In: Merkblatter zur Wasserwirtschaft des DVWK (1992), Heft 223 [6.22] DVWK (Hrsg.): Hydraulisch-sedimentologische Berechnungen natumah gestalteter FlieBgewasser - Berechnungsverfahren ftir die Ingenieurpraxis. In: Mitteilungen des DVWK (1994), Heft 25

189

7 7.1

Sandfang Konstruktive Ausbildung

Nachdem durch eine Wasserfassung (s. Kapitel 5) das im entnommenen Triebwasser mitgefuhrte Geschiebe deutlich reduziert werden kann, gilt es, die restliche Geschiebe- und Schwebstofffracht - soweit vorhanden und notwendig - mit Hilfe einer wirksamen Entsandungsanlage, auch Sandfang genannt (s. Abb. 7.1 und 7.2), zu minimieren. Oblicherweise liegt die Entsandungsgrenze bei einem Schwebstoffgehalt von 2.000 ppm bzw. charakteristischen Komdurchmessem von dch = 0,2-0,5 mm, wobei bei Hochdruckanlagen mit einer Fallhohe hf> 100 m eine Herabsetzung bis zu einem Komdurchmesser von 4;/? = 0,05-0,1 mm notwendig werden kann. Die lange Lebensdauer von Wasserkraftanlagen, die zudem wartungsarm sein sollen, ist nur dann gegeben, wenn sie mit sauberem Wasser betrieben werden. Im Triebwasser enthaltene Feststoffe fuhren jedoch bei entsprechender Konzentration, Komharte und Stromungsgeschwindigkeit zu einem VerschleiB der von der Wasserstromung betroffenen Bau- und Maschinenelemente. Man bezeichnet eine derartige Oberflachenbeschadigung auch als (Hydro-) Abrasion oder Sanderosion. Insbesondere bei Hochdruckanlagen ist es von besonderem Interesse, den meist scharfen, feinkomigen Sand femzuhalten, da dieser aufgrund der Schleifwirkung die Druckrohr-, Druckstollen- und Druckschachtwandungen sowie die mit dem Wasser in Beriihrung kommenden Telle der VerschluBorgane und Turbinen, hier vor allem die Leitapparate und Laufrader angreift und je nach ortlicher FlieBgeschwindigkeit erhebliche Abrasionsschaden verursacht. Nicht minder leidet die Verkleidung einer offenen Triebwasserleitung unter dem reiBenden, stark schwebstoffuhrenden Wasser. Die VerschleiBerscheinung des schwebstoffuhrenden Wassers kann an den Laufradem in sehr kurzer Zeit derart starke Anfressungen verursachen, daB sich wesentliche Wu*kungsgradverschlechterungen ergeben, von der liber kurz oder lang eintretenden, unvermeidlichen ganzlichen Zerstorung der Turbine ganz zu schweigen. Mit wachsender Fallhohe machen sich derartige VerschleiBerscheinungen im allgemeinen immer unangenehmer bemerkbar. Vor allem bei Hochdruckanlagen ist in den wenigsten Fallen die ganzliche Erfullung der optimalen Entwurfskriterien moglich. Die flir den vollstandigen Schutz erforderliche Entsandung benotigt manchmal Absetzbecken unverhaltnismaBig groBer Abmessungen, die wegen topographischen und geologischen Beschrankungen sowie unvertretbarem Mehraufwand nicht zu verwirklichen sind. In einem solchen Fall ist man zu einem KompromiB gezwungen. Der urspriinglich vorgeschriebene groBte zulassige Komdurchmesser (s. Kapitel 6.2) und damit auch die im Triebwasser zulassige Sedimentkonzentration mtissen dann erhoht werden. Die hieraus folgenden Konsequenzen sind zu bedenken und die zu erwartenden VerschleiBerscheinungen abzuschatzen. Eine derartige sorgfaltige Untersuchung hebt nicht zuletzt auf die Gegeniiberstellung von Investitionssumme und Betriebs- bzw. Unterhaltungskosten einschlieBlich Ersatzleistungen sowie Erzeugungsverlusten wahrend der Instandhal-

190

7 Sandfang

tungsmaBnahmen ab. Dabei erhalt man die optimale Dimensionierung des Sandfanges als Ergebnis dieser Wirtschafllichkeitsuntersuchung dann, wenn die genannten Betriebskosten ihr Minimum erreichen (s. a. Kapitel 3.3), wodurch iiber die veranschlagte Lebensdauer Einsparungen bis in Millionenhohe erzielt werden konnen. An praventiven MaBnahmen waren beispielsweise zu nennen: - zusatzliche Verstarkung der Verkleidungen und Panzerungen; - Austausch gefahrdeter Maschinenteile, in bestimmten Zeitintervallen, wobei eventuell Ersatzlaufrader etc. vorgehalten werden sollten, um die Anlagenstillstandszeiten auf ein Mmimum reduzieren zu konnen; - Verwendung besonderer Stahllegierungen sowie die Aufbringung spezieller KeramikUberzuge bzw. Wolfram-Carbid-Beschichtungen fur die Maschinenteile zur Erhohung der Abriebsfestigkeit (s. Kapitel 15.3.1). Um einen sinnvollen KompromiB zwischen der zugelassenen Sedimentkonzentration und dem notwendigen baulichen und betriebstechnischen Mehraufwand unter Beachtung von Ausfallzeiten und EinbuBen an Energieerzeugung und Ertrag zu fmden, bedarf es breiter theoretischer Kenntnisse und ausreichender Erfahrung. In vielen Fallen wird es notwendig sein, zunachst im Rahmen einer Vorplanung moglichst wirklichkeitsnahe Modellversuche durchzufiihren. Am zuverlassigsten wiirden diese an einem Prototyp im MaBstab 1 : 1 geschehen. Heute werden sie durch modeme numerische Analysemethoden erganzt, die sich auf die Fragestellung der EinfluBfaktoren auf den MaterialverschleiB, auf den funktionellen Zusammenhang mit Korrosion, auf die Wechselwirkungen von Erosion und Kavitation sowie auf geeignete Modellgesetze zur Umsetzung auf erosionsarme Stromungswege in der Konstruktion konzentrieren. Die numerische Simulation geschieht dabei mit dreidimensionalen Finiten-Volumen-Modellen, mit denen unter anderem die Navier-Stokes-Gleichungen, die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen turbulenter Stromungsfelder, die Teilchenbahnen und die abrasive Wh*kung, z. B. mineralischer Quarzkomer, erfaBt werden konnen (s. Kapitel 14.2.7). Aufgabe der Entsandungsanlage ist es also, das Triebwasser von Feststoffen entsprechend den Erfordemissen weitgehend zu reinigen. Dazu wird sie in der Regel vor dem Einlauf in Druckrohrleitungen bzw. Druckstollen angeordnet, d. h. am Ende der Freispiegelleitung oder, sofem eine solche nicht vorhanden ist, dh*ekt im AnschluB an die Wasserfassung. Es kann aber auch sinnvoll sein, den Sandfang du-ekt im AnschluB an die Wasserfassung vor dem Freispiegelkanal anzuordnen, um Ablagerungen in diesem sowie Abrasionsschaden an dessen Boschungen und Sohle zu verhindem (s. Kapitel 6.2). In diesem Fall muB allerdings gewahrleistet sein, daB ein Sedimenteintrag durch Witterungseinfliisse aus der direkten Umgebung des Freispiegelkanals nahezu nicht moglich ist. Bei der Entsandungsanlage niitzt man die aus der Natur bekannten Vorgange der Sedimentation aus, indem man die FlieBgeschwindigkeit des Wassers deutlich reduziert und eine turbulente Stromung in eine laminare iiberfuhrt. Der gebrauchlichste Typ bei Wasserkraftanlagen ist der Langsandfang, bei dem es sich um ein flaches Absetzbecken mit vorwiegend rechteckigem oder trapezfbrmigem Querschnitt handelt (s. Abb. 7.1 und 7.2). Durch die Aufweitung des

7 Sandfang

191

Triebwasserleitungsquerschnittes wird die durchflossene Flache vergroBert und so bei gleichbleibendem DurchfluB die FlieBgeschwindigkeit betrachtlich vermindert. T -^ J EinlaufscMtz Leitwand h -_

Schütz TT

Schnitt A - B

0

Abb. 7.1:

Normalwasserspiegel / o

5

10

15

20 m

v^nU^^ A I Q U - ^ Rechen r,AuslalDschütz

horizontale Spülrinnen

Sandfang im AnschluB an die Wasserfassung mit kontinuierlicher Spulung: a) Schnitt A-B; b) GrundriB; c) Schnitt C-D [7.1]

Um eine gleichmaBige Durchstromung des Querschnittes zu erreichen und damit den gesamten, zur Verfiigung stehenden Raum auszuntitzen (sogenannter wirksamer Raum), ist auf eine symmetrische, gleichformige An- und Durchstromung des Beckens ein besonderes Augenmerk zu legen. Gegebenenfalls kann dies durch im Einlauf angeordnete Beruhigungsrechen bzw. Gleichrichterelemente sowie durch die vielfach anzutreffende Unterteilung des Beckens in mehrere Kammem bedeutend untersttitzt werden. Die sich im Becken ablagemden Sedimente werden durch die trichterformig ausgebildete Sohle einer kleinen langslaufenden Absetz- und Spiilrinne zugefuhrt, die vielfach aus Sicherheitsgriinden permanent mit einer relativ kleinen Wassermenge gesptilt wird (s. Abb. 7.1). Es besteht aber auch die Moglichkeit, die Spiih-inne in Intervallen in Betrieb zu nehmen, um Triebwasser zu sparen, wobei dies beispielsweise entweder bei gleichmaBiger Ablagerungsmenge nach einer bestimmten vorgegebenen Zeit oder andemfalls mittels Druckaufiiehmem am Boden automatisch nach Bedarf erfolgt (s. Abb. 7.2). Neuerdings werden auch Ultraschallsensoren zur Ablagerungsiiberwachung analog einer Lichtschranke erfolgreich eingesetzt [7.2]. Insbesondere bei abgelegenen Wasserfassungen mit daran anschlieBendem Sandfang, z. B. im Gebirge, ist auf eine zuverlassige Auslosung der Spiilung durch die entsprechenden Vorrichtungen zu achten [7.3]. Unter Umstanden kann man noch zur Verbesserung der Anstromverhaltnisse in der Spiilrinne Uber dieser Leitbleche einbauen.

7 Sandfang

192

/Querkanal" Einlaufschieber

Überleitung Nebenauslaß I- Schützenhaus mit Dammbalken verschlossen I Einlaufrechenl

Entnahmeüberfall Auslaufschieber

Wehrkanal Querkanal ^ Einlaufschieber Kontrollquerschnitt

Abb. 7.2:

Sandfang an einer Sohlentnahme (Tiroler Wehr) mit automatischer Sptilvorrichtung fiir den intermittierenden Betrieb: a) GrundriB, b) Schnitt A-A [7.4]

Die AbfluBsteuerung ftir die Spulung kann zum einen durch einen einfachen Schieber am Ende des Sandfanges gesteuert werden, wobei die Spiiloffiiung groBztigig ausgelegt werden sollte, da gerade bei Hochwasser ein erhohtes Geschiebeaufkommen zu erwarten ist. Zum anderen kami auch ein (iber die gesamte Sandfangbodenlange reichendes Horizontal-Spiilsystem verwendet werden, bei dem eine langsverschiebbare Schieberkonstruktion zahlreiche kleine AbfluBoffnungen freigibt. Um eine erhohte VerschleiBfestigkeit zu erreichen, werden dabei neben reinen Stahlbauweisen zunehmend auch solche aus Stahl-Kunststoff-Kombinationen verwendet. Um ein rasches und wirkungsvolles Ausspiilen zu ermoglichen, sollte die jeweils vorhandene Sptiloffhung ohne Riickstau durchstromt werden, und die Sandfangsohle sollte eine Langsneigung von 2-5 % aufweisen. Der daran anschlieBende Sptilkanal, der normalerweise in das Unterwasser miindet, sollte mit ahnlichem Gefalle wie die Kammersohle und gleicher Breite wie die Sptiloffhung, jedoch mit groBerer Hohe weitergefuhrt werden. Bei eventuell notwendigen Kriimmungen ist darauf zu achten, daB diese erst in ausreichender Entfemung von der Spiiloffiiung anfangen, damit kein Riickstau entstehen kann, und daB der Radius moglichst groB ausgelegt sowie eventuell die Sohle quer zur FlieBrichtung geneigt werden, um keine Ablagerungen entstehen zu lassen. Eine neue Steuerungsart fUr die Spiilrinne wurde durch norwegische Ingenieure entwickelt und erfolgreich bei Wasserkraftanlagen in Nepal eingesetzt [7.5]. Hierbei schlieBt ein strapazierfahiger, kraftiger Gummischlauch die Spiihinne zur trichterformigen Sohle hin ab. Wird der im Normalzustand wassergeflillte, langs der Spiihinne verlaufende Gummischlauch mittels eines zu offiienden Ventils entleert bzw. beliiftet, so hebt sich dieser sukzessive vom Spiilkanal ab und gibt letzteren bis zum AuslaB frei, an dem der Schlauch befestigt ist. Das nun in die Spiilrinne einflieBende Wasser setzt die abgelagerten Sedimente in Bewegung und transportiert diese aus dem Sandfang hinaus. Nach Beendigung der Spiilung er-

7 Sandfang

193

folgt eine Wiederbefullung des Gummischlauches, wodurch sich dieser wieder in seine Ausgangsposition absenkt und die Spiilrinne verschlieBt. Dieser VerschluB ist besonders bei Wasserfassungen mit periodisch auftretendem Sedimentanfall von besonderem Interesse, da in der restlichen Zeit der Wasserverlust durch die relativ gute Abdichtung sehr gering ist. Die vor allem in der Abwassertechnik gebrauchlichen weiteren Sandfangtypen, z. B. Rundsandfange, beluftete Sandfange oder Hydrozyklonen, kommen bei Wasserkraftanlagen nur sehr selten zur Anwendung. 7.2

Bemessung

7.2.1

Bemessungsgrundlagen

Grundlage ftir die Sandfangbemessung ist die Ennittlung der Geschiebeverhaltnisse, also der Art und Menge der vom FlieBgewasser beforderten Komer bzw. Komgruppen, wobei an dieser Stelle die verbliebenen kleineren Komdurchmesser von besonderer Bedeutung sind, da deren Entfemung Aufgabe des Sandfanges ist, nachdem die groBeren Bestandteile des Geschiebes bereits in der Wasserfassung (s. Kapitel 5) aus dem Triebwasser entfemt wurden. Die Geschiebe- und Schwebstofffracht setzt sich im allgemeinen aus Teilchen verschiedener KomgroBen von den kolloidalen Teilchen (Durchmesser d < 0,002 mm) bis zur Sandfraktion oder gar Grobgeschiebe (Feinkies mit d>2mm) bei gefallereichen FlieBgewassem, z. B. im Hochgebirge, zusammen. Ihre Konzentration Q ist auBerordentlich veranderlich, vor allem in Abhangigkeit von der jeweils abgefuhrten Wassermenge, so daB hier nur Richtwerte angegeben werden konnen. In Gebirgsbachen betragt sie durchschnittlich Q = 2-10kg/m^ und kann bei Hochwasser auf Werte von Q = 50-60 kg/m^ ansteigen, Flachlandflusse fiihren im Durchschnitt Q = 0,1-1,0 kg/m^, im Hochwasserfall Q = 5 10 k g W Geschiebe und Schwebstoffe. Nach der Feststellung der Geschiebe- und Schwebstoffverhaltnisse Cs im FlieBgewasser muB das mindestens zu erreichende Entsandungsverhaltnis Rs ermittelt werden, das im wesentlichen, wie oben bereits erwahnt, von den Erfordemissen des Betriebs aus der zulassigen Konzentration der Geschiebe- und Schwebstofffracht im Triebwasser Q^„/ bestimmt wird: j^^^£iz£^^.j00

[%]

Q Rs Entsandungsverhaltnis Cs Konzentration der Geschiebe- und Schwebstofffracht Cs,zui zulassige Konzentration der Geschiebe- und Schwebstofffracht im Triebwasser

(7.1) [%] [kg/m^] [kg/m^]

Liegt aufgmnd der eingangs erwahnten Ermittlung der Geschiebeverhaltnisse eine Sieblinie des im FlieBgewasser mitgefuhrten Materials vor, wie diese beispielhafl in der Abb. 7.3 dargestellt ist, so kann daraus Uber die mit der charakteristischen KomgroBe dch festgelegte Entsandungsgrenze das Entsandungsverhaltnis Rs abgelesen werden.

7 Sandfang

194

0

Abb. 7.3: 7.2.2

0,006

0,01

0,02

0,06

0,1

0,2

0,6

1

2

Ermittlung des Entsandungsverhaltnisses Rs aus einer Sieblinie [7.1] Beckenbemessung

Von besonderer Bedeutung fiir die Dimensionierung des Sandfanges ist die Sinkgeschwindigkeit v^ des charakteristischen Komes mit dem Durchmesser dch, das im Sandfang noch dem Triebwasser entzogen werden soil (Entsandungsgrenze). Fiir die Dimensioniemng gibt es mehrere rechnerische Ansatze, die jedoch alle den Nachteil besitzen, daB fiir diese eine genaue Kenntnis des Widerstandsbeiwertes des Komes und dessen Reynolds-Zahl notwendig ist. Es bietet sich daher an, auf gesicherte Werte zuriickzugreifen und die Sinkgeschwindigkeit v^ iiber die Sinkgeschwindigkeit v^' fur mhendes Wasser aus nachfolgender Abb. 7.4 zu ermitteln. Die dortigen Angaben sind fiir Quarze gemacht, die bei der Geschiebeund Schwebstofffracht dominieren und aufgmnd ihrer Harte die schadenstrachtigste Abrasion vemrsachen. Eventuelle kleinere Abweichungen der Dichte Pf konnen vemachlassigt werden. Durch das flieBende Wasser wird die Sinkgeschwindigkeit verzogert, so daB die FlieBgeschwindigkeit v beriicksichtigt werden muB, die in Sandfangen bei: v^0,2^0j{^0,6)

[m/s]

(7.2)

liegen sollte. Man erhalt die Sinkgeschwindigkeit im flieBenden Wasser v^ aus: a^v [m/s] v^. Sinkgeschwindigkeit in flicBendem Wasser v^/ Sinkgeschwindigkeit in ruhendem Wasser (s. Abb. 7.4) as Verzogerungsbeiwert der Sinkgeschwindigkeit mit dem Verzogerungsbeiwert der Sinkgeschwindigkeit a^. .0,132/

ttv = '

/4h

[-]

(7.3) [m/s] [m/s] [-]

(7.4)

wobei an dieser Stelle der Berechnung die Wassertiefe h noch nicht bekannt ist und man eine Annahme treffen muB.

7 Sandfang 10:

195

1

r

8" 6-

4 -

—[mrm l

^^J

2-

^ ^ R e = .000

JW-

108 0 604-

^ 02 01 Ci (\^ -

u^uo

.^<

j)^ I f i ^

n 04 -

w

1

^ ^ , ^ ^ •^0,1 ^^Ter nperat ur ir1°(

0 02 -

-0,01

0,01 , 0,01 0,02

Abb. 7.4

/ f ^ ^

-10

>:^

.<< ; ^ 5-^ *^-1

^.^.y,A ^^y^^ y]

n 08 -

-^^^^ //W /. ^ /t^ A'*--ioo ^ ^

•10-^ [m/s]

0,0( 1

1

11

1

0,04 0,06 0,1

0,2

0,4 0,6 0,8 1

4

6 8 10

20

!1

1—

40 60 100

Sinkgeschwindigkeit v^.' in ruhendem Wasser in Abhangigkeit des charakteristischen Komdurchmessers dch fur Quarzkugeln (pp =2650 kg/m^) bei verschiedenen Temperaturen mit den zugehorigen Reynolds-Zahlen [7.6]

Aus der Vorgabe, daB das abzusetzende Kom sich in der Zeit absetzen muB, in der das Becken durchflossen wird, erhalt man die Beziehung: Ls-v,. =h-v-

'Bs

[mVs]

(7.5)

Ls Sandfanglange (wirksamer Raum) [m] Bs Breite des Sandfanges [m] Damit stehen zusammen mit der Kontinuitatsgleichung (2.10) zwei weitere Gleichungen zur iterativen Bestimmung der Sandfangabmessungen (Lange Ls, Breite Bs und Wassertiefe h) zur Verfiigung. Um zu gewahrleisten, daB der Sandfang voU wirksam ist, mussen sich zum einen die Komer absetzen, also muB v^ > 0 sein. Zum anderen mussen sie auch liegen bleiben, d. h. die FlieBgeschwindigkeit v im Sandfang darf die kritische Geschwindigkeit Vcr, bei der die Komer wieder weitertransportiert werden, nicht iiberschreiten. Daher ergibt sich mit Vcr aus (6.23) folgende einzuhaltende Bedingung: v
=kst'rhy-0,03

[m/s] Pw

(7.6)

196

7 Sandfang

Des weiteren muB zusatzlich noch geprUft werden, ob die Unterteilung des Bekkens in mehrere Kammem notwendig ist, um eine gleichmaBige Durchstromung zu ermoglichen. Hilfreich ist hierbei die Faustformel: Bs<^'/^

[m]

(7.7)

die eingehalten werden sollte. Ist dies nicht moglich, so ist eine entsprechende Kammerunterteilung vorzunehmen, wobei die Faustformel wiederum fur jede einzebie Kammer eingehalten werden sollte. Ebenso sollte darauf geachtet werden, daB der voile Querschnitt ausgeniitzt wird und kein sogenannter hydraulischer KurzschluB entsteht, d. h. daB das Triebwasser ohne wesentliche Geschwindigkeitsverringerung den Sandfang durchflieBt und sich Totraume und Walzen bilden. Daher sollte folgendes Hohen-BreitenVerhaltnis eingehalten werden: /Bs

/l,0

LJ

y''^>

Die Ubergangsstrecken am Anfang und am Ende des Sandfanges sind in der Sandfanglange Ls nicht enthalten und mtissen bei der Planung noch zusatzlich beriicksichtigt werden. 7.3 [7.1] [7.2] [7.3] [7.4] [7.5]

[7.6]

Literatur Mosonyi, E.: Water power development. Band I + II. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 Wimmer, W.: Automatisierung der Sptilung von Wasserfassungen und Entsandem. In: Wasser, Energie, Luft 90 (1998), Heft 1/2, Seite 27-28 Schober, W.: Selbsttatige Entkiesungs- und Entsandungsanlagen. In: Osterreichische Wasserwutschaft 13 (1961), Heft 5/6, Seite 99-108 Drobir, H.: Entwurf von Wasserfassungen im Hochgebirge. In: Osterreichische Wasserwirtschaft 33 (1981), Heft 11/12, Seite 243-253 Lysne, D. K.; Olsen, N. R. B.; Stole, H.; Jacobsen, T.: Sediment control: recent developments for headworks. In: Hydropower & Dams 2 (1995), Heft 2, Seite 46-49 DVWK (Hrsg.): Schwebstoffinessungen. In: Regeln zur Wasserwirtschaft des DVWK (1986), Heft 125

197

8 8.1

Druckrohrleitungen Rohrtypen und Rohrverbindungen

Grundsatzliches Ziel einer Triebwasserleitung ist es, eine moglichst kurze Verbindung zwischen dem Entnahmebauwerk bzw. dem WasserschloB und dem Krafthaus zu schaffen. Daher kommen in vielen Fallen keine Freispiegelleitungen, sondem vollstandig gefullte, unter Druck stehende Rohrleitungen zum Einsatz, bei denen die sonst deutlichen Energieverluste infolge Reibung gering gehalten werden konnen. Die Triebwasserleitung wird bei groBerer Lange normalerweise m zwei Strecken aufgegliedert: in einen nahezu horizontal verlaufenden, meistens als DruckstoUen zwischen Talsperre und WasserschloB ausgebildeten Streckenabschnitt und in die zum Krafthaus hinabfuhrende Druckrohrleitung, die auch als Hangrohrleitung bezeichnet wird. Letztere kann auch in einen Druckschacht bzw. DruckstoUen, besonders bei Kavemenkraftwerken, iibergehen (s. a. Kapitel 9). Die Druckrohrleitung paBt sich meist dem Gefalle des Gelandes an und folgt deshalb im Langsschnitt einer geknickten Linie. Im GrundriB wird die Leitung tunlichst geradlinig gefuhrt, doch konnen Richtungsanderungen aufgrund von Topographic, Baugrund und Bebauung auch hier nicht immer vermieden werden. Sie kann dabei oberu*disch oder iiberschiittet verlegt werden. Als Baustoff fur die Rohrleitung kommen Stahl, SpharoguB, Beton, Kunststoffe oder auch Holz in Frage, wobei bei Wasserkraftanlagen bevorzugt Stahlrohre Verwendung finden. Der Einsatz von Asbestzement im Rohrleitungsbau ist wegen der bei der Herstellung und Verarbeitung entstehenden kanzerogenen Staube inzwischen problematisch geworden. Altemativen aus asbestfreiem Faserzement und aus glasfaserverstarktem Kunststoff sind ebenso wie Holzrohre vor allem bei geringeren DurchflUssen oder niedrigeren Drucken anzutreffen. Zur Abstutzung der Rohrleitungen dienen Betonfiindamente, die entweder als einfache Rohrsockel ausgebildet werden und kleme Bewegungen zulassen oder als Festpunkte die Leitung an einzebien Stellen fest verankem. Gerade bei den oberirdisch verlegten Rohrleitungen kann es infolge groBer Temperaturschwankungen in der Umgebung oder variierender Triebwassertemperatur zu erheblichen Langsspannungen im Rohr kommen. Je nachdem, ob erhohte Langsspannungen bei der Bemessung berucksichtigt werden oder die Temperaturdehnungen durch Dehnungsausgleichs- bzw. Dilatationsstticke ausgeglichen werden miissen, unterscheidet man geschlossene und aufgeloste Rohrleitungssysteme. Bei geschlossenen Rohrleitungssystemen sind die einzehien Druckrohrschusse sowohl miteinander als auch mit den hangaufwarts und hangabwarts angeschlossenen Bauwerken (z. B. Auflager, Einlaufbauwerke, Krafthaus) starr verbunden. Achsenparallele Krafte werden kraftschliissig iiber die gesamte Leitung bis zu den einzebien Festpunkten iibertragen. Es konnen keine Langsbewegungen zustande kommen, und im Druckrohr treten erhebliche Langsspannungen auf. Temperaturschwankungen sollten moglichst gering gehalten werden, was durch eine verdeckte bzw. iiberdeckte Verlegung erreicht werden kann. Die Anwendung geschlossener Druckrohrleitungen ist auf relativ kleine Durchmesser beschrankt. Besondere Bedeutung fur die auftretenden Belastungen hat die MontageschluBtemperatur.

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Um langsgerichtete Dehnungen zu ermoglichen, wird die halbgeschlossene Rohrleitung in dilatierende Rohreinheiten aufgegliedert. Sie besteht dann aus Teilstrangen, die durch Dehnungs- bzw. Ausgleichsglieder miteinander verbunden und jeweils nur an einer Stelle verankert sind (s. Kapitel 8.5.3). An den Knickpunkten der Rohrtrasse werden Betonfestpunkte angeordnet, denen sich talseitig ein Dehnungsglied anschlieBt. An den anderen Sockeln muB eine freie Langsbewegung moglich sein (s. Kapitel 8.5.2). Um unzulassig hohe Reibungskrafle auszuschalten, ist eine ordnungsgemafie Lagerung der Rohre in Gleitsatteln, Rollenauflagem oder Pendelstutzen erforderlich. In der Regel wird eine offene Verlegung bevorzugt, da bei den verdeckten Leitungen infolge Erdreibung zusatzliche Langs- und Querkrafte auftreten, ein besonderer Rohrschutz notig wird und die Dichtigkeit des Rohrstranges schlechter zu kontrollieren ist. Druckrohre mit verhaltnismaBig kleinem Durchmesser, die starr ausgefiihrt sind, jedoch mehrere Knickpunkte haben, konnen ebenfalls als halbgeschlossen bezeichnet werden. Hier sind an den Knickpunkten geringe Bewegungen moglich, und groBere Langsspannungen konnen vermieden werden. Man spricht in diesem Fall auch von einer fliegend angeordneten Leitung. Bei dem aufgelosten Rohrleitungssystem werden zwischen alien Rohrschtissen Dilatationsverbande eingebaut, Es treten praktisch keine Langsspannungen auf, da die Langsdehnungen zwischen den Rohrschtissen nicht behindert werden. Aufgeloste Rohrleitungen werden hauptsachlich in uberschUtteter Anordnung ausgefiihrt und dann vorwiegend bei kleineren Abmessungen. Dies gilt nicht flir Hochdruckrohrleitungen mit groBem Durchmesser. Bei Muffenverbindungen kann im allgemeinen von einem aufgelosten Leitungssystem ausgegangen werden. Druckrohrleitungen werden nach der Verlegung vor der Inbetriebnahme einer Druckpriifung unterzogen, die sowohl zur CFberpriifiing der Festigkeit als auch zum Nachweis der Dichtigkeit dient. In Deutschland wie auch einigen anderen Landem wie Norwegen und den USA werden Festigkeits- und Dichtigkeitsprufimg als gemeinsame Priifiing durchgefiihrt. Die InnendruckprUfiing ist in Deutschland nach DIN 4279 [8.1] in eine Vor- und eine Hauptprufimg unterteilt und berticksichtigt unterschiedliche Rohrmaterialien mit unterschiedlichen Auskleidungen. Nach Fullung der Leitung ist im Rahmen der Vorpriifiing der Druck vom Nenndruck auf den Priifdruck zu steigem. Dieser betragt flir Leitungen mit einem zulassigen Betriebsdruck bis 10 bar das l,5fache des Nenndruckes und flir Leitungen mit einem zulassigen Betriebsdruck iiber 10 bar den Nenndruck zuzuglich 5 bar. Die Priifdauer ist abhangig von Rohrart und Nennweite und kann flir die Hauptprtiflmg zwischen 3 und 24 Stunden variieren. Am hochsten Punkt der Leitung ist mindestens ein Priifdruck, der dem l,lfachen des Nenndruckes entspricht, zu erreichen. Andemfalls ist die Leitung in Teilstrecken zu unterteilen. Die Prtifl^edingungen gelten als erflillt, wenn wahrend der Priifdauer der Druckabfall am maBgebenden DruckmeBgerat oder die Wasserzugabe nicht groBer als diejenige ist, die flir die jeweilige Rohrart zugelassen ist (s. DIN 4279). Da das Gefahrdungspotential, das von einer bestehenden, m Betrieb befindlichen Druckrohrleitung ausgeht, beachtlich sein kann, ist es notwendig, diese Leitungen einschlieBlich Armaturen, Lager, Untergrund etc. wahrend des Betriebes einer permanenten Kontrolle zu unterziehen und vor allem bei alteren Anlagen

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diese nach dem heutigen Stand der Wissenschaft und Technik zu beurteilen [8.2]. Von groBer Bedeutung ist hierbei ein systematisches Beurteilungs- und Uberwachungskonzept, das folgende Aspekte berucksichtigt: - Dokumentation aller Anlagenkomponenten einschlieBlich der eingesetzten Werkstoffe und vorgenommener Unterhaltungs- und Reparaturmafinahmen, - Durchfiihrung und Dokumentation von regelmal3igen UberwachungsmaBnahmen, wie z. B. Funktionskontrolle der Sicherheitseinrichtungen (Klappen etc.), Vermessung zur Beurteilung der Lageveranderungen von Rohrleitung, Auflagem etc., zerstorungsfreie Materialpriifungen (Korrosionsschutz, Wanddickenabtrag infolge Erosion oder Korrosion, AnriB- und RiBpriifung infolge Ermiidung etc.); - Uberwachung und Dokumentation der auftretenden statischen und dynamischen Belastungen einschlieBlich deren Haufigkeit, Ableitung der daraus resultierenden Beanspruchungen und Vergleich mit den Auslegungsdaten unter Berucksichtigung von Alterung, durchgefflhrten MaBnahmen und sonstigen Veranderungen etc. Auf der Basis dieser wiederkehrenden Uberprufungen sind die entsprechenden MaBnahmen zur Instandhaltung zu planen und durchzufuhren. 8.1.1

Stahlrohre

Bei Wasserkraftanlagen kommt wegen der guten Montagemoglichkeiten und der hohen Zuverlassigkeit vielfach eine Stahlrohrleitung zur Ausfuhrung. Verwendet werden hochfeste Feinkomstahle und thermisch vergiitete, schweiBbare Stable. Die Feinkomstahle sind gut schweiBbar, kerbzah und sprodbruchsicher. Durch die Feinkomqualitat ist eine ausreichende Alterungsbestandigkeit, auch bei tieferen Temperaturen, gewahrleistet. Die Entwicklung der Werkstoffe hat auch die Verwendung von thermisch vergtiteten Stahlen ermoglicht. Sie erreichen durch Abschrecken aus hoher Temperatur und anschlieBendes Anlassen hohe Festigkeitswerte. Bei Einhaltung der notigen Vorschriften bereitet das SchweiBen keine Probleme. Wegen der geringeren Wanddicken vermindert sich das Risiko von SchweiBfehlem, und es entstehen geringere SchweiBeigenspannungen. Bei den Rohrverbindungen wird zwischen den losbaren und den unlosbaren Verbindungen unterschieden. Fur die Wahl der Verbindung miissen nicht nur Gesichtspunkte wie Wiederlosbarkeit und Kostenaufsvand, sondem auch Zuverlassigkeit im Betrieb, Konsequenzen einer Leckage, Schwingungsaspekte, Zuganglichkeit und Montagemoglichkeiten berucksichtigt werden. Mit der Entwicklung der SchweiBtechnik haben SchweiBverbindungen auch im Rohrleitungsbau einen sehr hohen Stellenwert gewonnen und die frtiher Ubliche Nietverbindung vollstandig verdrangt. Neben der Verbesserung der SchweiBverfahren war auch die standige Weiterentwicklung der Stable eine wichtige Voraussetzung flir diesen Wandel. Beim SchweiBen wird die Verbindung zweier Stahlteile durch einen Schmelzvorgang mit dem SchweiBzusatzmaterial erzeugt. Dies erfordert eine geeignete Zusammensetzung des Werkstoffes. Unlegierte Stable sind mit alien SchweiBver-

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fahren gut schweiBbar, wenn der Kohlenstoffgehalt C < 0,22-0,25 % und der Mangananteil Mn ^0,3-0,7 % betragen sowie weitere Grenzwerte eingehalten werden.. Zur Beurteilung der SchweiBeignung von niedriglegierten Stahlen kann das Kohlenstoffaquivalent CET herangezogen werden [8.3]. Bei hochlegierten Stahlen wird die SchweiBeignung nach der chemischen Zusammensetzung beurteilt, wobei die Angaben des Herstellers zu beachten sind. Die fehlende Nachgiebigkeit geschweiBter Rohrleitungen kann zu mehrachsigen Spannungszustanden mit zum Teil hohen Eigenspannungen fuhren. Der dadurch entstehenden Sprodbruchgefahr kann auBer von der konstruktiven Seite vor allem durch hohe Kerbschlagzahigkeit der verwendeten Stable begegnet werden. Bei vergUteten Stahlen ist die beim SchweiBen eingebrachte Warme zu kontrollieren, um die Beeintrachtigung der Vergiitungswirkung in engen Grenzen zu halten. Die Rohre werden in fiir den Transport geeigneten Abmessungen im Werk vorgefertigt und als Rohrschtisse oder Rohrschalen auf die Baustelle geliefert und dort montiert. Eingesetzt werden fast ausschlieBlich elektrische SchweiBverfahren. Hierbei wird zwischen den Rohrenden und einer Elektrode ein elektrischer Lichtbogen geziindet, der den Werkstoff aufschmilzt. Je nach Art der Elektrode, Zufuhrung des Zusatzmaterials und Schutz der SchweiBstelle vor unzulassig starker Oxidation unterscheidet man in: - Metall-LichtbogenschweiBung bzw. ElektrodenhandschweiBung (E) - Wolfram-InertgasschweiBung (WIG) - Metall-InertgasschweiBung (MIG) - Metall-AktivgasschweiBung (MAG) - UnterpulverschweiBung (UP) Das GasschmelzschweiBen (G) unter Verwendung eines zu verbrennenden Gasgemisches wird wegen der in den Grundwerkstoff eingebrachten groBen Warmeenergie und der daraus resultierenden negativen EinflUsse auf die Gefugeausbildung nur selten eingesetzt. Wegen der hohen Abschmelzleistung und der guten Verarbeitbarkeit finden in der Werkstatt meist die Schutz- bzw. InertgasschweiBverfahren MIG und MAG Anwendung. Auf der Baustelle konnen die InertgasschweiBverfahren nur eingesetzt werden, wenn ein ausreichender Witterungsschutz vorhanden ist. Um einen hydraulisch giinstigen, stetigen StoB an der SchweiBstelle zu erhalten, bietet sich der StumpfstoB an. Gangige SchweiBnahtformen sind in Abb. 8.1a dargestellt. Bedingt durch die Vielzahl der moglichen SchweiBnahtfehler und der betrachtlichen Schaden, die hierdurch entstehen konnen, ist in den meisten Fallen eine vollstandige Uberprlifung der SchweiBnaht angebracht. Als sehr zuverlassige Verfahren haben sich die Durchstrahlungspriifung (Rontgen- oder Gammastrahlen) und die Ultraschallpriifung bewahrt. Bei beiden Verfahren wird die Qualitat der fertigen SchweiBnaht zerstorungsfrei beurteilt.

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®

Abb. 8.1:

Rohrverbindungen: a) SchweiBnaht- [8.4]; b) Stopfbuchsen- [8.5]; c) Flansch[8.4]; d) Steckmuffen- [8.5]; e) Schraubmuffenverbindung [8.5]

Bei den Stahlrohren kommen neben der geschweiBten Verbindung noch eine Reihe losbarer Verbindungen zum Einsatz. Sie werden dort eingesetzt, wo entweder der Ausbau von Anlagenteilen moglich sein muB oder wo zur Vermeidung von Langsspannungen Dilatationsverbande notig sind. Zusatzlich konnen diese auch als Dampfiingselement bzw. zur Unterbrechung der Fortpflanzung von Schwingungen genutzt werden. Rohrexpansionsstiicke werden an frei verlegten Druckleitungen eingebaut, bei denen man den einzebien Rohrabschnitten in axialer Richtung ein gewisses MaB an ungehinderter Dilatation zugestehen muB (s. a. Kapitel 8.5.3). Dies ist auch da der Fall, wo der Baugrund zu Setzungen und Verschiebungen neigt. Die Art der Dichtung an der Expansion soil so beschaffen sein, daB sie bei Bedarf wahrend des Betriebes der Anlage nachgezogen werden kann. Die heute tibliche konstruktive Ausbildung der Stopfbuchsenverbindung ist in Abb. 8.1b dargestellt. Die Hauptabmessungen sowie die Einzelteile der Stopfbuchse sind in DIN 28 602 [8.6] festgelegt. Das Anpressen des keilformigen Dichtringes, der auf seiner Vorderseite eine Schutzkante aus harterem Gummi hat, geschieht mit dem Stopfbuchsenring uber Hammerschrauben, die mit einem Schraubenschlussel angezogen werden. Flanschverbindungen sind dort erforderlich, wo Leitungsstrange, an diese angeschlossene AbschluBorgane oder sonstige Einrichtungen ausbaubar sein mtissen. Da die Rohrleitungen bei Wasserkraftanlagen haufig sehr groBe Durchmesser haben und an die Verbindungen besondere Anforderungen gestellt werden, kommen die genormten VorschweiBflansche nur selten zur Anwendung. Die komplette Flanschverbindung besteht aus Flanschenpaar, Schrauben bzw. Schraubenbolzen mit Muttem und Dichtungen (s. Abb. 8.1c). Die Dichtungsringe werden zwischen die beiden parallelen Flanschflachen eingelegt und durch Anziehen der Schrauben so verformt, daB sie die Verbindung abdichten. Bei der Montage ist auf einwandfreie Dichtflachen und planparallel ausgerichtete Flansche zu achten. Fiir aufgeloste Rohrleitungssysteme bieten sich die Muffenverbindungen an. Man unterscheidet Steckmuffen- und Schraubmuffenverbindungen. Diese Verbindungen werden hauptsachlich im GuBrohrbereich eingesetzt. Sie wirken wie ein langsverschiebliches Gelenk mit einer allseitigen Abwinkelbarkeit von etwa 3-5°. Da keine Biegemomente und Zugkrafte von Rohr zu Rohr ubertragen werden, und

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die Dichtringe eine hohe Elastizitat aufweisen, konnen diese Verbindungen Krafle und Momente aufiiehmen bzw. kompensieren. Die heutige konstruktive Ausbildung der Tyton-Verbindung (Steckmuffenverbindung) ist in Abb. 8.Id dargestellt. Sie hat einen besonders profilierten Dichtring, der aus einem harten und weichen Gummi besteht und beim Einschieben des spitzen Endes in die Muffe so verformt wird, daB er die Verbindung abdichtet. Bei der Schraubmuffenverbindung (s. Abb. 8.1e) sind das Muffeninnere und die AuBenseite des Schraubringes mit einem gegossenen Gewinde versehen. Mit Hilfe des Schraubringes wird iiber einen Gleitrmg der besonders geformte Dichtring in seinem Sitz zusammengepreBt. Bei bandagierten Stahlrohren werden die Vorzuge der Vorspannung ausgenutzt, wodurch sich geringere Wanddicken und somit auch Einsparungen an Masse und SchweiBzeit ergeben. So werden iiber ein unbearbeitetes Rohr kalibrierte Verstarkungsringe aufgezogen. Durch eine anschlieBende Wasserdruckpobe wird das Rohr iiber die Elastizitatsgrenze hinaus beansprucht, so daB danach eine bleibende Verformung und eine hieraus folgende Vorspannung entsteht. Bei einer anderen Variante werden auf ein unbearbeitetes Rohr innen bearbeitete warme Ringe geschrumpft, wobei das Rohr nicht iiberreckt wird. Nicht durchsetzen konnten sich aufgeschrumpfte Ringe auf bearbeiteten RohrauBenflachen sowie drahtseilbandagierte Rohre. Aufgrund des hohen Fertigungsaufwandes werden derartige Rohre heute nahezu nicht mehr eingesetzt. Stahh*ohre miissen ebenso wie alle anderen Stahlbauteile vor Korrosion geschiitzt werden. Dabei wird unter Korrosion eine Redox-Reaktion eines metalHschen Werkstoffes mit seiner Umgebung verstanden, wobei das Metall oxidiert und ein Korrosionsmedium reduziert wird. Da Stillstandszeiten infolge von tJberholungsarbeiten fiir Wasserkraftanlagen groBe wirtschaftHche Verluste bedeuten, ist auf den Korrosionsschutz ein besonderes Augenmerk zu richten. Aktive KorrosionsschutzmaBnahmen (s. Tabelle 8.1) greifen aktiv in die Korrosionsreaktion ein, mit dem Ziel, diese zu hemmen oder zu unterbinden. Zu diesen ist zum Beispiel der elektrochemische Schutz in Form des kathodischen Korrosionsschutzes zu zahlen, bei dem der zu schutzenden Metalloberflache Elektronen zugefuhrt und somit die Abgabe von Metallionen unterbunden werden, die gesamte Leitung also als Kathode wirkt. Passive KorrosionsschutzmaBnahmen (s. Tabelle 8.1) zielen darauf ab, das Stahlbauteil vom Angriffsmittel zu trennen. Dies geschieht durch Aufbringung von organischen oder anorganischen Schutziiberziigen, so daB der zu schiitzende Werkstoff nur noch an Fehlstellen des Uberzugs mit dem Elektrolyten reagieren kann. Ein besonderes Augenmerk muB beim Aufbringen von Schutziiberziigen bzw. deren Ausbesserung auf die Umgebungsbedingunen (Luft- und Materialtemperatur, Feuchte etc.) geschenkt werden, um einen dauerhaften Korrosionsschutz zu erzielen. SchlieBlich ist bei SanierungsmaBnahmen zu priifen, welcher Art die bisher verwendeten Materialien (Asbest, PCB etc.) sind, so daB gegebenenfalls gezielte ArbeitsschutzmaBnahmen ergriffen werden konnen (s. Kapitel 13.3.1).

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Tabelle 8.1: Systematik der KorrosionsschutzmaBnahmen [8.4] 11. 1.1 1.2

Aktive SchutzmaBnahmen Werkstoffwahl Konstruktive MaBnahmen, z. B. gute Wasserableitung 1.3 Entfemen des Angriffsstoffes aus dem Elektrolyten, z. B. Wasseraufbereitung 1.4 Zugabe von Inhibitoren a) anodisch wirkend b) kathodisch wirkend c) adsorptiv wirkend 1.5 kathodischer Schutz a) mit galvanischen Anoden b) mit Fremdstromschutz, z. B. strombzw. potentialgeregelt c) lokaler Schutz d) Streustromschutz 1.6 anodischer Schutz a) durch Legierung b) mit Fremdstrom (potentialgeregelt)

8.1.2

2. 2.1 2.2

2.3.1

2.3.2

2.3.3

Passive SchutzmaBnahmen 1 Vorbehandlung: Phosphatieren temporarer Schutz a) Ole b) Klarlacke c) Wachse oder Wollfette d) Bitumen und Teerpechlacke e) Werkstatt-Grundbeschichtung f) Fertigungsbeschichtung anorganische Behandlung a) Email b) Zementmortel organische Beschichtung a) Dunn- oder Dickbeschichtung (Anstrich oder Spritzbeschichtung) b) bituminose Umhiillung c) Kunststoffumhullung bzw. Inliner metallischer Uberzug, der chemisch passive Schutzschichten bildet, z. B. Feuerverzinken, elektrolytischer Uberzug, Plattieren |

Druckrohre aus duktilem GuBeisen

Vor allem bei Drticken unter ca. 50 mWS und kleineren Rohrdurchmessem sind Druckrohre aus duktilem GuBeisen eine sinnvolle und kostengunstige Alternative zu Stahlrohren, so daB diese insbesondere bei Kleinwasserkraftanlagen vielfach eingesetzt werden. Diese GuBrohre zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung infolge der kugeligen Graphitausbildung sowie eine gute Korrosionsbestandigkeit aus. Duktiles GuBeisen kann bezuglich seiner bruchmechanischen Eigenschaften mit Baustahlen mit mittlerer Kerbschlagarbeit, nicht jedoch mit hochwertigen Stahlen verglichen werden. Bei einer ausreichenden Auslegung ergibt sich jedoch kein wesentlicher Sicherheitsverlust gegen Bruchversagen. Derartige Rohre konnen theoretisch Drticken bis zu etwa 400 mWS problemlos standhalten. Heute werden Rohre aus duktilem GuBeisen im Schleuderverfahren und Formstucke im FormguB hergestellt. Ublicherweise werden die Rohre auBen mit einem Zinktiberzug und einer Deckbeschichtung und innen mit einer Zementmortel- oder bituminosen Auskleidung als Korrosionsschutz ab Werk versehen. Da dieser Werkstoff nur mit speziellen Zusatzwerkstoffen auf Nickelbasis oder mit besonderen Verfahren schweiBbar ist, werden die Rohrschtisse analog den Stahhohrleitungen (s. Abb. 8.1) vor allem tiber Muffen- und Flanschverbindungen zusammengeschlossen. 8.1.3

Betonrohre

Bei der Nutzung relativ kleiner Fallhohen konnen in Wasserkraftanlagen auch Druckrohre aus Stahl- und Spannbeton eingesetzt werden. Sie konnen sowohl uberschtittet als auch freiliegend verlegt werden. Beide Rohrtypen eignen sich gut fur die industrielle Vorfertigung, der allerdings durch die Transportmoglichkeiten Grenzen gesetzt sind.

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Stahlbetonrohre diirfen bis zu einem Bemessungsdruck von 20 bar (2000 kPa) bzw. 200 mWS eingesetzt werden. Ab einem Bemessungsdruck groBer 3 bar miissen je ein innerer und ein auBerer Bewehrungskorb angeordnet werden, die beide aus einer Ring- und Langsbewehrung bestehen, wobei letztere auch vorgespannt werden kann. Die Mindestdruckfestigkeit des Betons muB nach 28 Tagen mindestens 35 N/mm^ betragen. Fiir die Bemessung maBgebend ist die DESf EN 640 [8.7]. Charakteristisch fur das Spannbetondruckrohr ist die Vorspannung der Ringbewehrung. Die Langsbewehrung kann je nach statischen Erfordemissen vorgespannt Oder schlaff ausgefiihrt werden. Zur Herstellung der Ringbewehrung stehen zwei Verfahren zur Verfiigung. Fertigungstechnisch einfacher ist es, auf die AuBenseite eines Kemrohres die Ringbewehrung mit einer vorgegebenen Vorspannung aufzuwickehi und an den Enden sicher zu verankem. AnschlieBend wird zum Schutz des Stahls die Bewehrung mit dichtem Mortel oder Beton beschichtet. Bei dem zweiten Verfahren wird ein Bewehrungskorb aus hochfestem Stahl in die Rohrwand eingebettet und nach dem Betonieren durch hydraulische Dehnung vorgespannt, solange der Beton noch frisch ist. Die Mindestdruckfestigkeit des Betons muB beim Aufbringen der Umfangsvorspannung mmdestens 27 N/mm^ und nach 28 Tagen mindestens 35 N/mm^ betragen. Alle Rohre miissen auf Dichtigkeit gepruft werden. Eine sehr verbreitete Rohrverbindung fiir die vorgefertigten Betonrohre ist der MuffenstoB mit Rolhing- oder Gleitringdichtungen aus Elastomeren. Da es sich bei den Rohren aus Beton um starre Elemente aus relativ sprodem Material handelt, muB der sorgfaltigen Ausbildung und Herstellung der StoBverbindung groBe Aufinerksamkeit geschenkt werden. Auch bei ungleichmaBigen Setzungen muB die Dichtigkeit der Rohrverbindung erhalten bleiben, ohne daB eine Uberbeanspruchung des Rohres selbst auftreten darf. Von erheblicher Bedeutung sind die langfristige Unempfindlichkeit des Dichtungsmaterials gegen Temperaturschwankungen des Wassers und gegen Versprodung. In Frankreich wurden in den letzten Jahren einige Druckrohrleitungen aus Ortbeton mit lastverteilendem Innenfutter ausgefuhrt [8.8]. Sie konnen unter Umstanden insbesondere bei groBen Durchmessem eine wirtschaftliche Altemative zur Stahlleitung sein. Das Futter dient bei der Herstellung der Rohrleitung als verlorene Schalung. Uber Kopfbolzen oder eine entsprechende Bewehrung wird der Verbund zwischen Futter und Beton hergestellt. Bei Betonrohren ist auf die Widerstandsfahigkeit gegen chemische Angriffe zu achten. Basisch reagierende und schwach saure Fliissigkeiten stellen keine Gefahrdung des ebenfalls basischen Zementsteins dar, so daB bei den meisten Triebwasser-, Gmndwasser und Bodenverhaltnissen keine besonderen MaBnahmen ergriffen werden miissen. Genauere Angaben Uber die Starke des chemischen Angriffes von Wassem und Boden auf Beton gibt DIN 4030 [8.9]. 8.1.4

Rohre aus glasfaserverstarktem Kunststoffharz

Rohre aus glasfaserverstarktem Kunststoffharz (GFK) bestehen aus einem Verbundwerkstoff aus Polyesterharz, Glasfasem und Quarzsand. Den Glasfasem kommt dabei die Aufgabe der Abtragung der aus Innendmck und Biegung entste-

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henden Zugspannungen zu. Hierbei sind die Fasem in den Randzonen der Rohrwandung konzentriert, da dort die hochsten Spannungen auftreten. Der dazwischen liegende Quarzsandkem, der entweder im Schleuder- oder im Wickelverfahren hergestellt wird, erhoht die Ringsteifigkeit des Rohres und wird mit Polyesterharz gebunden, welches wahrend des Produktionsprozesses zu einer duroplastischen Kunststoffinatrix vemetzt (s. Abb. 8.2a). Die Glasfasem werden einerseits als endlose Faser im Winkel von etwa 90° zur Rohrachse aufgewickelt, andererseits als Kurzfasem beigegeben. Geschtitzt werden diese Faserlagen durch harzreiche abriebfeste Deckschichten an der RohrauBen- und Innenseite, die zusatzlich zu einer geringen Rauheit flihren. Heute werden GFK-Rohre standardmaBig mit Durchmessem < 3,0 m und RohrschuBlangen < 12,0 m sowie fur Drticke bis zu ca. 300 mWS hergestellt, wobei mit steigenden Drucken der Glasfaseranteil zunimmt.

Abb. 8.2:

a) Aufbau der GFK-Rohrwandung; Montagekupplung [nach 8.10]

Durch die duroplastische Verbundkonstruktion wird eine hohe Stabilitat bei geringem Eigengewicht erreicht. GFK-Rohre zeichnen sich des weiteren durch erne hohe Korrosions-, Alterungs-, Temperatur- und Saurebestandigkeit sowie eine geringe Inkrustationsneigung aus. Dartiber hinaus besitzen sie giinstige Stromungsund DruckstoBeigenschaften. Von Nachteil ist die Schlagempfindlichkeit gegeniiber starkeren StoB- oder Schlagbeanspruchungen, die zwar nicht zum Versagen, jedoch zu Haarrissen fiihren konnen. GFK-Rohre werden normalerweise eingeerdet verlegt, wobei vor allem wahrend der Bauphase aufgrund des geringen Eigengewichtes die leeren bzw. entleerten Rohrleitungen durch Auftrieb gefahrdet sind, so daB ein rasches Verfullen der Rohrtrasse ratsam ist. Bei GFK-Druckrohrleitungen in Wasserkraftanlagen nehmen die Druckstufen tiblicherweise entsprechend dem Druckanstieg im Verlauf der Leitung zu, wobei der gleiche Kupplungstyp beibehalten werden kann.

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Es stehen zahlreichen Moglichkeiten zum Verbinden der GFK-Rohrschiisse zur Verfiigung: - Doppelmuffen-Kupplung: Hierbei werden zwei GFK-Rohre durch einen umschlieBenden, hulsenformigen Kupplungskorper verbunden. Die Aufgabe der Fixierung und Abdichtung erfullen in den Nuten der Kupplung befmdliche Elastomer-Ringe (s. Abb. 8.2b). Die zu verbindenden Rohre werden axial in den Kupplungskorper gepreBt. - Montagekupplung: Die flir Dichtheit und Fixierung erforderliche Radialpressung wird durch Spannen des Kupplungskorpers iiber Schrauben erreicht (s. Abb. 8.2c), wodurch die Verwendung axial wirkender Montagewerkzeuge entfallt. - Laminatverbindung: Durch mehrere Lagen auflaminierter Vliesmatten werden die Rohrstucke auf der AuBenseite und bei Erreichbarkeit auch auf der Innenseite miteinander verbunden. - Flanschverbindungen: Beim tJbergang zu anderen Rohrwerkstoffen oder fur den AnschluB an Armaturen kommen Los- und Festflansche ublicher Bauart in Frage. Formteile werden entweder aus GFK-Rohrstucken zusammengefagt, deren StoBflachen uberlaminiert werden, oder monolithisch gewickelt. Neben Standardformteilen konnen auf diese Weise auch Sonderformteile hergestellt werden. Bei schwierigen Verhaltnissen wird haufig auch auf Stahlformteile ubergegangen. 8.1.5

Holzrohre

Holzrohre stellen die alteste Bauweise zur Beforderung von Fliissigkeiten und darunter insbesondere Wasser dar. Die ersten Rohre der Menschheit waren sogenannte Deichehi, bei denen es sich um ausgebohrte Baumstamme handelt, die mit Hilfe von stimseitig eingeschlagenen Eisenringen zu einer Leitung verbunden wurden. Bei den modemen, auch heute noch eingesetzten Holzrohren handelt es sich fast ausschlieBlich um Daubenrohre. Analog dem Aufbau ernes Fasses werden bei dieser Bauart die Dauben, d. h. einzelne, meist mit Nut und Feder versehene Bohlen mit spannbaren Stahlringen zu einem Rohr zusammengefiigt (s. Abb. 8.3). Die am haufigsten verwendeten Holzsorten sind aufgrund des hohen Harzgehaltes Kiefer, Larche oder Douglasie, die gegen Sauren und milde Basen mit pHWerten zwischen 2 und 11 bestandig sind. Der Widerstand gegen Abrieb ist durch die Faserstruktur und Elastizitat des natUrlichen Materials sehr gut. Durch die Holzfeuchte wahrend des Betriebes ist eine hohe Resistenz gegen Verrottung gegeben, so daB besonders bei unterirdisch verlegten Leitungen mit einer sehr hohen Lebensdauer von bis zu 100 Jahren gerechnet werden kann. Umgekehrt ist darauf zu achten, daB die Leitungen bei Stillstanden mit Entleerungen nie ganzlich austrocknen. Auf der Innenseite des Rohres bildet sich relativ rasch eine naturliche schleimige Schicht, welche die Reibungsverluste und die Inkrustation minimiert.

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(a, Abb. 8.3:

Aufbau eines Holzrohr: a) Dauben mit Nut und Feder sowie StoB, b) Spannringe

Die einzebien StoBe der Dauben werden wie bei einem Mauerwerk versetzt, wodurch ein Rohr beliebiger Lange entsteht, dessen Linienfuhrung den naturlichen Gegebenheiten angepaBt werden kann und keine spezielle Rohrauflager und Bettung erfordert. Auf diese Weise kann auf die stets kritischen Verbindungselemente, wie beispielsweise Kupplungen, verzichtet werden. Des weiteren eriibrigen sich aufgrund des geringen Dehnungskoeffizienten des Holzes in Rohrachsenrichtung Dehnungsausgleicher. Infolge des Quellens des feuchten Holzes ist keine zusatzliche Dichtung zwischen den einzebien Dauben notwendig. Lediglich bei extremen Druckverhaltnissen werden die Stimseiten der Bohlen mit Metallelementen verbunden. Zur Erleichterung des Einbaus werden die Nuten und Fedem der Dauben mit Talg o. a. eingestrichen. Die aus dem Innendruck entstehenden Ringspannungen werden durch die Stahlringe aufgenommen. Da diese Ringe einen Mindestabstand zueinander aufweisen miissen, wird durch diesen Abstand die Druckfestigkeit der Holzleitung bestimmt. Bei Wasserkraftanlagen werden Holzrohre vor allem im Bereich der Kleinwasserkraftanlagen erfolgreich eingesetzt, wobei sich eine Fallhohenbeschrankung auf rund 40 m als vorteilhaft erwiesen hat, um noch eine ausreichende Sicherheitsreserve bei Druckschwankungen nach beispielsweise einem Lastabwurf zur Verfugung zu haben. Druckhohen tiber 100 mWS sind bisher nur in seltenen Fallen ausgefuhrt worden und flihren an die Grenzen dieser Materialkombination. Bedingt durch die Konstruktionsweise ist der mogliche Kurvenradius nach unten hm abhangig vom Rohrdurchmesser begrenzt, wobei iiblicherweise ein minimaler Kurvenradius von ca. 60 • Jhergestellt werden kann. 8.2

Hydraulische Bemessung von Druckrohrleitungen

8.2.1

Hydraulische Grundlagen

Bei der Bemessung einer Druckleitung unter hydraulischen Gesichtspunkten stellt sich zunachst die Frage nach der geeigneten Rohrnennweite. Fiir die Wahl des Durchmessers sind dabei vorrangig wirtschaftliche Aspekte maBgebend. Wie im Kapitel 3.3 dargestellt, kann aus der Gegeniiberstellung der hivestitionssumme

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und Betriebskosten und der Energieproduktion die Wirtschaftlichkeit einer Anlage und damit der wirtschaftlichste Durchmesser geftinden werden. Des weiteren konnen die Erosionswirkungen durch im Triebwasser enthaltene Feststoffe und aus der Turbinenregelung her ruhrende dynamische FlieBvorgange die maximale Stromungsgeschwindigkeit einschranken (siehe Kapitel 8.3). 1st das Triebwasser ausreichend entsandet und werden auf das Leitungssystem abgestimmte Anlaufzeiten der hydraulischen Maschinen und SchlieBgesetze eingehalten, sind diese Einwh*kungen jedoch meist nicht relevant. Die sich aus der Wirtschaftlichkeitsrechnung ergebenden FlieBgeschwindigkeiten in Rohrleitungen liegen im Regelfall zwischen: v = 1-7 mis (8.1) wobei diese bei langen und flachen Rohrleitungen im unteren und bei steilen und mit groBerem Durchmesser versehenen Rohrleitungen im oberen Bereich liegen. Im folgenden wird die ftir den Betriebsfall mal3gebende FlieBgeschwindigkeit im Rohr als bekannt angenommen. Der erforderliche Rohrdurchmesser dt ergibt sich aus der Kontinuitatsgleichung(2.10)zu:

di = W'

\W

= A128' M/

[m]

(8.2)

di Rohrinnendurchmesser [m] Unter Annahme eines stationaren gleichformigen Abflusses laBt sich die Verlusthohe hyr in einer Druckrohrleitung bzw. einem Druckstollen infolge Reibung in einer ausreichenden Naherung wiederum aus der Gleichung (2.8) in Verbindung mit der Gleichung (6.5) bestimmen, die ftir Kreisquerschnitte folgendermaBen lautet: Kr=^'

— '— = ^ ' ^ dhy 2g di g-n^'df

=

j - ^ [m] g-n^-d-

(8.3)

Der Verlustbeiwert A ist, wie im Kapitel 6.1 bereits erlautert, eine Funktion der relativen Rauheit e der Rohrwandung und der Reynolds-Zahl Re. Nach den grundlegenden Forschungen von NIKURADSE und PRANDTL laBt der EinfluB der Reynolds-Zahl mit ihrem Ansteigen nach, und ab Re > 100.000 kann sie bei der Ermittlung von A ganzlich unberiicksichtigt bleiben. Es liegt dann also nur noch eine Abhangigkeit von der relativen Rauheit € vor. In laminaren Rohrstromungen ergibt sich gleichermaBen wie fur Rechteckgerinne (s. Gleichung (6.4)) ftir A eine lineare Abhangigkeit von Re in der Form: 64 X=— H (8.4) Re Ftir den Ubergangsbereich „glatt-rauh" und den „rauhen" Bereich kommt die semiempirische Gleichung (6.2) nach COLEBROOK-WHITE zur Anwendung. Da in Druckrohrleitungen von Wasserkraftanlagen der Wert Re = 10^ in der Regel bei weitem Uberschritten wird und somit nur der „hydraulisch rauhe" Bereich zu betrachten ist, vereinfacht sich die Gleichung (6.2) mit den Werten ftir die

8 Druckrohrleitungen

209

aquivalente Rauheit k aus Tabelle 6.3 fur einen vollstandig geftillten Kreisrohrquerschnitt (hier: dhy = 4) zu: -2 log

1^'-'""3J1

(8.5)

[-]

3J1

Zur Ermittlung des Widerstandsbeiwertes A bei Rohrleitungen kann auch das Diagramm nach NIKURADSE-MOODY herangezogen werden, das in Abb. 8.4 wiedergegeben ist. 1 8

1 1

^ \

-i

"F:^

7P

s.

\\

^ ^^

tv\iB1i

4

k/d = 5-10"^ "

1-^

K

6

1

voU rauh

J\

-k^

r1 =

11 1

J^

TF

•>:^^

_4^^1

^ \ 64/Re\

^p^N

1

10-' ^

\

\ 2

-2

1

^ vt^ ^

41^

att

1 ' 1 11 1 1 1 laminar 1 turbulent

1 ReJ

1-3

Abb. 8.4:

6j-

\

4r

li-

\ -

z\,5H

1 —1— 1 2 4 6

-jo-3

4 ^^v

TF Vr

s>^^

>^

1 -=

l/^

II

fv^

^.

V

\\

.10-"

r 2,51 ^ k/d 1

= - 2 log

-^'^M

1

1 11 1 1

2

4 6

sL

z—

—=r + ^ ^ 1 -

LRel^

^1 "

2

4 6 8 - ;

•

2P

10-5-

^

2

4 6

;i-7?e-Diagramm nach NIKURADSE-MOODY [8.11]

Aus der Gleichung (8.3) wird deutlich, daB fur den gleichen DurchfluB Q bei einer Verteilung desselben auf mehrere Rohrleitungsstrange groBere Reibungsverluste entstehen. Aus diesem Grund ist man kn Regelfall bestrebt, die Anzahl der Rohrstrange gering zu halten bzw. mit nur einem Druckrohr auszukommen. Bei mehreren Turbinenaggregaten wird deshalb ein Verteilrohrsystem notwendig (s. Kapitel 10), dessen Energieverlusthohe dennoch geringer und dessen Wirtschaftlichkeit meist hoher als die mehrerer Einzelstrange sind. Gleichzeitig sind naturlich den Abmessungen der Einrohrleitung fertigungstechnische Grenzen gesetzt. Grundsatzlich kann der Ausgangsbedingung, dai3 der Einrohrstrang die gleiche Triebwassermenge wie n einzehie Rohrleitungsstrange zu fordem habe, durch die Wahl von Rohrdurchmessem entsprochen werden, die entweder gleiche Geschwindigkeiten oder gleiche Reibungsverluste gewahrleisten. In der Tabelle 8.2 sind verschiedene Parameter fiir Einrohr- und Mehrstrangleitungen unter Zugrundelegung dieser beiden Voraussetzungen gegentibergestellt.

210

8 Druckrohrleitungen

Das heiBt beispielsweise, dal3 bei einer 2strangigen Leitung bei gleicher FlieBgeschwindigkeit wie in der Einrohrleitung mit den v« = V2 fachen Reibungsverlusten hv^r zu rechnen ist. Tabelle 8.2: Vergleich von Einrohr- und Mehrstrangleitungen Einrohrleitung 1 Fordermenge 1 Rohrdurchmesser II Geschwindigkeit 1 Reibungsverluste 1 Wanddicke 1 Gesamtgewicht V

Mehrstrangleitung mit n Strangen bei gleichen Geschwindigkeiten | bei gleichen Verlusten |

Q d

n'(Q/n) = Q d/n^^'

V

V

Kr S

G

Kr-n'" s/n'" G

n(Q/n)=Q

\

d/n'"

1

v/n"' Kr s/r^" Gn'"

1 \

Die in der Rohrleitung auftretenden ortlichen Verluste infolge der Veranderung der Stromung und deren Richtung, an z. B. Einbauteilen, Formstucken und Armaturen, sind allein von der Geometrie abhangig und konnen durch hydraulisch giinstige Gestaltung und Verringerung von Stromungsablosungen (Ausrundungen, allmahliche Ubergange) erheblich vermindert werden. Rauheit und Zahigkeitseinfliisse, die durch die Reynolds-Zahl beschrieben werden, haben hier keinen direkten EinfluB.

Abb. 8.5:

a) Kreisrohrkrummer; b) Kreisrohrkniestuck [nach 8.12]

Die durch die Richtungsanderung in Kreisrohrkrummem und Kreisrohrkniestucken (s. Abb. 8.5) hervorgerufene Sekundarstromung erzeugt Umlenkbzw. Kriimmungsverluste /^v.jt, die sich aus (2.8) mit dem Verlustbeiwert ^ (s. Tabelle 8.3) ergeben, die wie auch bei den Freispiegelleitungen nicht nur auf den unmittelbaren Umlenkungsbereich beschrankt sind, jedoch im Umlenkungsbereich zu einem Wert zusammengefaBt werden. Die Angaben ftir Kreisrohrkrummer in der Tabelle 8.3 gelten fiir glatte Rohre, so daB zusatzlich flir die Krummerlange der Reibungsverlust entsprechend beriicksichtigt werden muB.

8 Druckrohrleitungen Tabelle 8.3:

211

Verlustbeiwerte i^k in Abhangigkeit vom Umlenkungswinkel P fiir Kreisrohrkrtimmer und Kreisrohrkniestucke [8.12] Umlenkungswinkel P

Kreisrohrkriimmer

10° ~ ~

Vm/d = 2

3 5 10 1 Kreisrohrkniestucke

glatt

1

rauh

0,034 0,044

20° 0,030 0,030 0,030 0,030 0,042 0,062

22,5° 1 0,045 0,045 0,045 0,045 0,066 0,154

30° 1 45° 0,060 0,055 0,050 0,050 0,130 0,165

0,090 0,080 0,070 0,070 0,236 0,320

60°

90°

0,120 0,100 0,080 0,070 0,471 0,684

0,140 0,130 0,110 0,110 1,129

1,265 1

Die Verluste an Verzweigungen, die im nachfolgenden Kapitel 10 genauer beschrieben werden, bei Abzweigen oder Vereinigungen sind vom Abzweigwinkel 4 dem Verhaltnis der DurchflUsse und Durchmesser sowie der Formgestaltung des Verzweigungsbereiches abhangig. Wie auch bei den Freispiegelleitungen (s. Abb. 5.12) ergibt sich der Verzweigungsverlust im Hauptstrang h^^zd und der Verzweigungsverlust im Abzweig K^a mit den in Tabelle 8.4 wiedergegebenen Verlustbeiwerten (^zd bzw. ^^ fur den haufigsten Fall der gleichen Durchmesser in alien Strangen {d = da) aus der Gleichung (2.8). In beiden Fallen wird die Geschwindigkeit V im Hauptstrang als BezugsgroBe herangezogen. Tabelle 8.4:

Verlustbeiwerte fiir scharfkantige Kreisrohrverzweigungen mit gleichen Durchmessem (d = da) fiir unterschiedliche Abzweigwinkel ^[8.12] Verein [gung

Abz^weig

S= 90° Qc/Q

0 0,2 0,4 0,6 0,8

1

1,0

0,95 0,88 0,89 0,95 1,10 1,28

Cd 0,04 -0,08 -0,05 0,07 0,21 0,35

S= 45° 0,90 0,68 0,50 0,38 0,35 0,48

Czd 0,04 -0,06 -0,04 0,07 0,20 0,33

15°

3= 90°

4. -1,20 -0,40 0,08 0,47 0,72 0,91

Qd 0,04 0,17 0,30 0,41 0,51 0,60

-0,92 -0,38

0 0,22 0,37 0,37

0,04 1 0,17 0,19 0,09 -0,17

-0,54 1

Die negativen Verlustbeiwerte zeigen auf, daB in einigen Sonderfallen ein Energiegewinn infolge der Stromungsbeeinflussung auftritt; letztlich ist an der Rohrverzweigung jedoch ein Energieverlust zu verzeichnen. Vielfach werden im Wasserbau auch symmetrische Y-Verzweigungen, die sogenannten Hosenrohre, eingesetzt, die m der Kegel gleich beaufschlagt werden {QJQ = 0,5). Im wesentlichen unterscheidet man zwei Ausfuhrungstypen: die ausgerundeten (s. Abb. 8.6a) und die scharfkantigen Hosenrohre (s. Abb. 8.6b). Die jeweiligen Verlustbeiwerte ^a, bezogen auf die Geschwindigkeit v vor der Verzweigung, sind in der nachfolgenden Tabelle 8.5 aufgefuhrt.

212

8 Druckrohrleitungen

Tabelle 8.5: Verlustbeiwert Qa fur symmetrisch beaufschlagte Hosenrohre [8.12] 1 ausgerundet

rjd Cra

scharfkantig

1

5

4a 1

Abb. 8.6:

0,5 1,10 10° ^,11

To

0,75 0,60 30°

0,40

^3

J,7

450

1,5 0,25 60° 1,0

2;^ 1 0,20 90°

1,4

1

a) ausgerundetes Hosenrohr; b) scharfkantiges Hosenrohr; c) Rohrerweiterung; d) Rohrverengung [nach 8.12]

Des weiteren sind noch die Verluste aus Querschnittsanderungen zu nennen, wobei man in Rohrleitungen bei Wasserkraftanlagen bestrebt ist, nur stetige Veranderungen zuzulassen, da sie im Gegensatz zu den plotzlichen Querschnittsanderungen nur geringe Verluste verursachen. FUr Rohrerweiterungen (s. Abb. 8.6c) und Rohrverengungen (s. Abb. 8.6d) laBt sich der Verlustbeiwert ^ , bezogen auf V2, uber den Korrekturbeiwert Cq errechnen:

C,=c,.(7-^,M)' Cg

[-]

(8.6)

Korrekturbeiwert fur Querschnittsanderungen [-] konische Erweiterung: Optimum bei S = 8°:c^=0,1^0,2 fur (^=15°: c^=0,3^0,4 fur (5 > 30°: c^= 1,0-^1,2 rechtwinklige Erweiterung: c^=l,0^1,2 fiXr S<30°: konische Verengung: c^=0,0^0,l rechtwinklige Verengung: c^=0,4^0,5

Dariiber hinaus sollten die folgenden weiteren ortlichen Verluste gegebenenfalls beriicksichtigt werden: - Einlaufverluste s. Abb. 5.9; - Rechenverluste s. Kapitel 5.2.1.2; - Verluste infolge von VerschluBorganen s. Kapitel 12. Der Gesamtverlust ergibt sich bekanntlich aus der Summe der Rauheits- und ortlichen Verluste nach Gleichung (2.9). 8.2.2

WirtschaftlichsterRohrdurchmesser

Bei der Festlegung des wirtschaftlichsten Durchmessers einer Druckrohrleitung als Bauteil einer Wasserkraftanlage ist zu beachten, daB einerseits mit ansteigender Nennweite infolge geringerer Reibungsverluste die Energieausbeute groBer

8 Druckrohrleitungen

213

wird und damit die Erzeugungskosten sinken, andererseits steigen mit wachsendem Durchmesser gleichzeitig die Investition und Unterhaltungskosten an. Um den okonomisch gtinstigsten Durchmesser zu bestimmen, muB das Minimum der aus diesen verschiedenen Kostenanteilen resultierenden Energiekosten geflmden werden, wobei bekanntlich die zeitliche Entwicklung von Ertrag und Aufwand von entscheidender Bedeutung ist. Die Investitionssumme einer Rohrleitung IR sind proportional zu deren Rohrgewicht, das sich iiberschlagig berechnet zu: GR=pR'n'dm'S'l

[t]

(8.7)

Damit ergibt sich die Rohrleitungsinvestition IR unter Berucksichtigung eines Erhohungsfaktors a^ fiir Zubehor, Bauarbeiten etc. und des Einheitspreises KR des Rohrmaterials zu: lR=ae'KR'GR

[€]

(8.8)

Die Betriebskosten KB werden vereinfachend als prozentualer Anteil der Investition angesetzt, die sich mit der jahrlichen Steigerungsrate s erhohen. Der Barwert WB der gesamten tiber die Nutzungsdauer anfallenden Betriebskosten KB ergibt sich aus (3.4c) zu: WB=KB'a^=lR'aB-a^

[€]

(8.9)

Damit erhalt man die jahrliche Tilgungsrate (Annuitat) A aus (3.5) zu: A = {lR-^WB)'a

= l R ' a + { l R ' a B - a d s ) ' a = l R ' a ' { l + aB'ads)

[€]

(8.10)

Die jahrlich erzeugte Energie E berechnet sich nach (2.15), allerdings vereinfachend unter alleiniger Berucksichtigung der Reibungsverluste hv,r nach (8.3) und damit ohne den totalen Wirkungsgrad rjtoh zu: E = 9^,'g'Q^tJ'{hf-K,r)

= ?w'g'Q'tJ

hf-^'^f'j] g-r-d

[kWh/a] (8.11) )

GR Rohrleitungsgewicht [t] PR Rohrmaterialdichte [t/m^] [m] dfn mittlerer Rohrdurchmesser s erforderlicheWanddicke des Rohres, s. Kapitel 8.4.1 [m] / Lange der Rohrleitung [m] IR Rohrleitungsinvestition [€] Qe Erhohungsfaktor fiir Zubehor, Bauarbeiten etc. [-] KR Einheitspreis des Rohrmaterials [€/t] WB Barwert der Gesamtbetriebskosten [€] KB Betriebskosten [€] UB prozentualer Anteil der Betriebskosten [-] tj jahrliche Nutzungsdauer [h/a] Als weiteren Eckwert benotigt man den mindestens erforderlichen Rohrdurchmesser derf, der beim gegebenen Rohrmaterial fur den geforderten AbfluB vorhanden sein muB. Diesen erhalt man durch Auflosen der Gleichung (8.3) nach d, anschlieBendem Einsetzen des Reibungsbeiwertes >lnach (6.2) fiir den Ubergangsbe-

214

8 Druckrohrleitungen

reich „glatt-rauh" oder nach (8.5) fur den hydraulisch „rauhen" Bereich sowie iterativem Losen dieser Gleichung. SchlieBlich sind auch noch die aus der Stromungsgeschwindigkeit resultierenden Grenzdurchmesser von Interesse. Den unteren Grenzdurchmesser dun, der groBer als der erforderliche Rohrdurchmesser sein muB, erhalt man durch Einsetzen der oberen Grenzgeschwindigkeit (s. z. B. (6.26)) in die Gleichung (8.2). Den oberen Grenzdurchmesser dot erhalt man gleichermaBen durch Einsetzen der unteren Grenzgeschwindigkeit (s. (7.6)), bei der Ablagerungen vermieden werden. Mit Hilfe der spezifischen Energiekosten c nach (3.12), die sich aus dem Quotienten zweier vom Durchmesser d abhangigen Funktionen, der Annuitat ^4 (8.10) und der Jahresenergieproduktion (8.11), ergeben, laBt sich uber ein Optimierungsmodell dann nach Abgrenzung durch den oberen und unteren Grenzdurchmesser der wirtschaftlichste Rohrdurchmesser ermitteln. 8.3

Dynamische Stromungsvorgange - DruckstoBe in Rohrleitungen

Bei jeder Geschwindigkeitsanderung in durchflossenen Gerinhen oder Rohrleitungen entstehen Druckschwankungen. Wahrend in einem offenen Gerinne bei plotzlicher DurchfluBanderung ein Ausgleich der Bewegungsenergie durch ein Anheben bzw. Absenken des Wasserspiegels (Schwall- bzw. Sunkwelle) erfolgt, entsteht bei geschlossenen Druckrohrleitungen ein Ausgleich der Bewegungsenergie durch die Elastizitat der Rohrwandungen und des Wassers selbst. Dies bedeutet bei einer Verzogerung der FlieBgeschwindigkeit eine Umwandlung der Bewegungsenergie in Druckenergie (DruckstoB). Der DruckstoB ist demnach eine Folge derjenigen Kraft, welche die trage Fltissigkeitsmasse der Anderung ihres Bewegungszustandes entgegensetzt. Bei einer Beschleunigung wird Lageenergie in Bewegungsenergie umgesetzt. Diese plotzlichen Druckanderungen in einer Rohrleitung konnen erhebliche GroBen annehmen und sind bei der Bemessung unbedingt zu berilcksichtigen. In Rohrleitungen, die vollstandig mit einer Fltissigkeit gefullt sind, kommt es insbesondere dann zu DruckstoBen, wenn Absperr- oder Regelorgane betatigt bzw. Turbinen und Pumpen ein- und ausgeschaltet werden. DruckstoBe treten auch beim zu schnellen Filllen von Rohrleitungen, bei ungeniigender Entltiftung, beim pulsierenden Austritt von groBeren Luftansammlungen aus Druckleitungen, bei unregelmaBiger Forderung von Pumpen als Folge ungeniigender SaugrohrentItiftung und bei Kavitationserscheinungen auf. Bei langen Rohrleitungen und kurzen Regelzeiten miissen bei der Berechnung von DruckstoBen die Kompressibilitat der Fltissigkeit und die Elastizitat der Rohrwand berucksichtigt werden, da es an der Storstelle (Regelorgan, Pumpe etc.) zu einer Dichteanderung, die sich mit der Dmckwellengeschwindigkeit a im Rohr fortpflanzt, kommt. Weitere, tiber die im Nachfolgenden genannten Grundlagen hmausgehende Angaben smd unter anderem bei FORSTER [8.13], GIESECKE [8.14], HORLACHER [8.15]/[8.16] und KOTTMANN [8.17] zu fmden.

8 Druckrohrleitungen 8.3.1

215

Druckwellengeschwindigkeit

Druckanderungen in Rohrleitungen fiihren zu einer Anderung der Langsspannung (Ji und zu einer Ringspannung CFg, in der Rohrwand. Die Ringspannung in einer diinnwandigen Rohrleitung (da/dj < 1,2) laBt sich nach der folgenden Beziehung berechnen: a^=£LA 2-s

[N/mm^]

(8.12)

(j(p Ringspannung in der Rohrwand [N/mm^] di Innendurchmesser [mm] s Wanddicke [mm] Pi Innendruckbelastung [N/mm^] Fiir diinnwandige Rohrleitungen ist die Annahme einer gleichmaBig verteilten Spannung in der Rohrwand mit hinreichender Genauigkeit zulassig. Aus (8.12) ergibt sich mit dem Elastizitatsmodul des Rohres ER aus dem Hookeschen Gesetz (10.49) die Ringdehnung Sr bei einer Druckanderung zlp/ zu: <3^ _ 1 di'dipi _ 2 • 7C • A^ _ 2 • 71 • ^ • A/} _ A/4 s , = ^ =-^.:ii-^ =± - i l ^ =±^liL-^ =^ [.] ER ER 2 ' S 2'%-ri l-n-Vi 2-A

(8.13)

£r Dehnung in Ringrichtung [-] ER Elastizitatsmodul des Rohres [N/mm^] Durch Erweiterung von (8.13) mit dem Term 2p/Api und Umformung ergibt sich: p AA _2'p f 1 Api A Api \ER

dj 'Api \ 2'S

^ ^

[s'W]

(8.14)

ER'S

Die elastische Verformung des Wassers in einem absolut starren Rohr ergibt sich zu: 8 . = ^ Ew

[-]

(8.15)

£w elastische Verformung des Wassers [-] E^ Elastizitatsmodul des Wassers [N/mm^] Die durch erne Geschwindigkeitsanderung hervorgerufene Druckwelle wu*d durch die Deformation s, die sich aus (8.13) und (8.15) zusammensetzt, erzeugt:

, = M = , „ H . , ^ = M + M : ^ [.] HI

s

HI^

LLR

(8.16)

'S

Dehnung infolge Druckwelle

[-]

216

8 Druckrohrleitungen

Die Gleichung der Schallgeschwindigkeit ap fur Longitudinalwellen in Flussigkeiten lautet: V

[m/s]

(8.17)

PF

Gf Schallgeschwindigkeit fiir Longitudinalwellen in Flussigkeiten Ef Elastizitatsmodul der Flussigkeit Pf Dichte der Fltissigkeit Die Schallgeschwindigkeit ao m einem unendlich ausgedehnten 10 °C ergibt sich damit zu:

=fyL=^'''''%^=''''

[m/s] [N/mm^] [N/mm^] Wasser bei

f"^^J

cio

^«->«>

ao

Schallgeschwindigkeit in unendlich ausgedehntem Wasser (10 °C) [m/s] Durch Kurzen von (8.15) mit Apj und Erweitem mit p und unter der Berucksichtigung von (8.16) laBt sich die resultierende Druckwellengeschwindigkeit a in einem dtinnwandigen elastischen Rohr wie folgt formulieren:

4=p^+-P:^=-^+^ = - ^ + # : ^ = ^^^^54:^[sW] (8.19) a

Ep

A' Api

Gf

QR

ap

QP-ER-S

ap

a Druckwellengeschwindigkeit [m/s] QR Druckwellengeschwindigkeit des Rohres [m/s] Aus (8.19) ergibt sich die Druckwellengeschwindigkeit a in einem elastischen Rohrzu: a = -===JL==

[m/s]

(8.20a)

Unter Beriicksichtigung des Querdehnungseinflusses ju, der sich je nach Lagerungsart der Rohrleitung verandert, muB (8.20a) um den Faktor kg erweitert werden: a=

kq

• ^"^ fj + Ep/^ ,^^/ .k^ 'ER /S '^^

[m/s]

Faktor infolge QuerdehnungseinfluB s. Tabelle 8.6

(8.20b)

[-]

8 Druckrohrleitungen

217

Tabelle 8.6: Spannungen im Rohrmantel und Faktor kq infolge QuerdehnungseinfluB 1 Einspannverhaltnis Langsspannung o/ Ringspannung cr^, ^^fur//=0,3 JLeitung mit Dehnungsstucken 0 7-///2 = 0,85 (Pi'dt)/(2'S) iLeitung einseitig eingespannt, ohne (prd^/(4's) (Pi'd^/(2'S) 7,25-//= 0,95 Dehnungsstucke, langs dehnbar iLeitung beidseitig eingespannt, \(m 'Pi 'di)/(2 -s) (Pi'd^/(2'S) 7 - / / = 0,91 Ibehinderte Langsdehnung

Durch den groBer werdenden Faktor kq in (8.20b) wird die dampfende Wirkung der Rohrleitungslagerung auf die Druckwellengeschwindigkeit deutlich. Sie andert sich, wenn der Rohrinnendurchmesser dt, die Wandstarke s des Rohres, die Einspannverhaltnisse der Rohrleitung (Faktor ^^) oder das Rohrmaterial {Ei^ variieren. An solchen Stellen kommt es zu Partialreflexionen und Transmissionen der Druckwellen. Des weiteren kann bereits ein geringer freier Gasgehalt, d. h. Luft in Form von kleinen Blaschen, die Kompressibilitatseigenschaften des Triebwassers sehr stark verandem, so dal3 die Druckwellengeschwindigkeit bis auf einen Bruchteil des Wertes von reinem Triebwasser absinken und druckabhangig werden kann. In Abb. 8.7 sind fur verschiedene Rohrmaterialien {ER S. Tabelle 8.7) und fiir die drei moglichen Einspannverhaltnisse der Leitung (s. Tabelle 8.6) die Druckwellengeschwindigkeiten tiber dem Verhaltnis von Rohrdurchmesser d zur Wandstarke s aufgetragen. Tabelle 8.7: Elastizitatsmodule ER verschiedener Materialien Wasser 1 Stahl GuBeisen Blei 1 Material 1 E-Modul [kN/m^] ^,1 X 10'1210^x lO"* 100x10' J 7 x J 0 '

Beton 30x10'

Etemit PVC(hart)| 30 X 10^ 2,5x10' 1

Vielfach ist es bei Stahlbetonrohren zweckmaBig, bei der Ermittlung der Druckwellengeschwindigkeit die Betonstarke durch Multiplikation mit dem Verhaltnis der Elastizitatsmodule von Beton zu Stahl in ein aquivalentes Stahkohr umzuwandehi, wobei noch die aquivalente Wandstarke der Bewehrung hinzuzuzahlen ist. Das Verhaltnis EB/ES liegt im Normalfall zwischen 1/10 und 1/15; ein Verhaltnis 1/20 ist jedoch empfehlenswert, da bei Stahlbetonrohren stets mit Rissen im Beton zu rechnen ist. Bei dieser Verfahrensweise bleibt jedoch unberiicksichtigt, daB die Spannungen in einem dickwandigen Rohr nicht wie in einem dunnwandigen gleichmaBig in der Rohrwand verteilt sind. Fiir ein dickwandiges Rohr (s. Abb. 8.8a) ohne Beachtung der Einspannverhaltnisse der Leitung errechnet sich die Druckwellengeschwindigkeit zu: 7+ SB

Betonwanddicke

df/si

\

2\l + dilsB)

[m/s]

(8.20c) [m]

8 Druckrohrleitungen

218

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700

^s\

\ \ .

Dehnungsstiicke vorhanden behinderte Langsdehnung Langsdehnung einseitig moglich s^

i^ '^

>.^ahl

Vs.

A 'K

"

A 'A

•

•

^

^^r ^ ^ ^ ^ s ^

^v%

•

• • • ^ • . • : :

^^^;;r:r^^..^

^-^^^^^^

.^GuBeisen "

V

•

^

^^^^^^^i^^^

•XSv

'"'•^•^•-•:7

xs^

\\\\

*

""^

400 —"^A 300

>^.^

'•.\X

a [m/s] 600

500

• :V\^

" • • " ^ • ' ^ • > .

;--^....,^Beton und Etemit

NX

200 " • • ^ " ^ ^ ^ ^ ^ ^

^^^^^^^'^^^^^^=^^:i=rt

PVC - hart

100 d/s[-]-^

0

Abb. 8.7:

50

100

150

200

250

300

Druckwellengeschwindigkeit a in Wasserrohrleitungen aus unterschiedlichen Materialien[8.18]

Der Wert im Zahler in (8.20c) entspricht der Schallgeschwindigkeit fur Wasser. Bei Stollen, die durch den Pels geschlagen sind, muB die Elastizitat EG des Gebirges mit in den Ansatz gebracht werden, so daB fiir einen PanzerstoUen (s. Abb. 8.8b) gilt: [m/s]

(8.20d)

mit

7

+— +

8 =

EB

{di-\-2's)'{di-\-2'S-\-2'SB)

EG

[-]

(8.21a)

£o E-Modul des Felsens/Gebirges [N/mm^] JUG Querdehnungszahl des Felsens/Gebirges H Aus (8.20d) folgt fur den ungepanzerten betonierten Druckstollen mit ^ = 0: a = Py^/ylU2'E,,'S

[m/s]

(8.20e)

mit

2 EB

SB-id^-^SB) 1 f, 7 ^ T-^^ ^ +— + 7+ — di'[di+2'SB) Eg [^ [lay

[-]

(8.21b)

8 Dmckrohrleitungen

219

Wird der EinfluB der Querdehnung des Felsens auBer acht gelassen, so wird fiir einen rohen FelsstoUen (s. Abb. 8.8d) mit SB = 0:

"fK/f

2-E„

EG

[m/s]

y

1 EB/

(8.20f) EG

d

1sB\

s-y

(

^ER

b

a Abb. 8.8: 8.3.2

^ •c

d

Verschiedene Wasserleitungen: a) dickwandiges Rohr; b) PanzerstoUen; c) betonierter Druckstollen; d) FelsstoUen [8.18] DruckstoBberechnung

Ftir die DruckstoBberechnung werden grundsatzlich die vier folgenden Annahmen getroffen[8.18]: - Die Geschwindigkeit und der Druck sind liber den FlieBquerschnitt gleichmaBig verteilt. - Die Rohrleitung ist voll mit tropfbarer Flussigkeit gefiillt. - Die Geschwindigkeitshohe ist im Vergleich zur DruckstoBhohe vemachlassigbar klein. - Die Wasserspiegelhohe in dem Behalter, aus welchem die Rohrleitung gespeist wird Oder in welchen sie ausmiindet, bleibt flir die Zeit bis zum Abklingen der DruckstoBe konstant, da diese Vorgange meist nur wenige Sekunden, selten Minuten, andauem. Eine naherungsweise Berechnung des DruckstoBes ist moglich, wenn zusatzlich eine ideale (reibungsfreie und inkompressible) Fliissigkeit und eine vollig starre Rohrleitung angenommen wird. 8.3.2.1 Joukowsky-StoB Zur Abschatzung von DruckstoBen kann der Extremfall eines plotzlichen SchlieBens einer Absperrarmatur herangezogen werden. An einem einfachen Rohrleitungssystem mit Behalter, Rohrleitung und Absperrarmatur (siehe Abb. 8.9) laBt sich der zeitliche Druckverlauf anschaulich darstellen. Durch das schlagartige Absperren und die damit verbundene plotzliche Verzogerung der FlieBgeschwindigkeit um Av entsteht eine Druckerhohung Appu = a -p -Av, die Joukowsky-StoB bzw. Allievi-Joukowsky-StoB genannt wird. Der DruckstoB lauft als Uberdruckwelle mit der Druckwellengeschwindigkeit a in der Rohrleitung bis zum offenen Ende am Behalter. Die Laufzeit Ti der Druckwelle Uber die gesamte Rohrlange / errechnet sich nach der Formel: TL

- 1/

[s]

(8.22)

220

8 Druckrohrleitungen

Die Reflexionszeit TR ist der Zeitraum, d e n die Druckwelle benotigt, u m wieder z u m A u s g a n g s p u n k t zurtickzukehren, u n d ergibt sich zu: TR=2'T,=2'1/

(8.23)

[S]

TL Laufzeit der Druckwelle [s] TR Reflexionszeit [s] Erreicht die Druckwelle am Ende der Laufstrecke einen freien Wasserspiegel mixp = const, so erfolgt eine Totalreflexion der Druckwelle bei Umkehrung des Vorzeichens. Die Vorzeichenumkehr fiihrt zu einer Entlastung an der Armatur. An einem verschlossenen Ende einer Rohrleitung tritt ebenfalls eine Totalreflexion ein; hier bleibt jedoch das Vorzeichen erhalten. Betragt die Zeit, in der sich der DurchfluB und damit die FlieBgeschwindigkeit andert, weniger als die Reflexionszeit TR, SO kann es in dieser Zeit zu keiner Entlastung an der Armatur durch die an der freien Wasserflache reflektierte Welle kommen. In diesem Fall ergibt sich - wie oben schon erwahnt - die maximale DruckstoBhohe infolge des Joukowsky-StoBes zu: a-Av '*a,jonion = ± [m] max ha. g max hajov maximale DruckstoBhohe infolge Joukowsky-StoB Behälter ^ t=0

0 < t < 0,5

ThEl

[m]

l \ Absperrarmatur

v

Überdruck Unterdruck

TR

t = 0,5 T R

^ 0,5 T R < t < T R

t = T,

Abb. 8.9:

(8.24a)

v =v0

v=0

.*r .+5p. 3 -

^^p.

TR
+Ap.

^Ap:

3-

t=1 5TR bzzzv=0zzzzz

= -Ap^; v =v

SH_

v

0

•^'^J^^^p

1,5 T R < t < 2 Tl,

t=2T^

v

Zeitlicher Druckverlauf eines Joukowsky-StoBes

Es sei noch darauf hingewiesen, daB bei einer Berticksichtigung der Reibung der DruckstoB infolge des „line-packing" um den Betrag der Reibungsverlusthohe der Leitung groBer ist, so daB der maximal mogliche DruckstoB groBer als der Joukowsky-StoB ist. AuBerdem kann bei im Kraftwerksbau vorkommenden Druckrohrleitungen mit gestuften Durchmessem eine zwei- bis dreifache Steigerung des Joukowsky-StoBes auftreten, die aus Teiheflexionen innerhalb der Leitung hervorgerufen wird. Nahere Angaben zur Abschatzung dieser DruckstoBerhohung fmden sich bei LOGAR [8.19].

8 Druckrohrleitungen

221

8.3.2.2 EinfluB der SchlieBzeit auf den Joukowsky-StoB Die SchlieBzeit ts einer Absperrarmatur hat einen entscheidenden EinfluB auf die GroBe des auftretenden DruckstoBes. Fiir den Fall, daB die SchlieBzeit ts ktirzer als die Reflexionszeit TR ist, entsteht an dem VerschluBorgan unabhangig von der SchlieBcharakteristik immer der voile Joukowsky-StoB. Die Zeitspanne bis zum Erreichen des Joukowsky-StoBes ist gleich der SchlieBzeit ts. 1st dagegen ts > TR, so kommt es zu einer Druckreduzierung durch die Uberlagerung der am offenen Ende reflektierten Unterdruckwelle (s. Abb. 8.10). Eine tiberschlagige Abschatzung der auftretenden DruckstoBhohe flir diesen Fall laBt sich mittels einer linearisierten Berticksichtigung der SchieberschlieBzeit durchfiihren: a-Av

TR

maxha^ ha ts

mrts>TR

(8.24b)

[m]

g ts DruckstoBhohe SchlieBzeit des VerschluBorganes

[m] [s] Ah = Ah;JOU

0 0 < tg < TR

Ah = Ah;JOU Ah < AhJOU Ah « AhJOU

ts>TR ts»TR

Abb. 8.10:

DruckstoBverlaufe infolge unterschiedlicher Schliefizeiten

Bei realen Anlagen besteht aber kein linearer Zusammenhang zwischen der DruckstoBhohe und der SchlieBzeit. Eine verbesserte Abschatzung der Druckhohe am VerschluBorgan in Abhangigkeit der SchlieBzeit bei reibungsfi'eier Betrachtung laBt sich mit dem in Abb. 8.11 gegebenen Diagramm durchfiihren. Weitere Bemessungsdiagramme, in denen auch der ReibungseinfluB berticksichtigt wu*d, und Drosselkurven von verschiedenen Rohrverschlttssen sind in HORLACHER [8.15] und GIESECKE [8.20] zu fmden. 1,0 r

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

Abb. 8.11: Maximale dimensionslose Druckhohe h vor dem VerschluBorgan in Abhan gigkeit von der SchieberschlieBzeit % fiir verschiedene Parameter a/vo bei rei bungsfreier Stromung [8.15] Jede Armatur benotigt zum SchlieBen oder Offiien eine gewisse Zeitspanne, deren Dauer sich als Folge veranderter DurchfluBquerschnitte bzw. DurchfluBge-

222

8 Druckrohrleitungen

schwindigkeiten entscheidend auf die zu erwartende Drucksteigerung auswirkt. Bei einem zeitlich langer andauemden SchlieBvorgang flachen sich die entstehenden Wellenfronten immer weiter ab. Die groBten DurchfluBanderungen finden mehr oder weniger unabhangig vom Typ des VerschluBorgans in einem SchlieBbereich zwischen 80 % und 100 % (vollkommen geschlossen) statt. Dieser Tatsache wird man durch mehrfach abgestufte Schliefigesetze gerecht. Hierbei wird am Anfang eine groBere SchlieBgeschwindigkeit, die sich wahrend des SchlieBvorganges, besonders auf den letzten ca. 20 % des SchlieBweges, deutlich reduziert, vorgegeben. 8.3.2.3 Druckstofi nach der Theorie der starren WassersMule In einer Rohrleitung nach Abb. 8.12a verursacht die trage Fltissigkeitsmasse m = PF 'I 'A beim totalen oder partiellen SchlieBen bzw. Offiien des Regelorgans wahrend der Regelzeit T in der Rohrleitung am Querschnitt unmittelbar vor dem Regelorgan nach D'ALEMBERT die Kraft: F = -m'— = -pF'l'A' — = -pF'l'^ [kN] (8.25) dt dt dt die beim SchlieBen des Regelorgans {dQ < 0) positiv und beim Offiien {dQ > 0) negativ wird. In gleicher Weise verhalt sich die DruckstoBhohe ha\ sie ergibt sich mitF = PF 'g 'ha 'Aza: I

do I dv ^ ^ ^o ^ ^x 7 - r =- — T M (8.26) g'A dt g dt Der zeitliche DruckstoBhohenverlauf ist von den zeitlichen Anderungen des Durchflusses abhangig. Mit ju -As als hydraulisch wirksame Offiiungsflache des Regelorgans (s. Kapitel 12) gilt fur die verschiedenen Zeitpunkte innerhalb der Regelzeit T: t = 0: Qo={\X'As\'42'g'ho [mVs] (8.27a) ha=

0
Q = {\i'As\'p'giho-^h)

t = T:

Q = 0 [mVs]

[mVs]

(8.27b) (8.27c)

mit: {li'As\=Tiii^As\

[m']

/u As T T

AusfluBbeiwert (s. Kapitel 12) Offnungsflache des Regelorganes Regelzeit Regelfunktion der hydraulisch wirksamen Offnungsflache des Regelorgans wahrend der Regelzeit T ergibt sich: Q = Qo'T^^uY^

[mVs]

(8.28) [-] [m^] [s] [-]

(8.29a)

8 Druckrohrleitungen

223

3,0 maxha

2,6

t+ha — —. ,

2,2

-haT

^r

^

1,8 1,4

^

y—\dQ ^ ^(Schließen)—

^

^

^

^

dt

1,0

U-

0,6 r

a

'A

0,2 0 -0,2

V

-0,6

(b Abb. 8.12:

-1,0

AC

1

'A

1

,5

•2,0

^ —rQ > 0 (Öffnen) dt

1

a) Rohrleitungssystem; b) Funktion max h^ho =f(K]) der maximalen DruckstoBhohe/z^[8.18]

Handelt es sich um das Offhen eines vollig geschlossenen Regelorgans, so wtirde T imbestimmt sein. Man nimmt in diesem Fall den DurchfluB Qe nach Beendigung des Offhungsvorganges und nach Abklingen des DruckstoBes als BezugsgroBe, womit man den DurchfluB Q erhalt zu: Q = Qe-T-^l + Y^^

[mVs]

(8.29b)

Qe DurchfluB nach Beendigung des Offnungsvorgangs [mVs] Bildet man dQ/dt, setzt dies in (8.26) ein, lOst diese anschlieBend nach dha/dt auf und setzt sie gleich Null, so folgt mit der Konstanten Kj je nach Anfangszustand (Qohzy^.Qe): K,

' l-Qj g-A-ho

dx^' [-] dt

(8.30)

die mifho bezogene maximale DmckstoBhohe zu: max ha =ho 2

'^-''^Y,[m]

(8.31a)

Ki Konstante [-] mit dem positiven Vorzeichen fiir SchlieBen und dem negativen fur OQhen, die in Abb. 8.12b als Funktion dargestellt ist. Unter der Atmahme, daC die DruckstoBhOhe mit der Zeit proportional zu ^ bis auf ihren Maximalwert zum Zeitpunkt t = T anwachst, laBt sich die maximale DmckstoBhohe (iberschlagig berechnen, womit aus (8.26) folgt: 3liQo-Qe) max ha =• 2-g-A-T

[m]

(8.31b)

224

8 Druckrohrleitungen

Hieraus wird deutlich, daB der DruckstoB um so groBer wird, je kleiner die Regelzeit 7, je groBer die Geschwindigkeitsanderung AQ/A und je langer die Rohrleitung ist. Da (8.31a) und (8.31b) nur fiir die DruckstoBhohe unmittelbar vor dem Regelorgan gelten, folgt in einer beliebigen Entfemung vom Regelorgan an der Stelle x, an der die Masse geringer ist (m = Pf -(l-x) -A), die maximale DruckstoBhohe: ^ x^ max ha (x) = max ha •/ - -

[m]

(8.31c)

Nach der Theorie der starren Wassersaule (8.3 lb) wiirde ^rT—>^0 die maximale DruckstoBhohe ha^oo ansteigen. Dies steht im Widerspruch zu dem in Wirklichkeit auftretenden Ergebnis. ErfahrungsgemaB werden nur dann noch praktisch verwertbare Ergebnisse erzielt, sofem die Bedingung 7 [s] > / [km] eingehalten wird. Der groBte DruckstoB nimmt linear bis auf den Wert Null an den Einmttndungs- bzw. Ausmiindungsstellen der Rohrleitung in einen Behalter mit freiem Wasserspiegel ab (s. Abb. 8.12a). Die Bedingung des dynamischen Gleichgewichts fiihrt fur eine in n Teillangen abgestufte Rohrleitung mit konstanten FlieBflachen At fiir jede Teilstrecke in Kombination mit der Bedingung nur eines moglichen Drucks an jeder Sprungstelle des FlieBquerschnittes zu dem Ergebnis, daB in (8.30) und (8.31b) die Summe aus If/Ai eingesetzt werden muB, wobei (8.31c) dann nur separat fiir jede Teilstrecke gilt. In der Bedingung 7 > / ist dann // einzusetzen. 8.3.2.4 DruckstoB nach der Theorie der elastischen Wassersaule Fiir die Berechnung des DruckstoBes in langen Rohrleitungen und bei kurzen Regelzeiten muB die Kompressibilitat der Flussigkeit und die Elastizitat der Rohrwand berucksichtigt werden, da an der Storstelle Dichteanderungen, die sich mit der Druckwellengeschwindigkeit a in der Rohrleitung ausbreiten, entstehen. Der DruckstoB an einem beliebigen Ort zu einem beliebigen Zeitpunkt ist dann die Folge superponierter, an ausgezeichneten Stellen reflektierter und transmittierter Druckwellen. Fiir die Erfassung des transienten Stromungsverhaltens von Fliissigkeiten in Rohrleitungen ist eine mathematische Formulierung der Grundgleichungen, die alle fiir den Transportvorgang bedeutende Einfliisse und Bedingungen beschreiben, erforderlich. Ausgehend von einer Impulstransportbilanz, die auf der Basis des Newtonschen Grundgesetzes samtliche am Transportvorgang beteiligten Krafte erfaBt, kann mit den Mitteln der Hydromechanik die Beschreibung eines Stromungsvorganges formuliert werden. Der EinfluB der Warmeleitung wie er in der Thermodynamik iiber eine Energiebilanz zum Ausdruck gebracht wird, ist fiir die hier anstehende Problematik von untergeordneter Bedeutung.

8 Druckrohrleitungen

225

Wenn man die am Transportvorgang beteiligten Krafte auf mechanische GroBen beschrankt, also Krafte aus elektrostatischen Wirkungen, chemischen Prozessen sowie Nuklearwirkungen ausschlieBt, sind die nachfolgend genannten Gleichungen ftir die Beschreibung des transienten Stromungsverhaltens von Flussigkeiten in Rohrleitungen relevant (siehe auch Abb. 8.13a): - Bewegungsgleichung: Beschreibung des Zusammenwu*kens von Massen-, Tragheits-, Druck- und Reibungskraften an einem infiniten Raumelement in Form einer differentiellen Impulstransportgleichung. - Kontinuitatsgleichung: Formulierung des Prinzips der Massenerhaltung (Quellen- und Senkenfreiheit) an einem infiniten Raumelement in Form einer differentiellen Massentransportbilanz. - Zustandsgleichung: Erfassung des thermischen Zustands durch einen Zusammenhang zwischen Dichte, Druck und Temperatur als Ersatz ftir eine Warmetransportbilanz. - Materialgleichung: Beriicksichtigung des Reibungsverhaltens der Fltissigkeit im turbulenten Stromungszustand. Reine DruckstoBvorgange in Rohrleitungen konnen in den meisten Fallen ausreichend genau durch die Bewegungs- und Kontinuitatsgleichung erfaBt werden. Die Bewegungsgleichung ergibt sich aus dem Kraftegleichgewicht an einem Rohrelement mit der endlichen Lange dx\ b{pi'A\ ^^ --dx-Xo -n-di'dx-pf 5x

- g-A-dx-sina

= pfA'dx

dv dt

[N]

(8.32a)

To Wandschubspannung [N/m^] [°] a Winkel zwischen der Rohrachse und der Horizontalen Der erste Term in der Bewegungsgleichung (8.32a) beinhaltet die Resultierende aus den Druckkraflten in und entgegen der FlieBrichtung, der zweite die Reibungskraft aufgrund der Wandschubspannung, die entgegen der FlieBrichtung wirkt, der dritte die Komponente der Schwerkraft in FlieBrichtung und der vierte Term das Produkt aus Masse mal Beschleunigung. Die Ortsvariable x entlang der Rohrachse und die Zeitvariable t sind die unabhangigen Veranderlichen, wahrend die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit v und der Druck/7/ orts- und zeitabhangig sind. Bei einem unveranderlichen Kreisquerschnitt A vereinfacht sich die Gleichung durch Kiirzen mit dx und A = TT - df/4 : -^-pp' — -pp'g'Sina— 'io=0 dx dt dj Fiihrt man den empirischen Ansatz: T, = - ^ ^ . v | v |

[N/m^]

[N/m^]

(8.32b)

(8.33)

o

ftir die Wandschubspannung in die Gleichung ein, ergibt sich: ^ OX

+ p,.^

+ p,.g.sina dt

+^ - v \ y \ = 0 2-di

[N/m']

(8.34)

8 Druckrohrleitungen

226

Das vollstandige Differential von v(t,x) ist: (8.35a) dt [m/s] dy = — dx-\ dx dt Durch Kiirzen mit dt ergibt sich mit der Beziehung fur die Geschwindigkeit dv = dx/dt die substantielle Beschleunigung, die sich aus einer konvektiven und einer lokalen Beschleunigung zusammensetzt: dv

5v

^

r

— = v— +— dt dx dt

, 2T

(8.35b)

[m/s]

Unter der weiteren Beriicksichtigung von sin J3= dz/dx lautet die Bewegungsgleichung: 7

dpi PF dx

dv dx

dv dv dt

dz dx

X 2'di

i i

/i

r / 2i

(8.36)

Die Bilanz der pro Zeiteinheit zu- bzw. abflieBenden Fluidmengen in einem Rohrelement der endlichen Lange dx fiihrt zur Kontinuitatsgleichung: pF'A-v-

d{pf'A'v)

d(^Pf

PF 'A'V-\-—^

-'dx

-A'dx^

[kg/s]

dt

dx

(8.37a)

Nach partieller Ableitung und Kiirzen mit dx und p^ A ergibt sich: dv

V

dpf

V dA

1 dA

1

dpF

dx

Pf

dx

A dx

A

pp

dt

dt

=0

(8.37b)

[1/s]

Unter Benicksichtigung der totalen Ableitungen nach der Zeit:

1 ^ A

dt

dA ^ dA A V dA 1 dA + dx + dt \ = dx dt J A dx A dt

A'dt

J_ dpF dt

PF

5P-.^^^.^H = dt

dx

pfdt

V

,,, , [1/s]

ap^ ^ 1 dx

PF

Pf

(8.38a)

dpF dt

[1/s]

(8.38b)

kann (8.37b) umgeformt werden zu:

dv_ J_ dpF _^±^dA

= 0 [1/s] A dt dx PF dt Die Beziehung fur die Dichte kann weiter umgeformt werden zu: 1

dpf _ 1

Pf

dt

Pf

dpF

dpi _ 1

dpi

dt

Pf

1 Uf

dpi _ dt

1 Gf' Ef

. ^ dt

[1/s]

(8.39)

(8.40)

wobei die Gleichung durch die Druckwellengeschwindigkeit und den Elastizitatsmodul der Fliissigkeit vereinfacht werden kann. Unter Beriicksichtigung des Zusammenhanges: A

dt

A dpi

dt

[1/s]

(8.41)

8 Druckrohrleitungen

227

laBt sich (8.39) wie folgt umformulieren: dv 1 —+ —

Qf

dA dpi

A

dpi = 0 [1/s] dt

(8.42)

Mit dem Zusammenhang fur die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit a in einer Rohrleitung aus elastischem Werkstoff aus (8.19) und unter Berticksichtigung des totalen Differentials: dt

dx

[N/m' • s]

dt

(8.43)

lal3t sich die Kontinuitatsgleichung folgendermaBen darstellen: dv dx

PF

8.3.3

^dpi_^dp^ dx dt

-a

(8.44)

= 0 [1/s]

Charakteristikenverfahren

Die Bewegungs- und Kontinuitatsgleichung ((8.36) und (8.44)) als Grundgleichungen zur Beschreibung der instationaren Rohrstromung sind partielle nichtlineare Differentialgleichungen vom hyperbolischen Typ. Das Charakteristikenverfahren zur Losung dieser beiden Differentialgleichungen beruht darauf, dafi sich Storungen (Wellenfronten von Druck- oder Geschwindigkeitsanderungen) entlang von Bahnlinien (Charakteristiken) in der x-r-Ebene ausbreiten (s. Abb. 8.13b+c). Durch diese Annahme vereinfachen sich die partiellen Differentialgleichungen zu gewohnlichen Differentialgleichungen, die einer numerischen Losung leichter zuganglich sind. Die Steigung der Charakteristiken entspricht der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- und Geschwindigkeitsanderungen, sofem die FlieBgeschwindigkeit v viel kleiner als die Druckwellengeschwindigkeit a ist. Dies trifft bei Wasserleitungen im Normalfall immer zu. Druckhöhenlinie p g·p

t . ^ • ^

t

tP

dx dt

dx dT=v-a Xlt

a

to=2Atf ^ ^i^^T.

/^ P /K

:·7i·d·dx g·p·A·dx Bezugsniveau

(b

xU

xP

xR x (c^

, Ax

, U Ax I

R

x

Abb. 8.13: a) Kraftebilanz an einem Rohrelement; b) Graphische Darstellung von Charakteristiken; c) Berechnungsgitter fur das Charakteristikenverfahren Nach Multiplikation der Kontinuitatsgleichung (8.44) mit der Druckwellengeschwindigkeit a erhalt man: dv

1 a-\-

dx

PF

'^

dx

dt

[m/s^]

(8.45)

8 Druckrohrleitungen

228

Die Bewegungsgleichung (8.36) zeigt sich nach einer Umstellung in der folgenden Form: ^v

dv

1 dpi

— + v- — + dt dx Pf

dz

—-^g dx

X

I I /, r / 2i

+

V- V = 0

dx

(8.46)

[m/s^]

2'dj

Wird (8.45) zur Bewegungsgleichung (8.46) addiert bzw. von ihr subtrahiert, ergibt sich: dv

/ ^ \ dv ^

dt

dx

1 PF

-a

dx

I

^ dz dx

X 2'di

dx

\ \ ' '

J

^

, 2^

re

^ [m/s^] n

A^ ^

(8.47a)

Die Terme (v±a) = dx/dt werden als Charakteristiken (s. Abb. 8.13b) definiert, ftir die somit die folgende Gleichung gilt: dv dt

dx dv dt dx

1 (dx -a \dt

PF

dpi dx

dpt | g ~ + -^-v\v\ dx j ^ dx 2'di

=0

[m/s']

(8.47b)

Mit den totalen Differentialen: dv dv dv dx — =— + dt dt dx dt dPL^^^^.^ dt dt

^ / 2-. [m/s^]

(8.48a)

[N/m^.s]

(8.48b)

dx dt

ergibt sich die Gleichung (8.47b) zu: dv_^ dt

1 PF

dPK^g.d^^J^,y,U^O ^ dx 2'di

'Ci dt

[m/s^]

' '

(8.49)

Der zweite Term in (8.49), der den absoluten Druck enthalt, kann auch als Piezometer Oder Druckhohe dargestellt werden: 1 PF

dpi _ g f dh

'Ci dt

a \dt

dz^ dt

[m]

(8.50)

Eingesetzt in (8.49) erhalt man: dt

^ dh a dt

dz^ dt

dz dx

X 2'di

I I

/,

r / 2i

(8.51)

Der Ausdruck dz/dx laBt sich wie folgt umformen: dz dx dz ^ , ^ dz ^ , ^ = (v±a] [m/s] — = dt dt dx ^ ^ dx und (8.51) verandert sich damit zu: dv ^g (dh — ± —• dt a [dt

/ ^ ^dz^ dz X \v±a)— +e + ^ ^ dx) dx 2'di

(8.52)

11 n V- V = ^ ' '

r / 2n [m/s 1

(8.53)

8 Druckrohrleitungen

229

Bei Fliissigkeitsstromungen ist die Annahme, daB die FlieBgeschwindigkeit v viel kleiner als die Druckwellengeschwindigkeit a ist, gerechtfertigt. Dadurch entfallen auch die konvektiven Terme v • dv/dx und v • dp/dx in (8.47a) und auch der Term dz/dx in (8.53). Diese Vereinfachung Hefert genaue Ergebnisse, solange die Bedingung v<0,05 -a eingehalten wird. In diesem Fall vereinfachen sich die Charakteristiken zu Geraden: dx (v±a)«±a = — dt

(8.54)

[m/s]

Damit reduziert sich (8.53) auf: ^ ± j £ . dh dt a dt

'v]v\ = 0 [m/s^]

2'di

(8.55)

Durch eine Integration entlang der Charakteristiken kann (8.55) gelost werden: v + ^-/z

2'di

tu

^p.

I

y-^'h

X -•V2'di

V

U

[m/s] e-Charakteristik

(8.56a)

m

[m/s] ©-Charakteristik

(8.56b)

Im ersten Fall bei Fortschreiten vom Punkt U zum Punkt P spricht man von eCharakteristik, im zweiten Fall bei Fortschreiten von R nach P von e-Charakteristik. Unter der Annahme eines hinreichend linearen v-Verlaufes und kleiner Intervallschritte Ax kann mit dt = dx/±a6\Q Trapezregel angewendet werden: v + ^'h

v + ^'h

[m/s]

(8.57a)

Xp — Xjj

2'a

2'di

+ P

L

2'di

•V V

-if/y

bzw. hp = / ^ + —.(v(/ - v p ) - -'[vp IvpUvf/ -Ivf/I) g 4'g'di ^ ' ' ' '^ und

v-^'h

[m]

(8.57b)

v-^'h P

L

[m/s]

Xp — Xp

2'a

2'di

2'di

•V- V

-i^y

(8.58a)

230

8 Druckrohrleitungen

bzw. hp = HR

[VR -vp)--'(vp\vpUvR -\VR^ [m] (8.58b) g 4-g'di ^ ' ' ' '^ Wird ein Rohrleitungsabschnitt mit konstanten Kenndaten (Druckwellengeschwindigkeit const.) in eine bestimmte Anzahl von Ortsintervallen Ax (siehe Abb. 8.13c) unterteilt, und wenn an den Punkten U und R zur Zeit tj die Piezometerhohen und die Geschwindigkeiten bekannt sind, so lassen sich mit (8.57b) und (8.58b) die neue Piezometerhohe und die neue FlieBgeschwindigkeit im Punkt P zu einem weiteren Zeitpunkt t2 berechnen. Sind fur den Zeitpunkt ti fiir alle Gitterpunkte die Druckhohe und die Geschwindigkeit bekannt, konnen die Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse fur alle weiteren Zeitschritte At din jedem Knotenpunkt berechnet werden. Fiir den Zeitpunkt tj kann im betrachteten Rohrabschnitt ein stationarer oder instationarer Stromungszustand vorherrschen. Fiihrt man als weitere Vereinfachungen X = const, und, da die Geschwindigkeiten in den Punkten P, f/und R fiir einen Intervallschritt nur gering differieren, Vp • |vp I + Vf/ • |vf/1 = 2 • Vp • |vf/1 [m^/s^]

(8.59a)

Vp |vp I + VT? • |v^ I = 2 • Vp • |v^ I [mW]

(8.59b)

ein, so verandem sich (8.57b) und (8.58b) zu: hp=hu-\- — (vu-vp)-g

-•vp-lvf/l 2'g'di

[m]

(8.60a)

hp=hR- — 'ivR-Vp) + --vp-lvpl [m] g 2'g'di Mit der Beziehung Q = v A und den Abkiirzungen:

(8.60b)

B=- ^ g'A

(8.61a)

[s/m^]

AxX R= ^ ;\ , 2'g-drA

[s7m^]

(8.61b)

liegen zwei Gleichungen zur Berechnung der Unbekannten hp und Qp vor: hp=kj+B'{Qu-Qp)-R'Qp'\Qu\

[m]

(8.62a)

hp=hR-B'{QR-Qp)^R'Qp'\QR\

[m]

(8.62b)

Diese lassen sich mit den folgenden Abkurzungen weiter zusammenfassen: Bu=B + R'\Qu\

[s/m']

(8.63a)

Cu=hu+B'Qu

[m]

(8.63b)

BR=B

[s/m']

(8.63c)

+ R'\QR\

8 Druckrohrleitungen Cj,=hR-B'Qj,

[m]

231 (8.63d)

Wenn man nun nach den gesuchten GroBen hp und Qp auflost, so ergeben sich die Kompatibilitatsbedingungen in verkurzter Schreibweise: Cy 'BR+CR'

Bu

BU

[m]

(8.64)

+BR

Neben der Rohrleitung besteht ein komplettes Rohrleitungssystem noch aus einer Vielzahl weiterer Komponenten, die je nach Situation fur den Betrieb und die Sicherheit erforderlich sind. Hierzu zahlen unter anderem: Behalter, Kegel- und Absperrarmaturen, Rohrverzweigungen und -vereinigungen, Be- und Entliiftungsventile, Pumpen, Turbinen, Windkessel, Wasserschlosser etc. Bei der numerischen Modellierung von Rohrsystemen werden diese Komponenten durch Rand- bzw. Knotenbedingungen, die mittels mathematischer Beziehungen das hydraulische Verhalten beschreiben, erfaBt. 8.3.4

Abminderung von Druckstofien

Fiir die Begrenzung bzw. Minderung dynamischer Druckanderungen in Rohrleitungssystemen gibt es mehrere verschiedene Moglichkeiten (s. Tabelle 8.8). Bereits in der Vorplanung sollte abgeschatzt werden, welche MaBnahmen zur Einhaltung der zulassigen Druckhohen erforderlich sind. Eine uberschlagige Bestimmung laBt sich mit den vorher beschriebenen Verfahren vomehmen. Haufig ergeben sich hieraus wichtige Planungshinweise, z. B. fur das Hohenprofil und den zu erwartenden Betriebsdruck im Hinblick auf eine moglichst betriebssichere und wirtschaftliche Anlage. Der Schwankungsbereich fiir Innendrucke ist nach oben durch den zulassigen Betriebsdruck begrenzt. Nach unten sollte mindestens ein ausreichender Abstand zum Dampfdruck eingehalten werden, um dampfgefullte Hohlraume (Kavitation) und die meist darauf folgenden Druckspitzen, die durch das Zusammenfallen der Hohlraume entstehen, zu vermeiden. Der zulassige Schwankungsbereich muB bei der Inbetriebnahme, im Normalbetrieb und im gestorten Betrieb (Notabschaltung, Fehlerauslosung von Sicherheitsarmaturen etc.) eingehalten werden. Wird der zulassige Schwankungsbereich iiberschritten, muB durch zusatzliche MaBnahmen (s. Tabelle 8.8) die dynamische Druckanderung begrenzt werden. Am sichersten fiihrt man dies durch eine gezielte Verlangsamung der FlieBgeschwindigkeitsanderung mittels Stellgesetzen bei Armaturen oder Energiespeichem (z. B. Schwungmassen an Pumpen, Druckbehalter mit Gaspolster, Wasserschlosser, usw.) durch. Eine weitere Moglichkeit der Minderung von unzulassigen Uberbzw. Unterdrucken bieten Sicherheitsventile.

232

8 Druckrohrleitungen

Tabelle 8.8: DruckstoBreduzierende MaBnahmen [8.21] I Druckstofireduzierende II Eimichtimg/MaBnahme llStellzeiten und Stellgesetze in Verbindung mit den Drosselcharakteristiken von Armaturen und Leitapparaten von Entspannungsturbinen llDruckbehalter mit Gaspolster mit und ohne Drosseln, fur alle Druckbereiche

Verminderung der Druckanderung weitgehend wahlbar, wenn entsprechend lange Stellzeit bzw. angepafites Stellgesetz gewahlt werden kann

Uberwachung und Instandhaltung Betriebssicherheit hoch, wenn RegelmaBige Funktionskontrollen und Uberpriifung || Knickpunkte der der Stellzeit Stellgesetze und Stellzeiten mehrfach gewahrleistet sind

wahlbar, in Abhangigkeit vom Volumen des Druckbehalters mit Gaspolster

hoch, bei entsprechender Oberwachung

llSchwungmassen

nicht beliebig, wegen Fliehkraften, Lagerung, Anfahrproblemen wahlbar, in Abhangigkeit von dem Verhaltnis Schachtquerschnittsflache zum Leitungsquerschnitt und ggf. Uberlaufhohe nur Verminderung der negativen Druckanderung (Unterdruck)

hoch

nur Verminderung der positiven Druckanderung, wahlbar in Abhangigkeit von der hydraulischen Einrichtung (Armatur, Vorsteuerung, Hilfsenergie) Verminderung der positiven und der negativen Druckanderungen

abhangig von der Bauweise und Einstellung

IIWasserschloB meist SchachtwasserschloB (Standrohr) mit und ohne Uberlauf, nur fur geringe Driicke II Nachsaugbehalter mit RiickfluBverhinderer

||Nebenausla6 ohne und mit Vorsteuerung, ohne und mit Hilfsenergie, direkt an der Turbine (v. a. Francis-Turbinen) II Be- imd Entliiftungsarmaturen (-ventile)

8.4

- Wartung der Uberwachungseinrichtung (Wasser- || stand), - ggf. Austausch des Wasservolumens aus hygienischen Griinden in bestimmten zeitUchen Abstanden, - Wartung des Kompressors fur die olfreie Druckluft, - AuBerbetriebnahme fiir Uberpriifung (u. U. Reserve vorhahen), - Absperrarmatur in der Zuleitung, gegen irrtumliches SchlieBen sichem und/oder iiberwachen (Endschalter); standige Uberwachung der Lager bei grofieren Ein- || heiten

sehr hoch

- Fiherung der Zuluft, || - ggf. Austausch des Wasservolumens aus hygienischen Griinden in bestimmten zeitUchen Abstanden;

hoch, abhangig von der Funktionstuchtigkeit des RuckfluBverhinderers

- regelmaBige Wartung bzw. Funktionspriifung || des RiickfluBverhinderers erforderlich, - Uberwachimg des Wasservolumens, - ggf. Austauschen des Wasservolumens aus hygienischen Griinden, in bestimmten Abstanden, - Filterung der Zuluft; meist aufsvendig, regelmaBige Wartung und Funk- | tionspriifung

abhangig von der Bauart der Beliiftungsventile, rasche Beluftung

RegelmaBige Wartung bzw. Funktionspriifung er- || forderlich, ggf. Filterung der Zuluft erforderlich

Statische Bemessung von Druckrohrleitungen

Die fur Druckrohrleitungen einer Wasserkraftanlage aus der Wasserforderung herruhrenden Belastungen folgen aus der statischen Druckhohe und den dynamischen Druckhohen, die durch FlieBvorgangsanderungen entstehen (s. Kap. 8.3). Weitere Beanspruchungen werden verursacht durch verhinderte Langsdehnung, ortliche Verformungsbehinderung, Durchbiegung zwischen Auflagem infolge von Streckenlasten, wie Eigengewicht und Wasserlast, sowie durch Erd- und Verkehrslasten bei eingeerdeten Rohrleitungen. AuBerdem stellen sich durch das Temperaturgefalle in der Rohrwandung Warmespannungen ein, die vor allem bei dickwandigen Rohren {da/di > 1,2) zu beriicksichtigen sind.

8 Druckrohrleitungen

233

Da fur die Bemessung im Normalfall der Innendruck /?, in erster Linie maBgebend ist, werden unter Einbeziehung der dynamischen Druckbelastungen sogenannte Bemessungsdrucklinien ermittelt, anhand derer die erforderlichen Wanddicken berechnet werden. Die Berechnung der Zylinderschalen unter alleiniger Beriicksichtigung des Innendrucks ist z. B. in der DJN EN 13480 [8.22], den Technischen Regeln fiir Dampfkessel TRD und in den Merkblattem der Arbeitsgemeinschaft Druckbehalter (AD) geregelt. Um auf hinsichtlich Durchmesser, Wandstarke und Druck genormte Rohre zurilckgreifen zu konnen, werden mehrere Druckbereiche definiert, innerhalb derer man jeweils von einer konstanten, auf den Hochstdruck ausgelegten Rohrwanddicke ausgeht. 8.4.1

Spannungen und Rohrwanddicke

Zur Ermittlung der Spannungen aus hmendruckbelastung in geraden Rohrabschnitten betrachtet man die drei Hauptnormalspannungen in Ringrichtung a^p, Langsrichtung 07 und Radialrichtung ar (s. Abb. 8.14b). Die einzelnen Spannungsanteile und ihre Herkunft sollen in den folgenden Abschnitten erlautert werden. Je nach den gegebenen Randbedingungen sind diese Komponenten zu iiberlagem. Da sich die im einachsigen Zugversuch ermittelten Festigkeitskennwerte eines Werkstoffes nicht unmittelbar mit den Spannungen im mehrachsigen Spannungszustand vergleichen lassen, werden unter Zuhilfenahme von unterschiedlichen Festigkeitshypothesen fiir verschiedene Versagensarten Vergleichsspannungen ay definiert. Die Hauptspannungen CT/, O// und am werden dazu zunachst der GroBe nach geordnet, d. h. es gilt oj > an > aui> Die Normalspannungshypothese gilt fiir Trennbruch: ^v,N = ^B

[N/nmi^]

(8.66)

o'v.N Vergleichsspannung (Normalspannungshypothese) [N/mm^] (TB Trennfestigkeit [N/mm^] Die Schubspannungshypothese gilt fur Versagen durch plastisches Verformen und fur Gleitbruch: <^v,sch = CT/ -Ojij

[N/mm^]

(8.67)

o'v.Sch Vergleichsspannung (Schubspannungshypothese) [N/mm^] (7j/(7jjj Hauptspannungen [N/mm^] Die Gestaltanderungshypothese besagt, dai3 die Vergleichsspannung dieselbe Gestaltanderungsenergie verrichtet wie die Hauptspannungen. Sie gilt fur Versagen durch plastisches Verformen und fur Dauerbruch: <Jv,G = —j=' >/(cT(p - CT/)% (cT/ - a , ) % (^r " ^^ )^ (Jv,G Vergleichsspannung (Gestaltanderungshypothese) ag, Ringspannung

[N/mm^]

(8.68) [N/mm^] [N/mm^]

8 Druckrohrleitungen

234 O/ (jj.

Langsspannung Radialspannung

[N/mm ] [N/mm^]

Gleichgewichtsbetrachtungen am Rohrelement fuhren auf die LameGleichungen, welche die Spannungsverteilung bei Innendruckbelastung angeben. Diese sind auch fur dickwandige Rohre {da / df > 1,2) gultig: <^(P = Pi'-

a, = Pi •

2 ra

n

r'+r!

r'-r'

[N/mm^]

(8.69a)

[N/mm^]

(8.69b)

Aus den Gleichungen ist ersichtlich, dai3 sich fiir die Ringspannung am auBeren, flir die Radialspannung am inneren Rand die hochsten Werte ergeben. Daruber hinaus nimmt die Radialspannung vom Hochstwert pi an der Innenseite auf den Wert 0 an der AuBenseite ab, so daB ftir die mittlere Radialspannung gilt: a...=-^ (Jr^jn

[N/mm^]

mittlere Radialspannung

(8.70) [K/mm ]

Die Triebwasserleitungen von Wasserkraftanlagen sind im Regelfall als dtinnwandige Zylinder (da/di< 1,2) zu betrachten. Die mittleren Spannungen in diinnwandigen Rohren unter Innendruck konnen nach Abb. 8.14 aus dem Kraftegleichgewicht am Rohrelement abgeleitet werden und ergeben sich zu: _ Pi • di

2-s CT/

Pi' dj

[N/mm^]

(8.71a)

[N/mm^]

(8.71b)

4'S

wobei die Gleichung (8.71a) die sogenannte „Kesselformel" darstellt. Die mittlere Radialspannung entspricht jener am dickwandigen Rohr (8.70).

Abb. 8.14:

a-c): Rohr unter Innendruck: a) Normalkrafte in Ringrichtung; b) Hauptspannungen: Ringspannung cr^ Langsspannung o/ und Radialspannung crr\ c) Verlauf und GroBenordnung der Normalspannung in der Rohrwand. d) Abflachung q [8.23]

8 Druckrohrleitungen

235

Aus der Schubspannungshypothese ergibt sich somit die mittlere Vergleichsspaimung (Tv^sch ^\ifdi bezogen zu: _prdi ^V,Sch

—

(

Pi^_Pi

(di

_i±\ = J±A^^j\

[N/mm^]

(8.72a)

2'S

bzw. aufdm bezogen: Pi

dj + S

<^v,sch = ^ s 2 und auf da bezogen:

Pi ' dm

= —^ 2'S

.

2i

/o ^^u\

[N/mm ]

(8.72b)

^v,sch=^^^-^ [N/mm^] (8.72c) 2 2'S Die zulassige Spannung CTZUI wird nach D I N 2413 [8.22] iiber den Festigkeitskennwert K folgendermaBen defmiert: ^,,i=

— = Y'K

[N/mm^]

(8.73)

(Jzui zulassige Spannung pSf/mm^] [N/mm^] K Festigkeitskennwert, i. d. R. Streck- bzw. 0,2-%-Dehngrenze S Sicherheitsbeiwert, beanspruchungsabhangig, i. d. R. »S'=1,5-1,8 [-] Y Nutzungsgrad [-] Die rechnerische Wanddicke Sv ergibt sich damit unter Zugrundelegung v o n ^v,sch = ^zui zu:

s,=

EL^ \2'a,ui-Pi)-
=

EL^

[mm]

(8.74)

\2'^zui-Piy
Sy rechnerische Wanddicke (ohne Zuschlage) [mm] VN SchweiBnahtwertigkeit [-] Darin ist zusatzlich die SchweiBnahtwertigkeit v^ enthalten, welche die geringere Belastbarkeit eines geschweiBten Rohres im Vergleich zum nahtlosen in die Berechnung mit einbringt (s. D I N 2413 [8.22]). U m weiterhin zu beriicksichtigen, daB an der Innenseite der Rohrwandung die groBte Radialspannung als Hauptspannung ajjj auftritt, kann statt des Mittelwertes a> = 1/2 'Pi auch der Maximalwert a> =/?/ in die Gleichung fiir die Vergleichsspaimung eingesetzt werden. Damit erhalt m a n die Vergleichsspaimung nach der Schubspannungshypothese aus (8.72a) zu: Ov,scH=^^-{-Pi)

[N/mm']

(8.75a)

Oder <^v,sch =

=— 2'S

2'S

[N/mm ]

(8.75b)

236

8 Druckrohrleitungen

und damit die rechnerische Rohrwanddicke ^v ftir vorwiegend ruhende Beanspruchung und Temperaturbelastung bis 120®C [8.22] mit: s.=

^-•^-

=

PL:^

[mm]

(8.76)

Bei der Ermittlung der erforderlichen Wanddicke s sind zusatzlich die Zuschlage ci ftir Fertigungstoleranzen, wobei dieser auch haufig als Zuschlag Ci in Prozent angegeben wird, und C2 fur Abnutzung und Korrosion zu addieren, so dai3 gilt: 5 = 5v+Cy+C2 =(5v+C2 ) • — — ; -

[mm]

(8.77)

s erforderliche Wanddicke [mm] Ci Zuschlag fur Fertigungstoleranzen [mm] Ci' Zuschlag fiir Fertigungstoleranzen [%] C2 Zuschlag fiir Abnutzung und Korrosion [mm] Die Werte Ci bzw. C;' sind in den technischen Lieferbedingungen fur nahtlose und geschweiBte Rohre festgelegt. Nach DIN 2413 [8.22] kann der Zuschlag c^ entfallen, wenn der Korrosionsgefahr vorgebeugt wird. Ansonsten wird bei ferritischen Stahlen im allgemeinen ein Wert von 1 m m als ausreichend angesehen. Bei austenitischen Stahlen braucht i. d. R. kein Zuschlag berucksichtigt zu werden. Fur die Bemessung der Rohrwanddicke bei schwankender Innendruckbeanspruchung, wie sie z. B. bei DruckstoBen aufltritt, ist zunachst die Berechnung gegen Verformung nach den vorgestellten Gleichungen (8.74) bzw. (8.76) und (8.77) - in diesem Fall unter Zugrundelegung der hochstmoglichen Druckspitze vorzunehmen. Mogliche Abmindemngen sind in der DIN 2413 [8.22] geregelt. Es konnen jedoch in bestimmten Fallen (s. DIN 2413 [8.22]) auch die Dauerschwingfestigkeit bzw. die Zeitschwingfestigkeit maCgebend werden. Aus Sicherheitsgrunden ist die sich aus den verschiedenen Berechnungswegen ergebende groBere Wanddicke zu wahlen. Da sich Dauerbruche an der hochstbelasteten Stelle der Rohrwandung einstellen, ist es zweckmaBig, mit den Maximalwerten der Spannungen zu rechnen. Es werden wiederum die Schubspannungshypothese angewandt und die Hochstwerte der Ring- und Radialspannungen nach den Gleichungen (8.69a) und (8.69b) eingesetzt. Statt dem absoluten Innendruck pi wird die Schwingungsamplitude oder Schwingbreite eingesetzt als: Pi,so-Pi,su

[N/mm']

(8.78)

PusJPiSu oberer/unterer Wert der Schwingungsamplitude [N/mm^] Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daB bei DruckstoBberechnungen demnach fiir die Berechnung gegen Verformung der maximale Druck pt^so als Summe des Ausgangsdruckes PA und der maximalen Drucksteigerung Apt anzusetzen ist. Die maBgebende Schwingungsamplitude/7/,5o-A^« ist dementsprechend gleich 2 ' Api.

8 Druckrohrleitungen

237

Nach Ersetzen der Vergleichsspannung durch die zulassige Beanspruchung gegen Dauerbruch und Verformungen ergibt sich die rechnerische Wanddicke ^v fiir schwellende Beanspruchung und Temperaturbelastung unter 120 °C zu: cia'{Pi.So-Pi,Su)

[mm]

(8.79)

2 • (Jzul.Z - {Pi,So - Pi,Su )

^zui,z zul. Beanspruchung gegen Zeitschwingbruch fiir HB, S. Abb. 8.15

[N/mm^]

Die Bruchlastspielzahl in Abb. 8.15 wird dabei als HB = SL - n angesetzt, wobei n die zu erwartende Lastspielzahl und Si die Lastspielsicherheit darstellen. (Si = 2-10; siehe DIN 2413 [8.22]). Beim Nachweis gegen Dauerbruch gilt: a.„,z=^f^

[N/mm^]

(8.80)

<^Sch,D Dauerschwellfestigkeitaus Abb. 8.15 [N/mm^] SD Sicherheitsbeiwert:/S'£>= 1,5 [-] Die beiden Diagramme in Abb. 8.15 kann man jeweils in drei Bereiche einteilen: 1. Fur Lastspielzahlen unter 3000 bei nahtlosen und unter 500 bei geschweiBten Rohren gelten die fiir ruhende Belastung bekannten Festigkeitswerte. 2. Bei Lastspielzahlen von 3.000-3-10^ bei nahtlosen und von 700-310^ bei geschweiBten Rohren ist man im Bereich der Zeitschwellfestigkeit. 3. Uber einer Lastspielzahl von 3-10^ wird die Dauerschwellfestigkeit unabhangig von der Lastspielzahl. Weitere Sonderregelungen sind in der DESf 2413 [8.22] aufgefiihrt.

8 Druckrohrleitungen

238

700 600 + 2 550 3[N/mm] 500 450 400 350 300 Jr 250 200 ^Sch

^500^ , _ , .-

,

150

100

Lastspielzahl n I I li III

2 550 [N/mm ] 500 450

® Abb. 8.15: Schwellfestigkeit CTsch fur a) nahtlose und b) geschweiBte Rohre {\^N= UO) [8.22] 8.4.2

Einbeulen und Verformen

In geraden Rohrabschnitten unter auBerem tJberdruck ist neben dem Nachweis gegen die Vergleichsspannung nach der Schubspannungshypothese noch zusatzlich die Gefahr des Einbeulens zu Uberprufen. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen - elastischem Einbeulen und - plastischem Verformen. Im zweiten Fall tritt un Gegensatz zum ersteren eine Beanspruchung bis Uber die Streckgrenze hinaus ein, so daB bleibende Verformungen die Folge sind.

8 Druckrohrleitungen

239

Die Bestimmung des zulassigen auBeren LFberdrucks ist im AD-Merkblatt B6 [8.23] geregelt. Danach betragt der zulassige Druck fur den Lastfall elastisches Einbeulen: Pkrit,ei=

]'^^''l

[N/mm^]

(8.81)

Pkritei zulassiger Druck (Lastfall elastisches Einbeulen) SK Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Beulen beim Berechnungsdruck fj, Querkontraktionszahl, fur Stahl i. d. R. // = 0,3

[N/mm^] [-] [-]

SK ist fur Unrundheiten ^„ < 1,5 % (s. Gleichungen (8.83a) und (8.83b)) unabhangig vom Werkstoff mit *S'A:=3,0 anzusetzen; fur du> 1,5% ist *Sj^ = 2,25 + 0,5 ' du. Die erforderliche Wanddicke s kann auch aus Abb. 8.16, die ftir eine Querkontraktionszahl von /u = 0,3 gilt, ermittelt werden. Fiir den Lastfall plastisches Verformen ist der zulassige Druck folgendermaBen definiert: _2'K Pkrit.pl — —

s d.

^^

l,5'd,\l-0,2'dall)'da lOO'S^

[N/mm^]

Pkrit,pi zulassiger Druck (Lastfall plastisches Verformen) du Unrundheit s. (8.83a) bzw. (8.83b) / Beullange = Lange zwischen zwei wirksamen Versteifungen S Sicherheitsbeiwert beim Berechnungsdruck s. Tabelle 8.9 Die Unrundheit du berechnet sich bei Ovalitat aus: du=2'

•100

[%]

(8.82) [N/mm^] [%] [mm] [-]

(8.83a)

und bei Abflachung aus: d,= — 'q'100 da

[%]

(8.83b)

q Abflachunggemafi Abb. 8.14d [mm] Ist das betrachtete Rohr mit Versteifungen in sehr kurzen Abstanden versehen, d. h. ist das Verhaltnis des AuBendurchmessers zur Beullange da/l> 5, ergibt sich der zulassige Betriebsdruck als der groBere der beiden folgenden Werte: Pkru,pi=^~ S da

[N/mm^]

(8.84a)

Pkr,,pi=^~

[N/mm^]

(8.84b)

Die erforderliche Wanddicke s kann fiir eine Unrundheit von du= 1,5% auch aus Abb. 8.17 bestimmt werden.

240

8 Druckrohrleitungen ^i

Q

97 <];---..^

^ "~-~-^^

5

'5-

4

i6

^6 4 ^G ,3. ^C

3 2

^

1,5

l

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

L = ^^^^ "~----.^"-

]

"~-~-. •

^

Cq

1

da

(s-c 1-c2)·102

0,15

p ·SK· E

Abb. 8.16: 10 9r 8p 7y 6h 5p

•

,

s

^0

105

Erforderliche Wanddicke s bei Berechnung gegen elastisches Einbeulen (ju = 0,3) [8.23]

.^ 3 VH ^ "^ i^N 1 S^V>^ •,UsK r \ ^A 6 \ ^ff\

4^

"~~-~-^ ~""-~,^"~~--<;^

f

0,3 0,2

'In'n

^ n pU ^7

6

4 %i?.

5"/I -',U l

,\

3

2

t

da 1

(s-c1-c2)·102

Gültig für du = 1 5% 0,2

1

Abb. 8.17:

p · S· 10 K

—^

Erforderliche Wanddicke s bei Berechnung gegen plastisches Verformen [8.23]

8 Druckrohrleitungen Sicherheitsbeiwert S beim Bemessungsdruck [8.23]

Tab. 8.9: 1

Werkstoff

11. Walz- und Schmiedestahle 2. StahlguB | 3 . GuBeisenmitKugelgraphit(nach DIN 1693) 3.1 GGG-70/GGG-60 3.2 GGG-50 3.3 GGG-40 3.4 GGG-40.3/GGG-35.3 14. Aluminium und dessen Legierungen 1 - Knetwerkstoffe 5. GrauguB nach DIN 1691 16. Kupfer und dessen Legierungen einschlieBlich 1 Walz- und Gufibronze

8.4.3

241

Sicherheitsbeiwert S gegen Streck-, Dehngrenze oder Zugfestigkeit 1,6 2,0

|

5,0 4,0 3,5 2,4 1,6 Sicherheitsbeiwert 5 gegen Zugfestigkeit 1 6,0 4,0

AuBere Belastungen von Druckrohrleitungen

Neben der Belastung durch Innendruck ist eine Rohrleitung, wie anfangs bereits erwahnt, noch anderen Belastungen ausgesetzt. Wahrend diese zusatzlichen Belastungen bei Leitungen aus verformungsfahigen Werkstoffen mit germger Nennweite meist vemachlassigt werden konnen, wird bei Rohren mit groBen Nennweiten und sehr steifen Materialien durchaus das Tragverhalten beeinfluBt. Die auftretenden Biegemomente und Normalkrafte in Ringrichtung aus auBeren Belastungen stellen sich in Abhangigkeit vom in Umfangsrichtung laufenden Wmkel (p dar. Zur Berechnung werden zweckmaBigerweise Beiwerte m und n verwendet, die im Kapitel 8.4.4 naher beschrieben sind. Neben den Rmgspannungen cr^ sind vor allem bei freitragenden Druckrohrleitungen die Spannungen o/ in Langsrichtung zu beachten. MaBgebliche Belastungen entstehen dabei besonders durch die im folgenden dargelegten Lastfalle. Zunachst erhalt man in einem geschlossenen Rohr Langsspannungen o/ aus dem Innendruck/?/ (s. (8.71b)). Es ist ersichtlich, daB diese Langsspannung nur die Halfte der Ringspannung unter diesem Lastfall nach (8.71a) betragt. Da bei der Bemessung der Rohrwanddicke die Schubspannungshypothese zugrundegelegt wurde, die von den Spannungen in den drei Hauptachsenrichtungen nur die Jewells groBte und kleinste berucksichtigt, kann deshalb von einer „Reserve" bei der Langsspannung ausgegangen werden, die im Normalfall ausreicht, um die zusatzlichen Belastungen in Langsrichtung aufzunehmen. Aus diesem Grund kann die Bemessung der Rohrleitung im allgemeinen unter alleiniger Beriicksichtigung des Innendrucks erfolgen. Weiterhin entstehen zwischen den Auflagem bei freitragenden Leitungen bzw. bei eingeerdeten Leitungen durch ungleichmaBige Bettung Biegespannungen in Langsrichtung, die mittels statischer Ersatzsysteme (s. Abb. 8.18) angenahert werden konnen.

8 Druckrohrleitungen

242

1

J

bei gemufften, offen verlegten Rohren: M.

2.

\i

bei geschweiBten Endlosrohren (Stahl/Kunststoff):

>\

1

^ i i ; ; ; ; i i i | 5 ^ 3.

8

Mmax

®

= Mstutz

= •

12

M„

24

„Stutzenabsenkung" beim Absenken von Endlosrohren| in den Rohrgraben: 6EI -M« M™, =MA •As

P

4.

IP i

®

(§) ^

^^^ Untergrabung bestehender Leitungen und Neuauffullung: PI MA=MB=

-Mpeid = — —

bei Untergrabung bestehender Leitungen und Neuauffullung: q-b

5.

MA

Abb. 8.18:

=MB

24

'-\,.i--,')

Statische Ersatzsysteme ftir die Biegebemessung in Rohlangsrichtung

Als Belastungen quer zur Achsrichtung kommen dabei Lastanteile aus Eigengewicht und Wasserfiillung in Frage. Die Querbelastung aus Eigengewicht qg laBt sich bei einer unter dem Winkel yff verlegten Leitung (siehe auch Abb. 8.37) folgendermaBen berechnen: qg ='\[r'^''^'i"m'S'COs^

[kN/m]

(8.85)

und die Querbelastung aus Wasserfiillung q^^ TAX: qw=lw-'^'ri^ qg qy^ Yr

• cosp

[kN/m]

Querbelastung aus Eigengewicht Querbelastung aus Wasserfiillung Rohrwichte

(8.86) [kN/m] [kN/m] [kN/m^]

Eine weitere Lastart stellen die Verkehrslasten pv dar, bei denen die vertikalen, durch verschiedene Verkehrsarten verursachten Spannungen von Bedeutung sind und bei denen die dynamische StoBwirkung uber den jeweiligen StoBbeiwert cpvj beriicksichtigt wird: Pv =(pv,i'Pv,i

[kN/m]

(8.87)

8 Druckrohrleitungen

243

woraus sich schlieBlich die Gesamtverkehrslastpv.ge^ ergibt zu: Pv,ges=^Pv

(8.88)

[kN/m^]

[kN/m^] Verkehrslast [kN/m^] Verkehrslast der j eweiligen Verkehrsart Gesamtverkehrslast [kN/m^] StoBbeiwert der j eweiligen Verkehrsart s. Tabelle 8.10 bzw. (8.90) [-] Die aus der Verkehrlast resultierenden horizontalen Spannungen im Boden werden aufgrund ihrer untergeordneten Bedeutung nicht beriicksichtigt. Die im Bereich von Wasserkraftanlagen sehr selten vorhandenen Belastungen durch Flugzeugverkehr u. a. konnen der entsprechenden Fachliteratur entnommen werden (s. z. B. [8.24]/[8.25]). Die Bodenspannung infolge StraBenverkehrslasten pys ist abhangig von der LFberdeckungshohe sowie dem Rohrdurchmesser und kann entweder aus Abb. 8.19 entnommen oder wie folgt berechnet werden: Pv Pvj Pv.ges (pvj

Pv,s =CIF'PF

[kN/m

(8.89a)

]

mit folgenden Naherungsgleichungen, die fur Uberdeckungshohen von /? > 0,5 m und Rohrdurchmesser von dm < 5,0 m gelten: 5

PF

rj-n

3-FE

1-

iH^A/hf

>+-2-n-h'

1

[kNW]

(8.89b)

l + {r,/hy )

und dem dimensionsunechten Korrekturfaktor ap sowie dem mittleren Rohrdurchmesser dm'. Of =

1--

0,9 + da+di

dm = — - — PYS af PF Fi r, h

0,9

(8.89c)

u-dr (8.89d)

[m]

StraBenverkehrslast Korrekturfaktor zur Beriicksichtigung der Druckausbreitung Spannung unter Radlasten und Radaufstandsflachen Hilfslasten s. Tabelle 8.10 Hilfsradien s. Tabelle 8.10 Uberdeckung ab Hohe Rohrscheitel

[kN/m^ [kNW] [kN] [m] [m]

Tabelle 8.10: Hilfswerte und StoBbeiwert (pv,s fur StraBenverkehrslasten 1 Regelfahrzeug SLW 60 SLW 30 |LKW12

FA [kN]

100 50 40

F^[kN] 500 250 80

^^[m] 0,25 0,18 0,15

fEl^] 1,82 1,82 2,26

StoBbeiwert cpys H 1 1,2 1,4

1

hi

1

8 Druckrohrleitungen

244

100 d. [ml

[m]

5,0 4,0

3,0

2,0

1,5

0,5

1,0

Pv,s [kN/m^]

0,25

120 0,1

) >/ / / , ' ,/ / . y / . // / / / '// // / / ^ $^r^ 5^ / / / //^ ^

J

0,7

'Uyj y 11mImf

2,0 Pv.s[kN/m^] 70

50

h [m] 1 d„[m]5,0 4,p3,0 ISi 1,5 1,0 0,5 y 0,6 / / // >

0,5 0,25

0,1

40 d„[m] 5,0 4,03,0 2,0 1,5

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Pvs [kN/m^] 60

0,5

0,25

0,1

// / /// // z. ^ Vy^ ^ '//. Y/ y ^

/ y

0,7

1,0

y// // ^ -' / ' / // /y / / '//y ^^ /// '/A y

fe

V^

• ^

X

f

mW m m 7/

1,5 1,6 1,7 1,8

r

d^b) r

1,9 2,0

-

()

h Fml -

10

15

V

20

Pv.s

[kN/m^]

25

[mj

y ^ ^^^ ^ / ,^ ^ L K W 12 SLW 30 y' // '\ s y // , / t/ / _, ^^ '^ / y // ^ ^ /// / y / / // / op " /// 1/ / // 1 / /,> \1 >// // // /// // (d) // II ? ^ z,3

y

^ n

J,U

J,D

d 0 4,U 4 ^ 4,!>

SLW 60

y

y

i

y'

V

D,0

> •

7 ^ o,U

J

op •

^p •

Abb. 8.19:

Bodenspannungen infolge StraBenverkehrslasten pv,s\ fiir /? = 0,5-2,0 m: a) SLW 60, b) SLW 30, c) LKW 12, d) fur h = 2,0-10,0 m

8 Druckrohrleitungen

245

Die fiir Eisenbahnverkehrslasten relevanten Bodenspannungen pv,E konnen aus der nachfolgenden Tabelle 8.11 entnommen werden, eventuell relevante Zwischenwerte sind linear zu interpolieren. Bei diesen Lastangaben ist die lastverteilende Wirkung von Schienen und Schwellen beriicksichtigt. Fiir die Mindestiiberdeckung gilt der groBere der beiden Werte h=\,5m oder h = dj. Der StoBbeiwert ^V^E fur Rohre unter Gleisen betragt: i^yE= 140-0J-m-^ (pvE

'(h-0,50m)>

10

(8.90)

[-]

StoUbeiwert fiir Rohre unter Gleisen

H

Tabelle 8.11: Bodenspannungen aus EisenbahnverkehrslastenP(/,£

p^M 1 pv,E [kN/m^l, eingleisig

1,50 48 48

|/?p^,£ [kN/m^], mehrgleisig

2,75 39 39

5,50 20 26

> 10,00 10 15

Bei eingeerdeten Leitungen sind zusatzlich noch Erdlasten zu beachten (s. Kapitel 8.4.3.2). Aus dem resultierenden Moment laBt sich die Langsbiegespannung berechnen gemaB der bekannten Formel: a,,=/,.(M,/fr,)

[N/mm^]

(8.91)

mit dem Widerstandsmoment Wi des Kreisrings: (8.92)

^^=y^'^~'^Ya f^^'^

<Jljj Biegespannung in Langsrichtung [N/mm^] fb Spannungserhohungsfaktor, fur gerade Rohre : ^ = 1 [-] Wi Widerstandsmoment des Kreisrings [mm^] Ml Moment in Langsrichtung (s. a. Abb. 8.18) [kNm] Die Biegespannungen in Rohrbogen und -formstucken weichen von der Spannungsverteilung in geraden Rohrabschnitten ab. Um dies zu beriicksichtigen, werden Spannungserhohungsfaktoren fb definiert, welche die Biegespannungen in Form einer mittleren Langsspannung angeben. Ausfuhrliche Angaben zu den FaktoxQn fb sind z. B. in der Norm ANSI B 31.1 [8.26] gegeben. Aufgrund des Hangabtriebes wird in geneigten Rohrleitungen auBerdem durch die rohrparallele Komponente des Eigengewichts eine Langskraft hervorgerufen, die in den nichtverschieblichen Auflagem aufgenommen wird. Das heiBt, die zugehorige Spannung erhoht sich mit der Leitungslange zwischen den Auflagem. Aus diesem Gmnd wird hier nur die sich ergebende Langsspannung aus Eigengewicht (Tig pro laufendem Meter Rohrleitung angegeben: Y;. 'li'dm ^i,g

P

=

'S'Sin^

• jr 'Sin^

[N/mm m]

(8.93)

Ti'dnt'S

Langsspannung aus Eigengewicht pro Ifd. Meter Rohmeigungswinkel

[N/mm^m]

8 Druckrohrleitungen

246

Zusatzlich sind Krafte in Rohrlangsrichtung zu berticksichtigen, die sich aus den Druckangnffsflachen an Stopfbuchsen und Kegelstucken fiir die Durchmesseranderung ergeben (s. Abb. 8.20a + b). Drucklinie

Degenrohr -nbh

J

AJl]

w

'////////// -p.

Jl

^^^

a Abb. 8.20:

a) Stopfbuchsenkraft; b) Kegelsttickkraft

So laBt sich die Stopfbuchsenkraft FM durch den Druck/7, auf die Rohrstimflachen berechnen zu: FM =-Pi'2'n'rm'S FM

[N]

(8.94a)

Stopfbuchsen- bzw. Muffenkraft

[N]

Die damit verbundene Langsspannung aus den Stopfbuchsenkraften entspricht, wie aus Abb. 8.20a leicht zu ersehen, dem Innendruck/?,: ^iM = -Pi (JIM

(8.94b)

[N/mm^]

Langsspannung aus den Stopfbuchsenkraften

[N/mm^]

Durch die Rohrverjiingung am kegelformigen Ubergangssttick (s. Abb. 8.20b) erhalt man gleichermaBen eine Kegelstuckkraft Ft), die sich ermitteln laBt aus: Fo=-

Pi,l + Pi,2

Fij

'n\r^j-r^2)

(8.95a)

[N]

Kegelsttickkraft im Ubergangssttick

[N]

wobei der Index 1 fiir den Leitungsabschnitt mit groBerem Durchmesser und der Index 2 fiir den Leitungsabschnitt mit kleinerem Durchmesser angesetzt werden. Damit erhalt man die Langsspannung aus der kegelformigen Rohrverjiingung: Pi,J + Pi,2 CJ/A7

<Jii}

=

[r^,i-r^,2)

[N/mm^]

Langsspannung aus kegelformiger Rohrverjungung

(8.95b) [N/mm^]

Die ringspannungsbedingte radiale Dehnung des Rohres ruft ebenfalls eine Verformung in Langsrichtung hervor. Wu*d diese Dehnung vollstandig behindert, erhalt man die maximale Langsspannung aus der Ringdehnung zu: a/,, =ZrER=<3^'\i ai^s //

[N/mm^]

Langsspannung aus Ringdehnung Kontraktionzahl, fi = 0,3 fiir Stahl

(8.96) [N/mm^ [-]

8 Druckrohrleitungen

247

Des weiteren erfahrt eine Rohrleitung mit behinderter Langendehnung bei Temperaturanderungen eine Belastung in Langsrichtung. Wirken der Verlangerung bzw. Verkiirzung keine Krafte entgegen, erhalt man die Dehnung aus: Eij=aT'AT

[-]

(8.97a)

Wird diese Verformung ganzlich unterbunden, so ergibt sich die maximale Langsspannung aus stationarer Temperaturbelastung: Gij = Zij 'ER=aT'AT-ER sij ar AT (T/7

[N/mm^]

(8.97b)

Langsdehnung infolge Temperaturanderung Warmeausdehnungskoeffizient, bei Stahl aT= 1,2 lO'^m/mK Temperaturanderung Langsspannung aus stationarer Temperaturbelastung

[-] [m/mK] [K] [N/mm^J

8.4.3.1 AuBere Belastungen bei off en verlegten Druckrohrleitungen Bei offen verlegten Leitungen in aufgeloster Bauweise wird der GroBe der Langskrafte aus Querdehnung und Temperaturbelastung, die sich aus der Aufsummierung der Spannungen ergeben, eine Grenze gesetzt. Sie konnen insgesamt nicht groBer werden als die Summe der Reibungskrafte an den Stopfbuchsen (s. Abb. 8.20a) und Zwischenabstutzungen (Gleitlager, Rollenlager). Die Reibungskraft an Stopfbuchsen berechnet sich aus: FM,r=\ir,D'Pi'n'd^'b

[N]

(8.98)

FM,r Reibungskraft an der Stopft)uchse [N] Mr,D Reibungsbeiwert des Dichtungsmaterials, i. d. R. ^^ = 0,2-0,3 [-] dd Durchmesser des Degenrohres s. Abb. 8.20a [mm] b Packungstiefe des Dichtungsmaterials [mm] Im Gegensatz zu den vorherigen Gleichungen zur Krafteberechnung ist flir die Reibungskraft an den Stopfl^uchsen der dynamische Druckanteil zu vemachlassigen, da dieser nur kurzzeitig wirkt und somit keine wirksame Steigerung der Reibungskraft verursacht. Die groBtmogliche Reibungskraft max Fzw,r an den Zwischenabstutzungen berechnet sich aus der Auflagerkraft Freak und dem der Reibungsflache zugehorigen Beiwert ^r,zw' Die Auflagerkraft ergibt sich dabei aus der Summe der senkrecht zur Lagerflache und damit im Regelfall auch senkrecht zur Achse wirkenden Gewichtsanteile des Rohres GR^enk (8.138a) und der Wasserfullung Gw^enk (8.139): max Fz^,r = Freak ' \^r,Zw = {OR^senk + Gw,senk ) ' \^r,Zw

[N]

(8.99)

Fzw,r Reibungskraft an Zwischenabstutzungen [N] Freak Auflagerkraft [N] fir^zw Reibungsbeiwert der Zwischenunterstutzung [-] GR^senk senkrecht wirkende Gewichtsanteile des Rohres [N] Gw,senk senkrecht wirkende Gewichtsanteile der Wasserfullung [N] Zusatzlich bewirkt die Reibung des stromenden Wassers an der Rohrwandung Spannungen in Rohrlangsrichtung, diese sind im Vergleich zu den restlichen aber im allgemeinen so gering, daB sie vemachlassigt werden konnen.

248

8 Druckrohrleitungen

8.4.3.2 AuBere Belastungen bei eingeerdeten Druckrohrleitungen Nach DIN 13480-3 [8.22] gelten eingeerdete Rohre mit einem Durchmesserverhaltnis s/da> 0,01 als ausreichend bemessen, sofem sie fachgerecht verlegt sind und nur Verkehrslasten bis SLW 60 aufhehmen miissen [8.25]. Als iibliche Einerdung gelten dabei Uberdeckungshohen von 1-6 m, wie sie bei Triebwasserleitungen von Wasserkraftanlagen ebenfalls vorkommen. Bei einem Verhaltnis von s/da< 0,01 sowie bei der Notwendigkeit einer genaueren Bemessung fur s/da > 0,01 ist ein exakter Nachweis zu fohren. Bei der Berechnung eingeerdeter Rohrleitungen bestehen fur die Bestimmung der Erdauflast verschiedene Ansatze. In der Vergangenheit wurde vor allem das Verfahren nach MARSTON bevorzugt, das auf der Silotheorie beruht und von der Ausbildung senkrechter Gleitflachen durch unterschiedliche Setzungen im Bodenkorper ausgeht. Daraus folgt eine Unterteilung in die Damm- und Grabenbedingung, je nachdem, ob die in den Gleitflachen wu-kenden Reibungskrafte be- oder entlastend wirken. AuBerdem geben das VdTUV-Merkblatt 1063 [8.27] sowie die ONorm B 5012 [8.28] Vorschlage zur Berechnung eingeerdeter Rohrleitungen. Im folgenden soil das im ATV-DVWK-Arbeitsblatt 127 [8.24] vorgeschlagene Verfahren zur Berechnung eingeerdeter Rohrleitungen naher beschrieben werden. Dieses beruht ebenfalls auf der Silotheorie, unterscheidet aber nicht zwischen Graben- und Dammbedingung, sondem geht bei letzterer von einem unendlich breiten Graben aus. Konzentrationsfaktoren A, die vom Steifigkeitsverhaltnis Rohr Boden abhangig sind, bilden die Grundlage fiir die Erdlastermittlung (s. Abb. 8.24). Zunachst wird anhand der Silotheorie die Spannung PE in Rohrscheitelhohe bestimmt. Die Reibungskrafte in den Grabenwandungen werden dabei iiber den Abminderungsfaktor /c fur Erdlasten bzw. fCo fur gleichmaBig verteilte Flachenlasten erfaBt. Damit gilt fur Graben mit parallelen Wanden nach Abb. 8.21 fur Erdlasten: PE=K'yB'h

[kNW]

(8.100a)

fiir gleichmaBig verteilte Flachenlasten: PE=KO-PO

[kNW]

(8.100b)

und damit insgesamt: PE.ges =K'yB'h-\-Ko'Po PE fc fCo n h Po

[kWw?]

Bodenspannungen infolge Erdauflast Abminderungsfaktor fiir Erdlasten nach der Silotheorie Abminderungsfaktor fur gleichmaBig verteilte Flachenlasten nach der Silotheorie Wichte des Bodens, i. d. R. /b = 20 kN/m^ Uberdeckung ab Hohe Rohrscheitel Flachenlast

(8.100c) [kN/m^] [-] [-] [kN/m^] [m] [kN/m^]

8 Druckrohrleitungen

249

Abb. 8.21: Graben: a) mit parallelen Wanden; b) mit geboschten Wanden [8.24] Die Abminderungsfaktoren /rund KQ werden folgendermaBen berechnet:

r

h

\

-2—Kitanb

K =

1-e Ko=e

*

-2—Ki-tanb b

h

'Ki'tanb\

(8.101a)

[-]

(8.101b)

[-]

Kj Verhaltnis von horizontalem zu vertikalem Erdruck s. Tab. 8.12 [-] 8 Wandreibungswinkel [°] Die Werte fiir Kj und ^werden in Abhangigkeit von den folgenden Uberschtittungsbedingimgen Al - A4 angesetzt und konnen aus Tabelle 8.12 entnommen werden: Al: - Lagenweise gegen den gewachsenen Boden verdichtete Grabenverftillung (ohne Nachweis des Verdichtungsgrades); gilt auch fiir Tragerbohlwande (Berliner Verbau). A2\ - Senkrechter Verbau des Rohrgrabens mit Kanaldielen oder Leichtspundprofilen (bis zu einer Profllhohe von 80 mm), die erst nach dem Verfullen gezogen werden; - Verbauplatten oder -gerate, die bei der Verftillung des Grabens schrittweise entfemt werden; - unverdichtete Grabenverflillung; - Einspulen der Verftillung (nur geeignet bei Gi-Boden (s. Tabelle 8.13)). A3: - Senkrechter Verbau des Rohrgrabens mit Spundwanden, Holzbohlen, Verbauplatten oder -geraten, die erst nach dem Verfullen entfemt werden. A4: - Lagenweise gegen den gewachsenen Boden verdichtete Grabenverftillung mit Nachweis des nach ZTVE-StB [8.24] erforderlichen Verdichtungsgrades; gilt auch fur Tragerbohlwande (Berliner Verbau). - Die Uberschtittungsbedingung A4 ist nicht anwendbar bei G^-Boden (s. Tabelle 8.13). Tabelle 8.12: Erddruckverhaltnisse Kj und Wandreibungswinkel S in Abhangigkeit von der Uberschtittungsbedingung und dem inneren Reibungswinkel cp' [8.24] 1 Uberschtittungsbedingung KJ

W

s

Al 0,5 2/3 y

A2 0,5 1/3 J 7 ^

AJ 0,5 0

^44

1

0,5

1

(P'

W

8 Dnickrohrleitungen

250

Bei Graben mit geboschten Wanden (s. Abb. 8.21b) ergeben sich fur gleiches h und b in Rohrscheitelebene hohere Spannimgen, so daB K und KQ durch die Abminderungsfaktoren bei geboschten Wanden K^ und Kpo ersetzt werden (s. FluBdiagramm in Abb. 8.29a-8.29b). Die Gesamtbelastung eines in einem Stufengraben verlegten Rohres ergibt sich aus dem Mittelwert zweier Lastfalle, die der Grabenausbildung links und rechts der Rohrachse entsprechen. Die Berechnungsgrabenform dieser Lastfalle ergibt sich durch Spiegelung jeweils eines Grabenteils an der Symmetrieachse des Rohres, wie in Abb. 8.22 beispielhaft dargestellt. 11t

121 22 23]

F1 F2

B11=2b11

B12=2b12

B22=2b22

L F 11

PF'12^

1-

^ ^ ^ 11 11

F'22 I

½ ^ · F'

12

12

sF22

F1 = F 1 1 +F12

Abb. 8.22:

/

/

/

/

/

/

F ' 2 2 F 21 ½ ^y F2 = F 2 2 + F 2 1

Ersatzgleichflachenlast der GroBe begrenzte Flachenlast der GroBe p . p /^ a^ +T hh P^ ^

i i i i iiiiiii iiiiiil i i i 1 i ; i ; di /

½

F 21,

Lastfalle am Stufengraben [8.29]

begrenzte Flachenlast der GroBe p \

/

B21=2b21

-1\

/

•

/

/

y/yyy///////

y yy yy yy

^

ML

yy:yy/y/yyyyy

Ersatzgleichflachenlast der GroBe

u

JJJ>

2:1/

® Abb. 8.23: EinfluB begrenzter Flachenlasten Der EinfluB begrenzter Flachenlasten wird naherungsweise wie folgt angesetzt: wenn die begrenzte Flachenlast sich innerhalb eines unter der Neigung 2 : 1 begrenzten Druckausbreitungsbereichs befindet: Berechnung als Gleichflachenlast/>' innerhalb der von der Druckausbreitung unter 2 : 1 begrenzten Flache (siehe Abb. 8.23a); wenn sich die begrenzte Flachenlast auBerhalb oder teilweise auBerhalb eines unter der Neigung 2 : 1 begrenzten Druckausbreitungsbereichs befindet: Berechnung als Gleichflachenlast p^ innerhalb der von der Druckausbreitung unter 1 : 1 begrenzten Flache (siehe Abb. 8.23b); wenn sich die begrenzte Flachenlast auBerhalb eines unter der Neigung 1 : 1 begrenzten Druckausbreitungsbereichs befindet: kein EinfluB der begrenzten Flachenlast.

8 Druckrohrleitungen

251

SchlieBlich sind noch die eventuell auftretenden Verkehrslasten zu beriicksichtigen (s. Abschnitt 8.4.3). Lastaufteilung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen Durch die unterschiedliche Verformungsfahigkeit von Rohr und umgebendem Boden erfolgt eine Umlagerung der berechneten mittleren Bodenspannungen PE> Diese Umlagerung wird rechnerisch durch bereichsweise konstante Konzentrationsfaktoren X beriicksichtigt. Uber dem Rohr wird der Konzentrationsfaktor XR angesetzt, im Bereich 1,5 -da links und rechts neben dem Rohr der Konzentrationsfaktor XB. Bei Rohrgraben mit einer Breite b < 4 -da wird ein Konzentrationsfaktor XRG defmiert (s. Abb. 8.24). V//JL///////////////////////////////////A ^•pE

^R-PE ^B • P E ,

y////////////////,

®

o

PE =

,

PE =

K-YB-h

K-YB-h

Hr '///////////////I 4d i

V////////A///////,

'4-4

1^ Abb. 8.24: Umlagerung der Bodenspannungen: a) biegesteifes; b) weiches Rohr [nach 8.24] Der Konzentrationsfaktor XR tiber dem Rohr berechnet sich aus:

XR

4' K2 max X-l maxX'Vs +a'--0,25 ^ -<4 3-VK2 maxX-1 Vs+a'

~1

(8.102)

a'-0,25

max A maximaler Konzentrationsfaktor s. Gleichung (8.105) [-] Steifigkeitsverhaltnis s. Abb. 8.29a-8.29b [-] Vs [-] wirksame relative Ausladung s. (8.104) bzw. Abb. 8.29a-8.29b a' Erddruckverhaltnis im Boden neben Rohr s. Tab. 8.17 [-] K2 Die bestimmenden Parameter sind allesamt maBgeblich von den Verformungsmoduln ER des Rohres und E] bis E4 der umgebenden Bodenzonen nach Abb. 8.25 abhangig. Die Verformungsmoduln Ej bis E4 konnen dabei in Abhangigkeit von der Bodengruppe G aus Tabelle 8.14 entnommen werden. E, E3

E4

4-d

Abb. 8.25: Bereichseinteilung fur die Verformungsmoduln Ej bis E4 [nach 8.24]

252

8 Druckrohrleitungen

Tabelle 8.13: Bodengruppen 1 Bodengruppe G=l 2 3

1

4

Bodenart nichtbindige Boden: Kies, Sand schwachbindige Boden: Kies-Schluff, Kies-Ton, Sand-Schluff, Sand-Ton bindige Mischboden: Schluff, Kies-Schluff/-Ton, Sand-Schluff/-Ton bindige Boden: Tone, organogene Boden

| 1 1 1 |

Tabelle 8.14: Innerer Reibungswinkel cp', Verformungsmodul EB und Reduktionsfaktor fur das Kriechen// verschiedener Bodenarten [nach 8.24] 1 Bodengruppe G 1 2 3

1 4

innerer Reibungswinkel ^ '

Wichte YB

[kNW] 20 20 20 20

n 35 30 25 20

Verformungsmodul EB [MN/m^] bei Verdichtungsgrad Dpr [%]

85 1 90 1 92 1 95

97 1 100 [-]

2 1,2 0,8 0,6

23 11 8 6

6 3 2 1,5

9 4 3 2

16 8 5 4

40 20 13 10

1,0 1,0 0,8

0,5 1

Ftir die Bestimmung der Verformungsmoduln Ej uber und E2 neben dem Rohr spielen noch die vier Einbettungsbedingungen Bl bis B4, die in ihren Voraussetzungen den Uberschiittungsbedingungen Al bis A4 entsprechen, eine Rolle. In Kombination mit den Werten aus Tabelle 8.14 erhalt man die Verformungsmoduln Ej und E20, die in nachfolgender Tabelle 8.15 angegeben sind. Dabei ist E20 ein Hilfswert zur Berechnung des Verformungsmoduls E2 neben dem Rohr. Tabelle 8.15: Verformungsmoduln Ej und E20 [ M N W ] in Abhangigkeit der Uberschtittungs- und Einbettungsbedingung sowie dem Verdichtungsgrad Dpr [nach 8.24] 1 Uberschtittungsbedingung 1 Einbettungsbedingung 1 Bodengruppe G

1 2 3

1

4

'^ 1\\ B4

A2 und A3 B2 und B3

Al Bl Dpr

El, E20

Dp,

95 95 92 92

16 8 3 2

90 90 90 90

EJ,

E20

6 3 2 1,5

Dpr

Eh E20

97 97 95 "

23 11 5

1

Bei der Bestimmung der Verformungsmoduhi Ei bis E4 muB folgendes beriicksichtigt werden: - Bei gleichwertiger Verdichtung des Bodens neben und uber dem Rohr kaim E20 = El erreicht werden. E20 darf nicht groBer als Ei angenommen werden, ausgenommen bei Bodenaustausch ui der Leitungszone oder Embettungsbedingung B4. - Gewachsene Boden haben in der Regel Verdichtungsgrade Dp, = 90-97 %; die zugehorigen Verformungsmoduln konnen Tabelle 8.14 entnommen werden.

8 Druckrohrleitungen

253

Bei Einbau des ausgehobenen Bodens in der Leitungszone entsprechend DIN EN 1610 [8.30] soil E3 = E20 angesetzt werden. Wird der ausgehobene Boden nur als Uberschtittung eingebaut, soil E3 = Ej angesetzt werden, sofem nicht im Einzelfall ein hoherer Verdichtungsgrad fur E3 nachgewiesen wird. In der Regel kann bei Verlegung im Damm Ej = E20 = E3 gesetzt werden. Bei Boden (Lockergestein) wird E4 = 10 -Ej angenommen, sofem im Einzelfall keine genaueren Angaben vorliegen. Bei Griindung auf Pels oder Festgestein kann E4 wesentlich groBer sein. Bei Graben mit zusatzlicher Dammschuttung und einer Sohlbreite bso< 3 - da darf ^2 (s. (8.103)) nicht groBer als E3 angesetzt werden. Der wirksame Wert von E2 wird berechnet nach : (8.103) E2=frf2-oiB'E2o [MN/m^] Die in Gleichung (8.102) eingefiihrte wirksame relative Ausladung a' laBt sich dann in Kenntnis der relativen Rohrausladung a nach Abb. 8.26 berechnen zu: (8.104) E2

E2 fi f2

Verformungsmodul des Bodens seitlich des Rohres [MN/m^] Reduktionsfaktor fur das Kriechen s. Tabelle 8.14 [-] Abminderungsfaktor fur Sackungen infolge GrundwassereinfluB s. Abb. 8.29a [-] as Abminderungsfaktor fur Rohre in schmalen Graben s. Abb. 8.29a [-] E20 Grundwert von E2 [MN/m^] a' wirksame relative Rohrausladung [-] a relative Rohrausladung (s. Abb. 8.26) [-] Ftir den Fall einer Deformationsschicht uber dem Rohr wird auf das ATVDVWK-A 127 [8.24] verwiesen.

Abb. 8.26: Relative Rohrausladung a fur verschiedene Lagerungsfalle [nach 8.24] Der ebenfalls m Gleichung (8.102) eingefiihrte maximale Konzentrationsfaktor max X ergibt sich dann aus: max A, = 7 + i,5 a'

hjda 2,2

E4lEr{a'-0,25)

Hohe der Bodenuberdeckung

0,62 y a'

1,6 £4/Er{a'-0,25)

A

[-] (8.105)

da

[m]

254

8 Druckrohrleitungen

Fiir das bei Lockergestein bzw. Boden (iblicherweise angenommene Verhaltnis E4/E] = 10 sind in Abb. 8.27 fiir verschiedene a' und in Abhangigkeit vom Verhaltnis h/ da Werte fiir max A zu entnehmen. Weiterhin benotigt man fur die Berechnung des Konzentrationsfaktors AR iiber dem Rohr nach Gleichung (8.102) das Steifigkeitsverhaltnis Vs, welches in Abhangigkeit von der Systemsteifigkeit VRB ZU ermitteln ist. Diese ist definitionsgemaB: SR

ER'I

: ^ = ££j..(0,6.C-£,r

(8.106)

[-]

Systemsteifigkeit [-] Rohrsteifigkeit [N/mm^l horizontale Bettungssteifigkeit Ssh [N/mm^] Korrekturbeiwert s. Abb. 8.27b bzw. Abb. 8.29a-8.29b [-] Bei der Ermittlung des Steifigkeitsverhaltnisses Vs werden sodann drei Falle unterschieden: VRB

SR

Beriicksichtigung des horizontalen Bettungsreaktionsdrucks (qh^ > 0) Dieser Fall tritt ein (s. Abb. 8.30a), wenn die Systemsteifigkeit VRB< 1,0 ist. Fiir die Berechnung des Steifigkeitsverhaltnisses ¥$ sind der aus den vertikalen und horizontalen Verformungsbeiwerten c^j und Chj (s. Tabelle 8.16) und einem Reaktionsdruckbeiwert K* (s. Abb. 8.29a-8.29b) hergeleitete Beiwert c^* fur die vertikale Verformung sowie die vertikale Bettungssteifigkeit SBV ZU verwenden (s. Abb. 8.29a-8.29b). Nichtberiicksichtigung des horizontalen Bettungsreaktionsdrucks (qh* = 0) Dieser Fall tritt ein, wenn die Systemsteifigkeit VRB > 1,0 ist. Fiir die Berechnung von Vs sind der vertikale Verformungsbeiwert Cv,/ (s. Tabelle 8.16) sowie die vertikale Bettungssteifigkeit ^'^v maBgebend (s. Abb. 8.29a-8.29b). Beriicksichtigung einer Deformationsschicht iiber biegesteifen Rohren Fiir diesen Sonderfall wird wiederum auf das ATV-DVWK-A 127 [8.24] verwiesen. Tabelle 8.16: Verformungsbeiwerte Cyj ftir die Durchmesseranderung des Rohres fiir verschiedene Auflagerwinkel (Vorzeichen beachten!) [8.24] 1 Auflagerwinkel 2 a ^v,qv -0,1053 60° -0,0966 90° -0,0893 120° \ -0,0833 1 180°

^v,qh

^V,^/?*

^h,qv

Ch,qh

Ch,qh*

+0,0833 +0,0833 +0,0833 +0,0833

+0,0640 +0,0640 +0,0640 +0,0640

+0,1026 +0,0956 +0,0891 +0,0833

-0,0833 -0,0833 -0,0833 -0,0833

-0,0658 -0,0658 -0,0658

-0,0658 I

Fiir Vs> 100, d. h. fiir Rohre groBer Steifigkeit, kann der Konzentrationsfaktor iiber dem Rohr XR = max A na.ch Gleichung (8.105) gesetzt werden.

8 Druckrohrleitungen 3,0

1

/a

255

' = y\

2,5

x'^^a'

= 2 1,^.,-—

2,0 a'=l,C 1

1 1a'1 = 0,5

1,5

1

1

15

17,5

20

E2/E3—«- 20

50

1,0

a' <0,25

t max>. 0

(b)

Abb. 8.27:

2,5

7,5

0,02 0,05 0,1 0,2

0,5

10 h/d,-

1

2

a) Konzentrationsfaktor max A fur £4 = 10 Ej [8.24]; b) Korrekturbeiwert C fur verschiedene Verhaltnisse b/da [8.24]

Das zur Berechnung des Konzentrationsfaktors AR notwendige Erddruckverhaltnis K2 zwisclien horizontalem und vertikalem Erddruck ist abhangig von der Systemsteifigkeit VRB sowie der Bodengruppe (s. Tabelle 8.13) und kann nachfolgender Tabelle 8.17 entnommen werden. Tabelle 8.17: Erddruckverhaltnis K2 in Abhangigkeit von VRB und der Bodengruppe G [8.24] Bodengruppe G K2

VRB> hO

VRB
1 0,5 0,4

2 0,5 0,3

3 0,5 0,2

^ 0,5

0,1 J1

Bettungsreaktionsdruck <7/ = 0

qh'>0

II

Die X2-Werte sind keine eindeutig bodenmechanisch definierten Kennwerte. Sie erfassen verschiedenartige Vorgange mit dem Ziel einer Linearisierung und sind an MeBwerten geeicht. Bei Beriicksichtigung einer Deformationsschicht ist K2 = 0 zu setzen! Damit stehen alle benotigten Werte zu Berechnung von AR nach (8.102) tiber dem Rohr zur Verfugung.

8 Druckrohrleitungen

256

Wie aus Abb. 8.24 ersichtlich ist, wird die Spannungsumlagerung auf einer Breite von 4 • da angesetzt. Da die Grabenbreite b< 4 -da sein kann, wird ein Konzentrationsfaktor XRG eingefiihrt, der sich ^r b<4 -da folgendermaBen berechnet: b 4-Xj, — — + da 3 u n d ^ Y b > 4 'daergibtaus: 'XRG = ^R [-] f^RG

- — :

"•RG

(8.107a)

[-]

(8.107b)

Konzentrationsfaktorimb<4 daS. Abb. 8.28

[-]

^R = 2 , 5

^^'

^ , = 1,5

<^^^

^

^K = 2 , 0

^K=1,0 A.H = 0 , 5

0

Abb. 8.28:

1

2

3

4

b/d^—•

Konzentrationsfaktor XRQ in Abhangigkeit von b/da fur versch. XR [nach 8.24]

Dieser Konzentrationsfaktor XRQ ist aufgrund der Scherfestigkeit des Bodens nach oben und unten begrenzt. Der zugehorige obere Grenzwert ?ifo berechnet sich in Abhangigkeit von der Uberdeckungshohe h, der untere Grenzwert ?ifu kann in Abhangigkeit von h, da, Kj und ^ermittelt werden (s. Abb. 8.29a-8.29b). Da die Spannungsumlagerung nach Abb. 8.24 angenommen wird, ergibt sich aus Gleichgewichtsgriinden der Konzentrationsfaktor XB neben dem Rohr zu: ^B={4-'kRl3)

[-]

(8.108a)

XB Konzentrationsfaktor neben dem Rohr [-] Er ist unabhangig von der Grabenbreite b und gilt somit auch an Graben mit einer Breite b<4 -da. Falls jedoch der Konzentrationsfaktor XRG durch Xfo oder Afu begrenzt ist, gilt aus Gleichgewichtsgrunden: XB=({b/da-Xyo,u)/{b/da-l))

["]

(8.108b)

Gesamtlast aus auBerer Belastung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen Die vertikale Gesamtlast qy aus auBerer Belastung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen ergibt sich aus den vorangegangenen Abschnitten somit zu: qv ='XRG-{^'yb'h-^Ko'Po)-^Pv,ges

[kN/m^]

(8.109a)

bzw. q, = XRG • (KP • Y* • /? + Kpo • A ) + Pv,ges [kN/m^] qv

vertikale Gesamtlast am Rohr

(8.109b) [kNW]

8 Druckrohrleitungen Eingangsparameter: h b P da di a

Überdeckungshöhe ab Rohrscheitel Grabenbreite in Höhe des Rohrscheitels p0 Böschungswinkel des Rohrgrabens yB Rohraußendurchmesser (p´ Rohrinnendurchmesser DPr relative Rohrausladung

257

halber Auflagerwinkel Spannung aus gleichmäßig verteilter Flächenlast Wichte des Bodens Reibungswinkel des Bodens Verdichtungsgrad des Bodens

Weiterhin muß bekannt sein: • Art der Verkehrslast • Bodengruppe G1, G2, G3 oder G4 nach Tabelle 8.13 • Überschüttungsbedingung A1, A2, A3 oder A4 nach Kapitel 8.4.3.2 • Einbettungsbedingung B1, B2,B3 oder B4 nach Kapitel 8.4.3.2

gauf Verkehrslasten

Bemessung auf

s.ATV-DVWK-A127

Flächenlasten ?

Ende der Ermittlung der begrenzten Flächenlasten

nein w\

pv,ges = ^p

v

Bemessung auf Erdlasten und gleichmäßig verteilte Flächenlasten

(8.88)

ja

Bereich innerhalb der Druckaus- FjaH breitung 2 : 1 ?

Bestimmung der Überschüttungsbedingung für die Grabenverfüllung A1, A2, A3 oder A4 nach Kapitel 8.4.3.2

Berechnung als Gleichflächenlast innerhalb der von der Druckausbreitung unter 2 :1 begrenzten Fläche

nein

Bereich außerhalb der Druckausbreitung 2 : 1 , aber innerhalb 1 : 1 ?

ja

Ermittlung des Erddruckverhältnisses K1 und des Wandreibungswinkels 5 nach Tabelle 8.12

Berechnung als Gleichflächenlast innerhalb der von der Druckausbreitung unter 1 :1 begrenzten Fläche

nein

Bestimmung von K und K0

Bereich außerhalb der Druckausbreitung 1:1

JZ Berechnung durch Bildung eines Mittelwertes aus den Situationen links und rechts der Symmetrieachse des Rohres

= 1- e (8.101a) 2 b K 1 tanS

Kein Einfluß aus konzentrischen Flächenlasten:

(8.101b)

Es liegt ein Stufengraben vor oder das Rohrliegt L nicht in der Mitte des '

in_

Liegt ein Grabenmitge-] [ Liegt ein Graben mit ] böschtenGrabenwänden Lnein\ parallelenGrabenwänden vor und liegt das Rohr in vor und liegt das Rohr in der Mitte des Grabens ? J \^ der Mitte des Grabens ? J

ja

Bestimmung der Einbettungsbedingung der Rohrleitung B1, B2, B3 oder B4 nach Kapitel 8.4.3.2

Bestimmung von E1, E20, E3 und E4 nach Kapitel 8.4.3.2

Spannungen infolge Erdlast und gleichmäßig verteilten Flächenlasten pE = ^·yp·h+K.0·p0 bzw. (8.100c) pE = '*^·y^·h + K^0·p0

Berücksichtigung von Sackungen infolge Grundwassereinfluß

J Geringere Verdichtung in schmalen Gräben wird berücksichtigt durch OB:

-1-(420

-^ja-

Abb. 8.29b ^

Graben mit zusätzlicher Dammschüttung und einer Sohlbreite

b\. · 17 -a„. -OBi ^< ]1 n [-] 3

=f1·f2·^B·E2i (8.103)

Einbettungsbed.|B1 \B2 \B3 \B4

O Bi

I 2/3I1/3I 0 I 1

Reduktionsfaktor für das Kriechen: Bodenart \G1 \G2\G3\G4

~f1

11,0 11,0 I 0,81 0,5

Abb. 8.29a: FluBdiagramm zur Berechnung der Lasten bei eingeerdeten Rohrleitungen

258

8 Druckrohrleitungen

Abb. 8.29a

Sonderfall s.A127

Berücksichtigung einer Deformations schicht über biegesteifen Rohren ? ,

wirksame relative Ausladung (8.104):

3,5+ E 4·(a2,2 a´ = - 0.^+(0,62^E^/'´ U,25) ^ a´

J f

- nein -

W=

(8.105)1 oder

max X = 1 +

A E2=E3?

u—1 ^ 1,667 0,982 + 0,283 ( dba - )

(; =1

\~ja\

\

J

nein

Sonderfall s.A127

n . ) ha E ·(a ,- 60,25)

Berücksichtigung schicht über biegesteifen Rohren ?

i

Wird horizontaler Bettungsreaktionsdruck beachtet, d.h. VRB<1,0?

1,667

^+(1,667

-/^·E2\—>\SBh

= 0,6·C,·E2

Ermittlung von K2 aus Tabelle 8.17

S = ER ·I' (8.106)

oder aus Abb. 8.27b

ja

VS=\SR.

Verf 1. • Reaktionsdruck^ormungsbeibeiwert wertecv,qvundcv,qh*k^ aus Tabelle 8.16 \K* V -c

cv * = cv,qv + cv,qh* ·K*\

VS=\

_ja

-

3

Horiz. Bettungsreaktionsdruck wird nicht beachtet, d.h.VRB> 1,0

^ VerformungsbeiSR S N— wertec v,qv aus ic?vi Bv Tabelle 8.16

S

—j aj a —

1 ^ b/d <,4?

rr , ´· 4·K2a-3'a´-0,25 maxX-1

+ K= maxX·V V +a´·

1

(8.108a)

(8.107b)

b + 4-XR

(8.107a) oder Abb. 8.28 Berücksichtigung einer Deformations schicht über biege^ steifen Rohren ? ^

3+K-max^

1

XR-1

XRG = XR = const.

1

u

aus Tabelle 8.16

nein

nein _

^=

nein A

A bb. 8.27a

ja

Berücksichtigung neiner Deformations schicht über biege^ steifen Rohren ? ^

Sonderfall s.A127

nein

-2d K1tanS

Sonderfall s.A127

2 h K 1 tand \K1 = 0,5und5 = (p'\ —nein

qv = KG (^ · YB ·h + K0 ·p0) +pv,g KG

< ^fu ?

P-ja

(8.109a)

RG = fu nein

(8.110) Xfo = 4,0 - 0,15·h

Xfo = 2,5 = const. . = b/da-Ko,u

KG > K ?

RG

fo

(8.108b)

VRB

-ch,qh*

(8.111)

Abb. 8.29b: FluBdiagramm zur Berechnung der Lasten bei eingeerdeten Rohrleitungen Die horizontalen Lasten am eingeerdeten Rohr erhalt man als Summe aus dem Seitendruck qh, der vom vertikalen Druck im Boden neben dem Rohr abhangt, und

8 Druckrohrleitungen

259

dem horizontalen Bettungsreaktionsdruck qh biegeweicher Rohre. Diese berechnen sich folgendermaBen: qh =K2'\

T^B'PE+JB

—

[kN/m']

(8.110)

[kN/m^]

qh =

(8.111)

VRB-Ch,qh*

[kN/m'j [kN/m^] [-] Wie aus Abb. 8.30a ersichtlich, wird der horizontale Bettungsreaktionsdruck in Form einer Parabel mit einem Offhungswinkel von 120° angesetzt. Beim Lagerungsfall des steifen Rohrs auf festem Auflager (s. Abb. 8.30b) wird der Seitendruck qhnxxr oberhalb des Auflagers in Rechnung gestellt. qh qh K*

horizontaler Seitendruck am Rohr horizontaler Bettungsreaktionsdruck biegeweicher Rohre Reaktionsdruckbeiwert nach Abb. 8.29a-8.29b

-J

® qh

Horizontale Lasten auf eingeerdete Rohre, a) Lagerungsfall I + III; b) Lagerungsfall II [nach 8.24] 8.4.3.3 AuBere Belastungen bei grabenlos verlegten Druckrohrleitungen In Fallen, in denen die offene Rohrverlegung nach Kapitel 8.4.3.2 nicht moglich ist, konmien geschlossene Bauverfahren zum Einsatz. Dabei lassen sich unbemannt arbeitende Rohrvortriebstechniken entsprechend Tabelle 8.18 in steuerbare und nichtsteuerbare Verfahren unterteilen. Gemeinsam ist beiden Vorgehensweisen die Notwendigkeit eines Start- und Zielschachtes, wobei in ersterem die Vortriebsenergie aufgebracht wird. Der Boden wird wahrend des Vortriebs verdrangt Oder entnommen. Im folgenden wird das Verfahren nach den Arbeits- bzw. Merkblattem ATVDVWK-A 161 [8.31] bzw. dem gleichlautenden DVGW GW 312 zur statischen Berechnung von Vortriebsrohren, welche mit nichtdynamischen Verfahren nach ATV-DVWK-A 125 [8.32] bzw. dem gleichlautenden DVGW GW 304 vorgetrieben werden, vorgestellt. Belastungen quer zur Rohrachse Vertikaler Erddruck Der vertikale Erdruckj!?£^,verrechnet sich nach den Gleichungen (8.100a)-(8.100c). Hierbei ist zur Berechnung des Abminderungsfaktors K nach (8.101a) ^ durch cp 72 zu ersetzen und das Verhaltnis von horizontalem zu vertikalem Erddruck zu Ki = 0,5 anzusetzen.

8 Druckrohrleitungen

260

Tabelle 8.18: Unbemannte Vortriebsverfahren in Abhangigkeit des RohrauBendurchmessers Va, der Vortriebslange /j/und der Mindesttiberdeckung h [nach 8.32]] 1 Verfahren \ra [mm] /r[m] Bodenverdrangungshammer 1 <200 <25 <20 nicht HorizontalrammeZ-presse mit geschl. Rohr 1 <150 steu- Horizontal-PreBanlage 1 <100 <15 erbar Horizontalramme mit offenem Rohr 1 < 1600 <70 <1600 <80 Horizontal-PreBbohrgerat Pilotrohr-Vortriebe 1 <200 <100 PreBrohr-Rohrvortrieb 1 < 1300 <100 steu1 <1850 <250 erbar Schild-Rohrvortrieb Horizontal-Sptilbohrung 1 <400 <250 Horizontal-Directional-DrilHng-Verfahren j < 1.500 < 1.500

h [mm]

1

10 • da \ 12 • da 10-4. 2-4,>l,0m 2 • 4 , > 0,8 m

1 —

1 1 1

Horizontaler Erddruck Der Betrag des horizontalen Erdrucks pE,h auf Ebene des Rohrscheitels errechnet sich mit dem Erdruckverhaltnis K2 nach Tabelle 8.19 zu: -^^ (8.112) PE,h = K-y B'h'K2 [kN/m^] PEh

[kN/m^]

horizontaler Erdruck auf Ebene des Rohrscheitels

Tabelle 8.19: Bo denk enn^\^erte ohne bzw. mit Verpressung [nach 8.31] iBodengruppe

ll nichtbindig |2 schwachbindig 3 Mischboden |4 bindige Boden

Wiclite [kN/m^]

20 20 20 20

2k 11 11 10 10

35 30 25 20

Ere druckver] laltnis K2 [-] imi 3au imB(strieb ohne ohne mit mit Verpr. Verpr. Verpr. Verpr. 0,4 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,4 0,5 0,4 0,3 0,4 0,5 0,4 0,4 0,5 0,3

bei E)pr92% 1 [N/nim^] ohne mit Verpr. Verpr. 9 40 4 20 3 10 2 5 1 EB

Bettungsreaktionsdruck Der Bettungsreaktionsdruck qn* hat entlastende Wirkung und darf bei StahlVortriebsrohren unter der Bedingung pt
[kNW]

(8.113a)

und aus Erddrucklast zu: qlE={pE.-pE,)'K*

[kNW]

(8.113b)

mit dem Reaktionsdruckbeiwert: K =-

0,0833

VRB+0,066

[-]

(8.113c)

8 Druckrohrleitungen

261

und der Systemsteifigkeit: • 0,14 EL

f. \^ (8.113d)

[-]

EB

Verkehrslasten Die Verkehrslasten werden entsprechend Kapitel 8.4.3 beriicksichtigt. Begrenzte Flachenlasten De begrenzten Flachenlasten werden gemaB Abschnitt 8.4.3.2 und dabei insbesondere Abb. 8.23 einbezogen. Belastungen in Richtung der Rohrachse Die Vortriebsrohre werden im Bauzustand durch die in Achsrichtung wirkenden, in der Regel jedoch auBermittigen VorpreBkrafte belastet (s. u.). Schnittkrafte quer zur Rohrachse Die quer zur Rohrachse wirkenden Schnittkrafte infolge unterschiedlicher Belastungsarten ergeben sich fur Momente in Verbindung mit Tabelle 8.20 zu: Mj,t = THi • Cm [kNm/m]

(8.114a)

und analog fiir Normalkrafte in Verbindung mit Tabelle 8.21 zu: Njj=nrC„ Mji TV, / m/n, CJC„

[kN/m]

(8.114b)

Momente infolge Belastungsarty am Ort / Normalkrafte infolge Belastungsarty am Ort / Beiwerte am Ort / gemaB Tabelle 8.20 bzw. 8.21 Formelbeiwerte gemaB Tabelle 8.20 bzw. 8.21

[kNm/m] [kN/m] [-]

Tabelle 8.20: Beiwerte zur Momentenermittlung bei Vortriebsrohren Beiwert C

1 Belastungsart

mi Scheitel

Schnittstelle m2 Kampfer

33

-33

0,345

-0,393

Pv-rl

0,25

-0,25

Iw • rm —

0,172 0,220 1 -0,196 im allgeiTleinen vemachUissigbar 1

Mindestbemessung^ Eigengewicht

s-jR-r^

Verkehrs-/Flachenlast innere Wasserftillung^ 1 imierer Uberdruck^ Bettungsreaktionsdruck

Verkehr

qlv-rm

Erdlast

qhE-rm

-0,181

0,208

-0,1636 0,1636 -0,1375 0,1375 -0,1125 0,1125 ^ Bei nicht klaffenden Fugen diirfen die Werte nach [8.31] abgemindert werden. ^ Bei auBeren Belastungen kehren sich die Vorzeichen um.

Erdlast

^2 = 0,3 ^2 = 0,4 K2 = 0,5

PEV

• rm

rus Sohle |

33 1 0,441 1 0,25 1

-0,181 0,1636 0,1375

0,1125 1

262

8 Druckrohrleitungen

Tabelle 8.21: Beiwerte zur Normalkrafteermittlung bei Vortriebsrohren rij Scheitel -100

Schnittstelle «2 Kampfer -200

S'lR-rm

0,167

-1,571

-1,737

Verkehrs-ZFlachenlast

PV-fm

-0,25

-1,00

-0,25

innere Wasserfiillung^

Jw-rm Pi-n

0,583

0,215

0,631

1,0

1,0

1,0

-0,577

0,0

-0,577

-0,4978 -0,5750 -0,6500

-1,000 -1,000 -1,000

-0,4978 -0,5750

Beiwert Belastungsart Mindestbemessung^

r-m

1 Eigengewicht

innerer Uberdruck^ Bettungsreaktionsdruck Erdlast 1T^ :

• i-.i.i_x-^_

J.

Verkehr

qhV ' ^m

Erdlast ^2 = 0,3 K2 = 0A K2 = 0,5

qhE ' fm PEv-rm

«5 Sohle 1 -100

-0,6500 1

T^..

^ Bei auBeren Belastungen kehren sich die Vorzeichen um. Bemessung der Vortriebsrohre quer zur Rohrachse Dauerfestigkeitsnachweis Bei alien Rohrtypen wird ein Dauerfestigkeitsnachweis notwendig, wenn diese unter Gleisen oder Flugzeugbetriebsflachen sowie unter StraBen bei Uberdeckungshohen von h< 1,50 m liegen. In diesem Fall werden die GrenzschnittgroBen der Verkehrsbelastung mit den Beiwerten asLw 6o = 0,5 bzw. a SLW SO = 0,8 oder CIUIC71 "= 1?0 multipliziert. Bemessung der unterschiedlichen Rohrtypen Fiir die Bemessung der unterschiedlichen Rohrtypen gelten neben den werkspezifischen Normen und Richtlinien in Verbindung mit dem ATV-DVWK-A 161 [8.31] folgende Gesichtspunkte: - Stahlbeton-Vortriebsrohre: Bei der Bemessung miissen spezifische Vorgaben hinsichtlich der Bewehrung beachtet werden. - Asbestzement-Vortriebsrohre und Steinzeug-Vortriebsrohre: Die Biegezugspannung quer zur Rohrachse errechnet sich nach (8.122) und (8.123a). - Stahl-Vortriebsrohre: - Der Spannungsnachweis erfolgt nach (8.122) mit ttk = 1,0; bei Innendruckbeanspruchung diirfen die Biegemomente in Ringrichtung nach DVGW GW 312 bzw. ATV-DVWK-A 161 abgemindert werden. - Die durch die relative Durchmesseranderung ausgedruckte zulassige Verformung berechnet sich nach (8.125) bzw. Abb. 8.29b, wobei zur Berechnung der horizontalen Bettungssteifigkeit Sgh der Korrekturfaktor f = 1,0 mit E2 = EB angesetzt wird. Zulassig sind Verformungen bis zu 3 %, unter Eisenbahnanlagen bis 2 %. - Beim Beulsicherheitsnachweis sind eventuell zusatzliche Driicke durch das Einpressen eines Stutzmittels zu beachten. - Bei schutzrohrlos eingebauten Rohren unter Gleisen ist ein Nachweis der aus Unrundheit resultierenden Spannungen erforderlich (s. Kap. 8.4.2).

8 Druckrohrleitungen

263

Bemessung der Vortriebsrohre in Richtung der Rohrachse In Achsenrichtung werden Vortriebsrohre durch die VorpreBkraft wahrend des Bauzustandes belastet. Neben den Werkstoffkennwerten ist die Querschnittsflache der Rohre an der schwachsten Stelle sowie die auBermittig angreifende VorpreBkraft maBgebend. DruckkraftschlussigeRohrverbindungen Durch die auBermittig angreifende VorpreBkraft ergeben sich einseitige Spannungserhohungen (s. Abb. 8.31a). Die zulassige Vortriebskraft V^ui ergibt sich in diesem Fall mit dem Rohrdurchmesser da,mm an der schwachsten Stelle in Verbindung mit Abb. 8.3 lb zu: ^zul

—

[kN]

^m

(8.115a)

mit

[dlmm-dfyTl Vzui Amin da,min PLD y

[mm']

(8.115b) [kN] [mm^] [mm] [N/mm^]

zulassige VorpreBkraft kleinste Ubertragungsflache Durchmesser des Rohres an der schwachsten Stelle Langsdruckfestigkeit Sicherheitsbeiwert, s. Tabelle 8.25 Versagen durch Bruch max a \ 8 7 6 5 4 3 2

w

\ \^

\

[-]

d,/d.= l,0 d/d, = 0,9 d/4 = 0,8 d/d, = 0,7 s^

1 1

llilhUjl 1 1 1 1 nricTofh) Q Abb. 8.31:

0,1

0,3

0,5

0,7z/4 1,0

AuBermittig angreifende VorpreBkraft: a) Belastung, b) Spannungsverhaltnis maxa/ffo in Abhangigkeit z/da [nach 8.31]

Da auch beim geradlinig geplanten Rohrvortrieb infolge von Steuervorgangen stets mit auBermittig angreifenden Kraften zu rechnen ist, ist der Radius des Kemquerschnitts als MindestgroBe fur z anzusetzen. Bei geplanten Richtungsabweichungen ist das entsprechende MaB ftir z aus dem Radius der Gradiente zu ermittehi. Druck- und zugkraftschliissige Rohrverbindungen Fur planmaBig geraden Vortrieb ist der Angriffspunkt der VorpreBkraft V am Rand des Kemquerschnitts anzusetzen, wodurch sich mit der Rohrquerschnittsfla-

264

8 Dmckrohrleitungen

che A als maximale Langsdruckspannung aio = 2 • V/A ergibt. In Kriimmungen liegt der Angriffspunkt der VorpreBkraft dagegen auBerhalb des Kemquerschnitts, so daB dann zusatzlich Zugspannungen auftreten. Nachweis der Vergleichsspannung Der Nachweis der Vergleichsspannung erfolgt nach der Gestaltanderungshypothese gemaB Kapitel 8.4.1. 8.4.4

SchnittgroBen in Rohrringrichtung bei eingeerdeten Druckrohrleitungen

FUr eingeerdete Rohre werden die SchnittgroBen in Ringrichtung aus auBeren Belastungen, wie bereits angedeutet, zweckmaBigerweise mit Hilfe von Beiwerten m und n fiir haufig auftretende Lastfalle ermittelt. Die Druckverteilung am Rohrumfang ist nicht nur abhangig von der Verfullung in der Leitungszone und vom Verformungsverhalten der Rohre, sondem auch von der Ausbildung des Auflagers. Die im folgenden angegebenen, vereinfachten Druckverteilungen sind typisch fur die im Erd- bzw. Kanalbau tiblichen Einbaubedingungen. Die Auflast wird unabhangig von der Art des Einbaus und fur alle Rohrarten vertikal gerichtet und rechteckformig angenommen. Es werden im folgenden drei Lagerungsfalle unterschieden, die in Abb. 8.32a dargestellt sind: - Lagerungsfall I: Auflager im Boden. Vertikal gerichtete und rechteckformig verteilte Reaktionen. Dieser Lagerungsfall gilt fur den Spannungsnachweis biegesteifer und biegeweicher Rohre - Lagerungsfall II: Festes Auflager (z. B. Beton), nur fur biegesteife Rohre. Radial gerichtete und rechteckformig verteilte Reaktionen. - Lagerungsfall III: Auflager und Einbettung im Boden fiir biegeweiche Rohre. Vertikal gerichtete und rechteckformig verteilte Reaktionen. Dieser Lagerungsfall gilt nur fur die Verformungs- und Dehnungsnachweise (Kurzzeit und Langzeit) biegeweicher Rohre. Fiir die in Abb. 8.32a definierten verschiedenen Lagerfalle mit verschiedenen Auflagerwinkeln sind in den Tabellen 8.22 und 8.23 die Beiwerte m und n angegeben, anhand derer an Scheitel, Kampfer und Sohle die Momente und Normalkrafte in Rohrringrichtung unter den Belastungen q^, qn und q^ nach den Gleichungen (8.109a), (8.110) und (8.111) sowie die Lastfalle Eigengewicht, Wasserfiillung und Wasserdruck leicht ermittelt werden konnen.

8 Druckrohrleitungen

265

30

t 20

fflHB

fflHB

sum 10

2 a

III I I I I I I I

(I) TTTTTT

(a) Abb. 8.32:

II

3

—

Grenzwert ungebettetes Rohr

Of

0 0,0001

b

0,001

0,01

V RB

• 0,1

a) Lagemngsfalle I-III; b) Durchschlagsbeiwert aj) fur den kritischen auBeren Wasserdruck [nach 8.24]

Fur die Berechnung der Schnittkrafte gelten dabei die folgenden Gleichungen, die bei kombinierten Belastungen superponiert werden konnen: 1. Vertikale Gesamt- M^ = m^ • q, • r j [kNm/m] belastung^v: ,, n XT/ i Ncfy=nq,'q^'rm [kN/m] 2. Seitendruck qh\

M^^ = m.^ • q^ ' r^ Nqh=nqh'qh'r^

8.116a) 8.116b)

[kNm/m]

117a) 117b)

[kN/m]

M*qh = THqh -ql-r^

118a)

[kNm/m]

tungsdruck qh : Nqh=nqh'ql'r^ 4.Eigengewic]it:

Mg =mg -jR-s-r^ Ng =ng-yR-s-rf„

S.Wasserfiillung:

M^=m^'y^'rl=

=mg-Fg-rm =ng-Fg

^/nv

={Pi-Pa)'n'ra

Np^ =Pi'ri-pa'ra mj/rii

120b)

[kN/m] \ 2

2 r^ -n [kN/m]

Beiwerte nach Tabelle 8.22 und 8.23 Momenta infolgey Normalkrafte infolgey

120a)

[kNm/m]

f 1

6. Wasserdruck:

119a) 119b)

[kNm/m]

[kN/m]

ml -F^ -r^

N^ =n^ -y^ -r^ =nl'F^

Mj Nj

118b)

[kN/m]

T'^^~

[kNm/m]

121a)

n

121b) [-] [kNm/m] [kN/m]

266

8 Druckrohrleitungen

Tabelle 8.22: Beiwerte m zur RingschnittgroBenermittlung [8.24] 1 Lagerungsfall/2a Schnittstelle rriav Scheitel ! +0,286 1/60° -0,293 Kampfer +0,377 Sohle +0,274 Scheitel 1/90° Kampfer -0,279 +0,314 Sohle Scheitel +0,261 1/120° Kampfer -0,265 +0,275 Sohle +0,250 Scheitel 111/180° -0,250 Kampfer +0,250 Sohle +0,266 Scheitel 11/90° Kampfer -0,271 +0,277 Sohle +0,240 Scheitel 11/120° Kampfer -0,240 +0,202 Sohle +0,163 Scheitel 111/180° Kampfer -0,125 1+0,087 Sohle

m, m/ rriah mah -0,250 -0,181 +0,459 +0,073 +0,250 +0,208 -0,529 -0,084 -0,250 -0,181 +0,840 +0,134 -0,250 -0,181 +0,419 +0,067 +0,250 +0,208 -0,485 -0,077 -0,250 -0,181 +0,642 +0,102 -0,250 -0,181 +0,381 +0,061 +0,250 +0,208 -0,440 -0,070 +0,250 -0,181 +0,520 +0,083 -0,250 -0,181 +0,345 +0,055 +0,250 +0,208 -0,393 -0,063 -0,250 -0,181 +0,441 +0,070 -0,245 ~ +0,396 +0,063 +0,244 - -0,460 -0,073 -0,224 ~ +0,524 +0,083 -0,232 - +0,314 +0,050 +0,228 ~ -0,362 -0,058 -0,187 - +0,291 +0,046 -0,163 - +0,071 +0,011 +0,125 0 0 -0,071 -0,011 -0,087

m^ m^' +0,229 +0,073 -0,264 -0,084 +0,420 +0,134 +0,210 +0,067 -0,234 -0,077 +0,321 +0,102 +0,190 +0,061 -0,220 -0,070 +0,260 +0,083 +0,172 +0,055 -0,196 -0,063 +0,220 0,070 +0,198 +0,063 -0,230 -0,073 +0,262 +0,083 +0,157 +0,050 -0,181 -0,058 +0,145 +0,046 +0,035 +0,011 0 0 -0,035 -0,011 1

Tabelle 8.23: Be iwerte n zur R mgschnil:tgr66en€jrmittlung [8.24] 1 Lagerungsfall/2a 1/60°

1/90°

1/120°

111/180°

11/90°

11/120°

11/180°

Schnittstelle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle Scheitel Kampfer Sohle

nav

+0,080 -1,0 +0,080 +0,053 -1,0 -0,053 +0,027 -1,0 -0,027 0 -1,0 0 +0,038 -1,0 -0,452 -0,020 -1,0 -0,558 -0,212 -1,0 -0,788

nah -1,0 0 -1,0 -1,0 0 -1,0 -1,0 0 -1,0 -1,0 0 -1,0 -0,989 0 -0,718 -0,960 0 -0,540 -0,788 0 -0,212

n, +0,417 -1,571 -0,417 +0,333 -1,571 -0,333 +0,250 -1,571 -0,250 +0,167 -1,571 -0,167 -- +0,285 ~ -1,571 ~ -1,587 ~ +0,105 ~ -1,571 ~ -1,918 ~ -0,500 ~ -1,571 IL -2,642

nah -0,577 0 -0,577 -0,577 0 -0,577 -0,577 0 -0,577 -0,577 0 -0,577

^2/

1%

+0,66 +0,708 -0,250 +0,215 -0,066 +1,292 +0,053 +0,667 -0,250 +0,215 -0,053 +1,333 +0,040 +0,625 -0,250 +0,215 -0,040 +1,375 +0,027 +0,583 -0,250 +0,215 -0,027 +1,417 +0,045 +0,643 -0,250 +0,215 -0,253 +0,707 +0,016 +0,552 -0,250 +0,215 -0,305 +0,541 -0,080 +0,250 -0,250 +0,215 -0,420 +0,179

1%' 1 +0,225 +0,068 +0,411 +0,212 +0,068 +0,424 +0,199 +0,068 +0,438 +0,186 +0,068 +0,451 +0,205 +0,068 +0,225 +0,176 +0,068 +0,172 +0,080 +0,068

+0,057 1

8 Druckrohrleitungen

267

Die aus diesen Schnittkraften resultierende Ringspannung ergibt sich zu: a,

[N/mm^]

(8.122)

^

H

(8.123a)

a^=7-f-=//'Y

[-]

(8.123b)

w mit: a^=l^-'

^ v4 ak

— =^

;

Widerstandsmoment in Ringrichtung: W = (1 • s^)/6 Flache in Ringrichtung pro laufenden Meter Korrekturfaktor fiir Randfaserdehnungen

[m^/m] [mVm] [-]

Die Randfaserdehnungen ^•ergeben sich zu: _ a_ E 2'r^'SR

r r, AT

\

±M'ak

[-]

(8.124)

V

Als Mai3 ftir die Verformung Ady des Rohres laBt sich die vertikale Durchmesseranderung mit der Rohrsteifigkeit SR aus (8.106) berechnen aus: A^v=c;--^^^—^'2^^

[mm]

(8.125)

SR

Adv

Verformung des Rohres

8.4.5

[mm]

MaOgebende Nachweise fur die Druckrohrleitungsbemessung

Bei biegesteifen Rohren, bei denen die Belastung keine wesentlichen Verformungen hervorruft und damit die Druckverteilung nicht beeinfiuBt, ist der Sparmungsoder der Tragfahigkeitsnachweis zu ftihren. Bei biegeweichen Rohren, deren Verformung die Belastung und Druckverteilung wesentlich beeinfiuBt, sind der Verformungsnachweis, der Dehnungsnachweis (jeweils Lagerungsfall III anzusetzen) und der Stabilitatsnachweis maBgebend. Ftir Rohre mit nicht eindeutig biegesteifem oder biegeweichem Verhalten sind alle Nachweise zu fuhren. 8.4.5.1 Spannungs-ZDehnungsnachweis Die ermittelten Spannungen nach (8.122) bzw. die Randfaserdehnungen nach (8.124) sind mit den Rechenwerten CR und £R ZM vergleichen. Aus dem Verhaltnis ergibt sich der Sicherheitsbeiwert y. Y=^ =^ G

y

[-]

(8.126a)

S

Sicherheitsbeiwert

[-]

8 Druckrohrleitungen

268

8.4.5.2 Tragfahigkeitsnachweis Fur Rohre mit definierter Scheiteldruckkraft F^ nach DIN EN 295 [8.33], DIN 4032 [8.34] und DIN 19850 [8.35] kann die vorhandene Sicherheit berechnet werden mit: ' EZ FN ' EZ TT = T" I"! totF qv'da

FN

y= EZ

(8.126b)

Einbauziffer nach Tabelle 8.24 fur Betonrohre s. ATV-DVWK-A 127 [8.24] [-]

Tabelle 8.24: Einbauziffem i^Z [8.24] rLagerungsfall Auflagerwinkel 2 a j Einbauziffer EZ

7 60°

1 1,59

90° ^ , 9 1 _

Ti 120° 2,18

60° 2,J[7

1 120° 1 3,68 1

90° 2,10

8.4.5.3 Verformungsnachweis Fiir biegeweiche Rohre ist die vertikale Durchmesseranderung nach (8.125) mit dem zulassigen Wert zul Sy zu vergleichen, wobei fur den Langzeitnachweis 3^ = 6% betragt. 8.4.5.4 Stabilitatsnachweis Hier werden drei Lastfalle unterschieden, ftir welche die Sicherheiten einzeln nachzuweisen sind, die sich aus dem Verhaltnis des kritischen zum vorhandenen Wert ergeben: a) Vertikale Gesamtlast q^ mit der kritischen Beullast: (8.127)

qvMit = 2' ^JSR'SBh [kN/m^] b) AuBerer Wasserdruck/?^ mit der kritischen Beullast: Pa,krit =GLD'SR

ao

(8.128)

[kNW]

Durchschlagsbeiwert s. Abb. 8.32b

[-]

c) tJberlagerung der Einzelsicherheiten vertikale Gesamtlast und auBerer Wasserdruck: ^v

Pa

qv,krit

Pa,krit

[-]

(8.129)

Die Sicherheitsbeiwerte y in Tabelle 8.25 nach [8.24] sind ftir Bruchversagen und fiir Versagen wegen Instabilitat angegeben. Sie beziehen sich fiir Stahlbeton auf die Rechenwerte nach DIN 1045 [8.36] und fiir Stahl auf die 5-%-Fraktile oder die Mindeststreckgrenze (0,2 %). Es handelt sich dabei um die Werte fiir die bei Wasserkraftanlagen im Regelfall anzunehmende Sicherheitsklasse A (Gefahrdung des Grundwassers, Beeintrachtigung der Nutzung, bei Versagen beachtliche wirtschaftliche Folgen).

8 Druckrohrleitungen

269

Tabelle 8.25: Sicherheitsbeiwerte y [8.24] 1 Rohrwerkstoff Stahlbeton 1 Stahl

Versagen durch Bruch 1,75 1,5

[

Versagen durch Instabilitat 2,5

2^5

1

Die bereits erwahnte ONORM B 5012 [8.28], deren Grundsatze annahemd denen des ATV-DVWK-Arbeitsblattes 127 [8.24] entsprechen, geht eingehender auf die tJberlagerung der AuBenbelastung aus Erddruck, Verkehrslast, Eigengewicht und Wasserfiillung und der Belastung aus dem Innendruck ein. Bei der tJberlagerung der AuBen- und Innenbelastung an eingeerdeten Druckrohrleitungen tritt ein sogenannter Glattungs- oder Reroundingeffekt ein. Das bedeutet, daB die durch die AuBenbelastung verformte Rohrschale durch den Innendruck eine RUckverformung erfahrt, die eine Spannungsreduktion mit sich bringt. Diese Abminderung der Spannung ist vor allem abhangig von den Elastizitatseigenschaften des Rohres sowie den Einbettungsbedingungen und der Grol3e der Belastungen. Der Spannungs- und Verformungszustand eines eingeerdeten Druckrohres stellt mithin einen Gleichgewichtszustand zwischen einwirkenden Aktions- und Reaktionskraften dar, der nach den Regebi der Theorie zweiter Ordnung gefunden werden kann. NETZER [8.37] definiert im Hinblick auf die Abschatzung der Uberlagerung von AuBen- und Innenbelastung ein Verformungsverhaltnis ;; als das Verhaltnis der Verkiirzung des vertikalen Rohrdurchmessers zur Setzung des Bodenprismas neben dem Rohr, das sich mit den im ATV-DVWK-Verfahren vorgestellten Kennwerten folgendermaBen berechnet: Ti = ^ ^

[-]

(8.130)

rj Verformungsverhaltnis [-] Cyj Verformungsbeiwert fur Durchmesseranderungen s. Tabelle 8.16 [-] ^2 Erddruckverhaltnis s. Tabelle 8.17 [-] Vs Steifigkeitsverhaltnis s. Abb. 8.29a-8.29b [-] Des weiteren fuhrt er einen Beiwert Z zur Beriicksichtigung des Reroundingeffekts ein: [-]

(8.131)

ER

Z Beiwert zur Berucksichtigung des Reroundingeffekts [-] Anhand dieser zwei GroBen ist es moglich, eine Klasseneinteilung vorzunehmen, die sich fur den Spannungsnachweis heranziehen laBt (s. Tabelle 8.26): Klasse 1: VRB > 1,0, ri < 0,1 Diese gilt fur Druckrohre mit geringer Verformungsfahigkeit, bei denen kein Reroundingeffekt auftritt; ftir die Bemessung ist die Summe der Spannungen aus der AuBenbelastung und aus der Innenbelastung da + o} maBgebend.

8 Druckrohrleitungen

270

Klasse 2: Z < 4 Anzuwenden fiir Druckrohre, bei denen ein Reroundingeffekt eintritt, aber die resultierende Spaimung groBer ist als jede der beiden Einzelspannungen (Ja und o}; for die Bemessung ist die resultierende Spaimung maBgebend, die aus den Diagrammen in Abb. 8.33 schnell ermittelt werden kann. Klasse 3: Z >: 4 Darunter fallen Druckrohre mit groBer Verformungsfahigkeit, bei denen ein so starker Reroundingeffekt auftritt, daB die resultierende Spannung kleiner ist als die groBere der beiden Einzelspannungen (Ja und <Ji\fiirdie Bemessung ist die groBere der Einzelspannungen maBgebend. 1,0

nR 0,9

0,8

0,7

0,6

m = 1,0 0,5

o

o

o

o o o oo^

1,0

nR

^ ^ ^ !^^

a/ 10 ,0 o/ r r

0,9

\

^\

" • ^ ^

•

Va

\

0,8

^i/^a= 0,6 -^ cT/aa= 0,8 ^ cTi/aa= 1,0 "

\\\

0,7

\ c

\

\ \ ^ \

\

\

\\ \ \\\

r| = 4,0 0,5

Abb. 8.33:

NX \ W \

(N o'

m o'

^ o

^ o

;5 [I:; 2 S 2 : ^ o o o'o'o

o

o

o

o o o ooo

o

o

o

'

^

\ \

\

•

\

\\ \ \\\ \ \\\

0,6

• •

\ \ \ \\ \ \

\ Z

o o o ooo

Spannungsabminderungsfaktoren UR. fiir r| = 1,0 (oben) r| = 4,0 (unten) und verschiedene GJ / <3^ und Z [nach 8.37]

8 Druckrohrleitungen

271

Tabelle 8.26: MaBgebende Spannungen fiir die Bemessung erdverlegter Druckrohrleitungen [8.37] 1 Druckrohre der Klasse 1 Merkmal 1 mafig. Spannung fiir den Spannungsnachweis

1 F^>1,0//7<0,1 ^±jJi

2 Z<4 ^res

5 1

Z>4

(jg Oder (jj 1

Die resultierende Spannung (Jres Air Druckrohre der Klasse 2 ist anhand eines Abminderungsfaktors UR folgendermaBen zu ermitteln: ^res = riR • [oa + CT/)

[N/mm^]

(8.132)

<7res resultierende Spannung [N/mm^] (Ta Biegezugspannung aus AuBenbelastung nach (8.122) [N/mm^] (7i Ringzugspannung aus/?; nach (8.71a) [N/mm^] UR Abminderungsfaktor infolge Rohrruckverformung, s. Abb. 8.33 [-] Der Abminderungsfaktor HR laBt sich in Abhangigkeit von Z bzw. (r/sy und von dem Verhaltnis o} / 8,0 die Klasse 3 gultig ist. 8.5

Rohrkriiininer, Rohrauflager und Dehnungsausgleicher

8.5.1

Rohrkriiminer

Bei der Berechnung von Rohrbogen unter Innendruck ist zu beachten, dal3 an der Bogeninnenseite hohere Spannungen als am geraden Rohr auftreten. Die Herleitung eines Beiwertes zur Ermittlung der Wanddicke laBt sich anschaulich anhand des sogenannten Flachenvergleichsverfahrens darstellen. Hierbei werden Belastungsflachen Ap und Materialflachen A^j definiert, anhand derer mittlere Spannungen durch die Beziehung a = N/A bestimmt werden konnen, die in Abb. 8.34a beispielhaft fur Bogeninnen- und BogenauBenseite gegeben sind.

8 Druckrohrleitungen

272

Abb. 8.34:

Rohrbogen: a) Kraftegleichgewichtsbedingung; b) Beiwerte Ba bzw. Bj zur Ermittlung der Wanddicken unter Innendruck [8.38]

Die mittlere Umfangsspannung
(8.133)

[N/mm^]

AT,/

wobei "^P'i =-r:-U'rB'di-df) 16 ^ A,i =—'i^-^B' 16 ^ Ap/A^ r^

'

^v,/ -4'dr

(8.134a)

[mm^]

s^j - 4 • siJ) '

[mm^]

Belastungsflache/Materialflache Kriimmungsradius des Rohrbogens

(8.134b) [mm^]

Damit ergibt sich an der Bogeninnenseite: di C^cp./ = Pi ' Z ' Syj

2'rB-di/2

^

[N/mm^]

(8.135a)

2 • TQ — dj — Syj

vei und unter Anwendung der Schubspannungshypothese nach (8.67): d, <^v,i = Pi • Z ' Syj

2'rB-d^/2 2'rB -dj

] f p^

-Syj

V

[N/mm^]

(8.135b)

2y

Setzt man nun statt der Vergleichsspannung die zulassige Spannung cr^ui ein und lost nach der Wanddicke Syj auf, erhalt man die rechnerische Wanddicke an der Bogeninnenseite unter Innendruckbelastung (mit ^v nach (8.74)): Pi • di ^v,i

2' o,ui - Pi Syj

2-rB-di/2 2'

VB

= Sy'Bi

[mm]

(8.136a)

— di — Svi

rechnerische Wanddicke an der Bogeninnenseite

[mm]

8 Druckrohrleitungen

273

Bei analogem Vorgehen an der BogenauBenseite ergibt sich dementsprechend die rechnerische Wanddicke an der BogenauBenseite unter Innendruckbelastung: ^v,a

2-rB+di/2 Pi' di = s^'Ba 2'Cy,ui-Pi {2-rB + di-^Sy^a

[mm]

(8.136b)

Sy^a rechnerische Wanddicke an der BogenauBenseite [mm] Ba/Bj Beiwerte zur Ermittlung der Wanddicken unter Innendruck [-] Zur Ermittlung der erforderlichen Wanddicke s sind die bereits vorgestellten Zuschlage Cj und C2 zu addieren (s. (8.77)). Die Beiwerte Bj und Ba konnen auch aus Abb. 8.34b in Abhangigkeit des bezogenen Kriimmerradius r/dj und des Verhaltnisses der rechnerischen Rohrwanddicke am geraden Abschnitt zum Innendurchmesser Sy/dj entnommen werden. Fiir diinnwandige Rohre mit Sy/dj < 0,02 vereinfachen sich die Bestimmungsgleichungen fiir die Beiwerte Bj und Ba folgendermaBen: 2-rB-da

[-]

2'rB+da

(8.137a)

(8.137b)

Es ist ersichtlich, daB die Wanddicke an der Innenseite eines Rohrbogens groBer sein muB und an der AuBenseite kleiner sein darf als die in einem geraden Rohrabschnitt. Die angegebenen Gleichungen stellen dabei Naherungen dar; bei hoheren Genauigkeitsanforderungen wird auf die TRD 301, Anlage 2 [8.39] verwiesen. 8.5.2

Fixpunkte und Zwischenauflager

Wie schon in Kapitel 8.1 angesprochen, werden freitragende Rohrleitungen Uber Fixpunkte und Zwischenauflager gestutzt. Um ein Abheben des Rohres in den an Knickpunkten angeordneten Fixpunkten zu vermeiden, ist es notwendig, die Resultierende aus den nachfolgend beschriebenen Kraftkomponenten in den Untergrund abzuleiten. Dies kann entweder durch Riickverankem oder durch eine Erhohung des Eigengewichtes geschehen. Einige AusfUhrungsformen sind in Abb. 8.35 gegeben.

Abb. 8.35: Ausbildungsbeispiele von Fixpunkten [8.4] Bei den Zwischenauflagem lassen sich Gleitlager, Walzlager, Pendelstutzen und RoUen- oder Kugellager unterscheiden (s. Abb. 8.36). Gleitlager, als einfachste Konstruktionsart stutzen das Rohr ab, lassen jedoch Verschiebungen auf einer Gleitflache zu. Walzlager werden wegen der geringen Reibungskrafte bevorzugt bei

274

8 Druckrohrleitungen

groBen Nennweiten und hohen Lagerkraften eingesetzt. Rollen- oder Pendelabstiitzungen verursachen ebenfalls gegeniiber dem Gleitlager verringerte Reibungskrafte, verlangen jedoch einen erhohten Aufwand in der Herstellung und Wartung.

Abb. 8.36: Auflagertypen: a) Rollenstutze [8.4]; b) gleitende Abstutzung [8.4]; c) Pendelstutze [8.4]; d) Sattelgleitlager [8.40] Zur Vermeidung von unzulassigen Radialverformungen werden an den Auflagem haufig Stutzralimen oder Stutzringkonstrulctionen verwendet. Eine vereinfachte Form der Lagerung ist der Rohrsattel. Er besteht in seiner einfachsten Form aus einem gemauerten oder betonierten Stutzsockel mit einem schalenfbrmigen, metallischen Gleitschuh, auf dem das Rohr aufliegt. Eingesetzt werden diese Rohrsattel vor allem bei Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser. Sie werden aber auch bei langen, stark beanspruchten Rohren zur Verhinderung des Ausknikkens verwendet. Auch bei eingeerdeten Rohrleitungen miissen an Knickpunkten sowie an besonderen Ubergangsstellen, z. B. bei Verschlufiorganen oder direkt vor dem Krafthaus, Fixpunlcte vorgesehenen werden, um die auftretenden Krafte in den Untergrund abzuleiten, wenn dies nicht durch die vorhandene Uberdeckung sichergestellt ist. 8.5.2.1

Auflagerkrafte

Bei der Bemessung der Auflager und Fixpunkte kann man drei verschiedene Lastarten unterscheiden (s. a. [8.41]/[8.42]: a) standig wirkende Lasten: - Innendruck einschlieBlich DruckstoB - Eigengewicht und Wasserfiillung - Temperaturanderung b) voriibergehende Lasten: - Ftillung und Entleerung - Unterdruck - Wind und Schneelast c) auBergewohnliche Lasten: - Werk- und Montagedruckproben - Versagen von Sicherheitseinrichtungen - Steinschlag, Lawinen, Hangrutschungen Eine typische Situation fiir einen Hangleitungsabschnitt zwischen zwei Fixpunkten ist in Abb. 8.37 dargestellt.

8 Druckrohrleitungen

275

oberer Fixpunkt

unterer Fixpunkt

^F reak

Abb. 8.37:

\F \ ^ re

Belastung eines Hangleitungsabschnittes infolge Eigengewicht

Die an den Fixpunkten und Auflagem aufzunehmenden Auflagerkrafte aus dem Eigengewicht des Rohres werden zweckmaBigerweise in eine Komponente GR^senk senkrecht zur Rohrachse und GR^par parallel zur Rohrachse aufgespalten: GR,senk=q,'lz.

[kN]

(8.138a)

GR„ar=ng'lFix

[kN]

(8.138b)

GR^J qg rig Izw Ifi^

Eigengewichtskomponente senkrecht/parallel zur Rohrachse Eigengewichtskomponente senkrecht zur Rohrachse nach (8.85) Eigengewichtskomponente parallel zur Rohrachse ng = qg - tan P Leitungslange zwischen den betrachteten Auflagem Leitungslange zwischen Fixpunkt und nachstem oberhalb liegendem Dehnungsausgleich

[kN] [kN/m] [kN/m] [m] [m]

Die Langskraft Gg^par wird am Fixpunkt aufgenommen, die Reibungskrafte an den zwischenliegenden Gleitlagem wirken dabei entlastend, konnen aber bei anderen Belastungsfallen wie z. B. Ausdehnung durch Erwarmung auch belastend wirken (siehe auch Kapitel 8.4). Die Auflagerkraft aus dem Gewicht der Wasserfiillung qw (s. (8.86)) ergibt sich entsprechend gemaB: 'Iz.

[kN]

(8.139)

Der Anteil aus dem Wassergewicht parallel zur Rohrachse n^v liefert keinen Beitrag zu Spannungen in der Rohrleitung. In den an den Knickpunkten der Leitung angeordneten Fixpunkten werden zusatzlich die im Kapitel 8.4 aufgefuhrten Belastungen in Langsrichtung aus behinderter Temperaturdehnung, Ringdehnung, Stopfbuchsenkraften und Rohrverjiingung abgetragen. Diese werden, wie dort schon erwahnt, bei aufgelosten Rohrsystemen durch die an den Stopfbuchsen und Zwischenunterstiitzungen aktivierten Reibungskrafte begrenzt.

276

8 Druckrohrleitungen

Des weiteren sind Krummerkrafte aufzunehmen, die sich aus zwei Anteilen zusammensetzen. Zum einen ist die Kriimmerkraft aus Driicken zu beriicksichtigen. In Abb. 8.38a sind die Kraftkomponenten Wj dargestellt, die sich folgendermaBen berechnen:

Wj=p,j'n-n'

w,

(8.140)

[kN] [kN]

Kraftkomponenten s. Abb. 8.38a

womit sich die resultierende Druckkraft FK ergibt zu: FK=4WI

Ffc

+W2' -2'WrW2'Cosa

[kN]

Kriimmerkraft aus Driicken

(8.141a) [kN]

fiir die im Symmetriefall gilt: FK =2' pi'Ti-r^'

sin^j

[kN]

2

(8.141b)

Kriimmerkraft: a) aus Driicken; b) inft)lge Impulsanderung Zum anderen ergibt sich eine Krummerkraft infolge Impulsanderung, deren Komponenten aus Abb. 8.38b ersichtlich werden:

g Fxi

g

• ^V;

+ V2 - 2 • Vy • V2 • COS a [kN]

Kriimmerkraft inft)lge Impulsanderung

(8.142) [kN]

wobei sie im allgemeinen klein gegenuber der aus den Drucken resultierenden Kraft ist, so daB sie bei einer Vorbemessung vemachlassigt werden kann. Einen weiteren Anteil der im Auflager aufzunehmenden Kraft liefert die Schleppkraft Fs aus der vom flieBenden Wasser auf die Rohrwandung ausgeiibten Reibung. Wie schon in Kapitel 8.4 erwahnt, ist dieser Lastanteil gering. Er berechnet sich aus:

Fs=y^'K,r'Ti'r^ Fs

Schleppkraft

(8.143)

[kN] [kN]

Die Vektorsumme aller am Widerlager bzw. Fixpunkt angreifenden Krafte ergibt erne resultierende Kraft, die vom Widerlager aufgenommen werden muB. Im allgemeinen wird das Fixpunktftmdament so auszubilden sein, daB kein Kippen Oder Gleiten eintritt.

8 Druckrohrleitungen 8.5.2.2

277

Beanspruchung der Rohrwandung im Auflagerbereich

Neben den uber die Rohrunterstutzungen abgetragenen Auflagerkraften ist die Beanspruchung der Rohrwandung im Bereich der Auflager zu betrachten. Wahrend in ausreichendem Abstand von den Unterstutzungen die hervorgerufenen Randstorungen keinen EinfluB auf die Spannungen in der Rohrwandung haben, entstehen im unmittelbaren Bereich des Auflagerpunktes zusatzHche Schnittkrafte durch Verformungsbehinderung. Es zeigt sich, dai3 vor allem bei ringversteiften Rohrleitungen durch die Behinderung der Rohraufweitung tiber Bandagen oder Stutzringe betrachtHche Zusatzspannungen aus der Biegung in Rohrlangsrichtung entstehen. Die bei volliger oder teilweiser Behinderung des zentralsymmetrischen Verformungszustandes entstehenden Zusatzspannungen folgen aus der Betrachtung emer am Rande elastisch eingespannten Zylinderschale (s. Abb. 8.39). AS

^/^\}hS

w0

Q0

s

wt I V^

Q0

-7

RS

r

bS " S H N /

iiii Abb. 8.39:

iiii

Schnittkrafte durch Verformungsbehinderung

Unter der Annahme, dai3 der Spant selbst unter dem Innendruck und den Querkraften aufgeweitet wird, ergeben sich bei einer durchlaufenden Leitung folgende Randbedingungen: Wo+w = WRfi + WR Wo w WRO WR

[m]

Aufweitung eines zyHndrischen Rohres infolgep, Rohraufweitung durch den Stiitzring (Verschiebungen nach auBen sind positiv definiert) Aufweitung des Ringtragers infolgep/ VergroBerung der Stutzringaufweitung infolge Rohrausdehnung

(8.144) [m] [m] [m] [m]

Bei Vemachlassigung der Rohrwanddicke {r ^ r , ) ergeben sich mit (8.71b) und dem Hookeschen Gesetz s^, = (wo/r) = (Cfp/ER) die Aufweitungen des Rohrs ohne Behmderung aus: Wo=^

[m]

(8.145a)

ER-S

und des Stiitzringes mit der Breite bs dementsprechend aus: WR,O

Prbs-r-Rs Es'As

[m]

(8.145b)

8 Druckrohrleitungen

278

AuBerdem gilt direkt am Spant: ^ = 0 [-] ax bg Rs As

(8.146) [m] [m]

Breite des Stutzringes Stutzringradius Querschnittsflache des Stutzringes

Uber eine homogene, lineare Differentialgleichung vierter Ordnung, die den Biegezustand in einer drehsymmetrisch belasteten Kreiszylinderschale konstanter Wandstarke infolge der Randkrafte oder Randmomente beschreibt, erhalt man unter Vemachlassigung des Einflusses der Stoning des abgelegenen Randes, bei Rohrleitungen also der nachsten Abstutzung, die Gleichung fur die Verschiebung zu: — C — ^ +' ^-^' w = A-e^ 'Cos-T= B'e^ sin^

V2

42 A/B

[m]

(8.147)

Unbekannte aus der Differentialgleichung

[m]

mit der dimensionslosen Veranderlichen ^ (8.148) An der Stelle ^ = 0 erhalt man: w =A

(8.149)

[m]

woraus sich die Verdrehung dw/d(^ Qrgiht dw

, 77

)s—7= + sm—i=

^/2

42

4~2

4~2 = -A• e^ • cos

42

'Sin

[rad] (8.150)

42

Nach weiterer Differentiation und Verkntipfimg mit der Schalensteifigkeit unter Berticksichtigung des Ubergangs von x auf <^erhalt man das Moment Mx,w zu: M^.^ = -

d'w dx'

ER'S'

l2\l-^.^) [kNm/m] IT 2 ^"•^

r-plj-T)

f <_ \ A-e^

r < •sin-i.-B-e^ COS ^2 r2

(8.151)

8 Druckrohrleitungen

279

und die Querkraft Qx,^ mit den Abktirzungen sin bzw. cos zu: ER-S'

a,.=- dx' V

i2.(;-^^)

-ER-S'

ry[J^-^12-(l-ii')

[kN/m] (8.152)

—

c

—

-A-e^ -sin --j= + B-e^

42

c' -cos'-j=

42

M, Moment infolge Verformungsbehinderung [kNm/m] Q,.^ Querkraft infolge Verformungsbehinderung [kN/m] Aus der Bedingungsgleichung (8.146) folgt flir ^= 0 unmittelbar aus (8.150): (8.153) A = B [m] Analog zu (8.145b) erhalt man unter Verwendung von (8.152) und mit der Annahme Es = ER an der Stelle ^ = 0: 2-Qo-r-Rs -242-5'-Rs-A WR [m] (8.154) Es • As

• # ( ^

Setzt man in die Randbedingung (8.144) fur die Stelle i^= 0 die Verschiebungsanteile ein, so erhalt man nach deren Auflosung die Konstante A:

Pi-r ^R "^

{r-As-bs'S'Rs)'^12\l-ii') [m]

(8.155)

As'^I7^'^12'(l-^')+2^'s''Rs

womit nun die Verschiebung, die Verdrehung, das Moment und die Querkraft an einer beliebigen Stelle x bzw. ^der Rohrleitung bestimmt werden konnen. Die zusatzliche Biegespannung in Langsrichtung o/ aus der Verformungsbehinderung ergibt sich analog zu (8.122) mit dem Moment M^^;Die Lasten aus Eigengewicht und Fliissigkeitsftillung werden vom Rohr durch Schubkrafte auf den Sttttzring Ubertragen. Zur Ermittlung der Beanspruchung des Stiitzringes konnen die in der Tabelle 8.27 angegebenen Beiwerte herangezogen werden. Sie gelten fiir das in Abb. 8.40a dargestellte statische System mit Aufnahme der Schubkrafte aus der Rohrwandung Uber Einzelkrafte und sind aus Gleichgewichtsbetrachtungen am Ringtrager entwickelt. Aus diesen Beiwerten lassen sich die SchnittgroBen A/, N und Q im Sttitzring in Abhangigkeit von der Auflagerkraft FA berechnen. Die Auflagerkraft FA aus Eigengewicht und Wasserfiillung kann Uber (8.138a) und (8.139) ermittelt werden.

8 Druckrohrleitungen

280

c

""Bandagen Gleitfläche

- Feder

Gleitplatte

^ Segmentblech " Fußplatte

Abb. 8.40: a) Stiitzring: Definitionsskizze fiir die Beanspruchung; Sattellager fiir Druckrohrleitungen: b) stahlemer Gleitsattel; c) Betonauflagersattel mit Stahleinbauten [8.43] Tabelle 8.27: Zahlentafel zur Ermittlung von M^ 7V<^ und g^ in Abhangigkeit des Auflagerwinkels cpA (PA

1 ^'

90°

100°

110°

120°

130°

140°

150°

160°

170°

66,7

68,7

73,4

79,8

86,7

93,1

98,3

102,1

104,4

180° 1 105,2 1

113,3

111,2

-

-

-

-

-

-

-

• 1

1Y<^PA-^S((P ^' = 0)

0,0113 0,0127 0,0173 0,0250 0,0358 0,0480 0,0602 0,0703 0,0770 0,0795 1

}min MJFA 'Rs((p^ (Pi)

-0,0146 -0,0165 -0,0204 -0,0290 -0,0409 -0,0568 -0,0735 -0,0881 -0,0980 -0,102o|

}M^FA'RS((P=

(PA)

0

0,0135 0,0252 0,0346 0,0470 0,0546 0,0745 0,1087 0,1630 0,2385 1

-

-

-

-

-

-

-

-

hnax MJFA •Rs((p= (Pi)

0,0146 0,0170

]M^FA-Rs((p=n) hjFA ((p = 0)

-0,0113 -0,0121 -0,0121 -0,0104 -0,0024 +0,0170 +0,0489 +0,0957 +0,1592 +0,2385|

}^CJFA ((P = (Pl)

-0,1391 -0,1472 -0,1672 -0,1966 -0,2318 -0,2492 -0,2416 -0,2320 -0,2230 -0,220 1

0,0795 0,0846 0,0984 0,1194 0,1452 0,1728 0,1990 0,2202 0,2339 0,2390 1

Wq/FA ((p = (PA) oberhalb -0,250 -0,2882 -0,320 -0,3488 -0,370 -0,3828 -0,3810 -0,3590 -0,3121 -0,239o| unterhalb 0,250 0,2040 0,1492 0,0848 0,0129 -0,0612 -0,1307 -0,1880 -0,2246 -0,2390 }NJFA ((P = (P2) k / F ^ ((p^ TT)

1 ^^ 1Inax QJFA ^^ ((p = (ps)

0,1391 0,1486

-

-

-

-

-

-

-

-

-0,0795 -0,0846 -0,0984 -0,1194 -0,1452 -0,1728 -0,1990 -0,2202 -0,2339 -0,239o| 37,4

38,4

40,9

44,2

47,6

50,8

53,3

55,1

56,2

142,6

141,6

139,1

135,8

132,4

-

-

-

-

56,6 II

• II

-0,0342 -0,0374 -0,0460 -0,0603 -0,0790 -0,0997 -0,1202 -0,1360 -0,1490 -0,153o|

IQ/FA ((p = (PA) oberhalb 0,0798 0,1216 0,1617 0,2010 0,2426 0,2892 0,3420 0,3965 0,4520 unterhalb 0,0798 0,0348 -0,0094 -0,0480 -0,0786 -0,0941 -0,0920 -0,0732 -0,0403 -0,0342 -0,0374 -0,0460 -0,0603 -0,0790 |max QC/FA ((p = (P4)

0,50 1

0 1

- 1

Bel Verformungsmessungen an Sattellagern wurde festgestellt, daB sich als Kontaktreaktion zwischen dem Auflagersattel und dem Rohr als Kreiszylinderschale flachenhafte Pressungen ergeben, die Maximalwerte an den SatteUiomem

8 Druckrohrleitungen

281

aufweisen. Dies wird bei der Definition des Nullzustandes berlicksichtigt, so dai3 sich durch die Superposition einer parallel konstanten Last mit einer parallel veranderlichen bzw. einer radial konstanten mit einer radial veranderlichen die in Abb. 8.41 dargestelltenBelastungssysteme/und//ergeben. Verkniipft man dieses System mit den in Kapitel 8.4 angeftihrten Einheitssystemen, konnen Beiwerte hergeleitet werden, die ahnlich wie beim Stutzring eine einfache und rasche SchnittgroBenermittlung fur die Rohrwandung erlauben. Die SchnittgroBen ergeben sich demnach in Abhangigkeit von der Auflagerkraft FA nach folgenden Gleichungen: M^=kM'FA'rm N,=k^'FA

[kNm]

[kN]

(8.156a) (8.156b)

.'•iipr^

®

® Abb. 8.41: Superposition von Systemen mit a) vertikalen (Lastfall I) und b) radialen (Lastfall II) Flachenpressungen [8.43] Die Schnittkraftverlaufe ftir Biegemomente und Normalkrafte in Ringrichtung konnen fur die Belastungsfalle / und // aus Abb. 8.42 entnommen werden. Die GroBe sowie die Lage der Extremwerte ( ^ , (PN) fiir das Biegemoment und die Normalkraft sind fur die zwei Lastfalle in der Tabelle 8.28 angegeben.

8 Druckrohrleitungen

282

Abb. 8.42:

SchnittgroBen: a) vertikale Flachenpressungen; b) radiale Auflagerpressungen [8.43]

Tabelle 8.28: Extremwerte fiir Biegemoment und Normalkraft fur vertikale Flachenpressungen und radiale Auflagerpressungen [8.43] Lastfall /

1 ^^ 1 90° 95° 100° 105° 110° 115° 120° 125° 130° 135° 140° 145° 150° 155° 160° 165° 170° 175° 1 180° 8.5.3

(PM 95° 95° 95° 95° 95° 95° 95° 95° 100° 100° 100° 100° 100° 105° 105° 105° 105° 105° 105°

kM -0,05510 -0,05467 -0,05493 -0,05601 -0,05784 -0,06033 -0,06335 -0,06679 -0,07056 -0,07494 -0,07941 -0,08372 -0,08776 -0,09168 -0,09523 -0,09812 -0,1002 -0,1015 -0,1020

(PN

110° 105° 105° 105° 110° 115° 120° 125° 130° 130° 135° 135° 135° 135° 135° 135° 135° 135° J35°

Lastfall //

h -0,2973 -0,2988 -0,3083 -0,3266 -0,3473 -0,3654 -0,3808 -0,3931 -0,4022 -0,4062 -0,4122 -0,4165 -0,4207 -0,4244 -0,4277 -0,4304 -0,4324 -0,4336 -0,4340

^M 20° 45° 60° 70° 75° 80° 85° 90° 95° 95° 100° 100° 100° 105° 105° 105° 105° 105° 105°

kM -0,01878 -0,01396 -0,01419 -0,01865 -0,02545 -0,03345 -0,04209 -0,05084 -0,05913 -0,06690 -0,07404 -0,08056 -0,08606 -0,09075 -0,09485 -0,09799 -0,1002 -0,1015 -0,1020

1

(PN

-

135° 135° 135° 135° 135° 135° 135° 135° 135°

h 1

-I

- 1 -- 1 -

-0,4067-0,4133 -0,4189 -0,4236 -0,4274 -0,4303 -0,4323 -0,4336 -0,4340 1

Dehnungsausgleicher

Da es bei Triebwasserleitungen aufgrund der moglichst geraden Linienftilirung meist nicht moglich ist, Dehnungen iiber die Weichheit des Rohrsystems, also iiber U-, Lyra-, Z-Bogen etc. aufzunehmen, werden in der Regel besondere Ausgleichsorgane in die Leitungen eingefugt. In aufgelosten Leitungssystemen (siehe Abschnitt 8.1) sind Langskrafte aus Langenanderungen, die sich vor allem durch

1 1 1 1 1

8 Druckrohrleitungen

283

Temperaturdehnungen, aber auch durch Auflagersetzungen ergeben koiinen, demnach in Dehnungsausgleichem oder Dilatationen zu kompensieren; sie werden deshalb auch Kompensatoren genarmt. Fur die Aufiiahme groBer Langenanderungen ist der Einsatz von Stopfbuchsendehnern gebrauchlich, die eingeschweiBt oder eingeflanscht werden (s. Abb. 8.43a). Sie sind biegemomentenfrei zu halten, um ein Verklemmen zu verhindem. Die Dichtung soil bei gutem Dichtungsverhalten einen geringen Reibungswiderstand aufweisen. Es ist zu betonen, dai3 die normalen Stopfbuchsen nur die aus Dehnung entstehenden Reibungskrafte tibertragen sollen, andere Langskrafte aus Innendruck oder Eigengewicht sind iiber Fixpunkte abzutragen. Eine andere Moglichkeit zum Dehnungsausgleich sind Wellrohrkompensatoren, die vor allem bei Nieder- und Mitteldruckanlagen angewandt werden. Ein Vorteil dieser Bauart ist es, daB keine zusatzlichen Dichtungselemente vonnoten sind. Durch innenliegende Leitrohre werden die Stromungsverluste verringert (s. Abb. 8.43b).

^ffiEEia,j>^>a^

Anschweißende

Anschlußflansch z'

i

L

L

c

(b

R

sR

"5\_ 1

J

Rohrachse

x

Abb. 8.43: Dehnungsausgleicher: a) Stopfbuchsendehner [8.44]; b) Wellrohrdehnungsausgleicher [8.3]; c) Ringwulstkompensator Als weitere dichtungslose Ausfuhrungsformen seien hier noch die gewellten Balge und die Ringwulstkompensatoren genannt, welche auftretende Dehnungen iiber Ringbiegespannungen und Ringnormalspannungen aufiiehmen (s. Abb. 8.43c). In Abhangigkeit der Wanddicke und des mittleren Radius der Ringwulstschale kann fiir eine Verschiebung u in Rohrlangsrichtung die maximale Biegespannung durch folgende Naherungsgleichung berechnet werden: ^h,m

u

• 0,44

[N/mm^]

(8.157)

'm,R

SR r^^ u E

Wanddicke der Ringwulstschale, s. Abb. 8.43c mittlerer Radius der Ringwulstschale, s. Abb. 8.43c Verschiebung in Langsrichtung (Federweg) Elastizitatsmodul der Ringwulstschale

[mm] [mm] [mm] [N/mm^]

284

8 Druckrohrleitungen

Unter zusatzlicher Berucksichtigung der Ringnormalspannungen aus dem Innendruck nach der Kesselformel (8.71a) laBt sich somit der mogliche Federweg bestimmen. 8.6 [8.1] [8.2]

[8.3] [8.4] [8.5] [8.6]

[8.7]

[8.8]

[8.9] [8.10] [8.11] [8.12] [8.13]

[8.14] [8.15] [8.16] [8.17] [8.18]

Literatur Norm DIN 4279 Telle 1-10. Innendruckprufiing von Druckrohrleitungen fiir Wasser Verband der Elekrizitatswirtschaft e. V. (Hrsg.): Hinweise und Materialiensammlung zum Betrieb, Uberpriifung und Bau von Druckrohrleitungen fur Wasserkraftanlagen. Frankfurt, 2001 Wossog, G. (Hrsg.): Handbuch Rohrleitungsbau. Band I + 2, 2. Auflage. Essen: Vulkan-Verlag, 2001/2003 Stradtmann: Stahlrohr-Handbuch. 9. Auflage. Essen: Vulkan-Verlag, 1982 Thier, B.: Dichtungssysteme in der Rohrleitungstechnik. In: Rohrleitungstechnik. 5. Ausgabe. Essen: Vulkan-Verlag, 1991, Seite 184-193 Norm DIN 28602 Mai 2000: Rohre und Formstucke aus duktilem Gusseisen - Stopfbuchsenmuffen-Verbindungen - Zusammenstellung, Muffen, Stopfbuchsenringe, Dichtung, Hammerschrauben und Muttem Norm DIN EN 640 Dezember 1994. Stahlbetondruckrohre und Betondruckrohre mit verteilter Bewehrung (ohne Blechmantel), einschlieBlich Rohrverbindungen und Formstucke. Bonnet, P.; Lino, M.: Load-sharing linings - a new design concept for large diameter penstocks. In: Water Power & Dam Construction 40 (1988), Heft 10, Seite 40-45 Norm DIN 4030 Teil 2 Juni 1991. Beurteilung betonangreifender Wasser, Boden und Gase - Entnahme und Analyse von Wasser- und Bodenproben Flowtite Rohre Deutschland GmbH, Mochau: Personliche Auskunft, 2002 Schroder, R. C. M.: Technische Hydraulik - Kompendium fflr den Wasserbau. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1994 Press, H.; Schroder, R.: Hydromechanik im Wasserbau. Berlin, Miinchen: W. Ernst &Sohn, 1966 Forster, G.: DruckstoBdampfimg durch groBe Luftblasen in Hochpunkten von Rohrleitungen. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau der Universitat Stuttgart (1997), Heft 94 Giesecke, J.: Dynamische Vorgange in Rohrleitungen und ihre Auswirkung. In: Wasserwirtschaft 74 (1984), Heft 4, Seite 216-224 Horlacher, H.-B.: DruckstoBdiagramme fiir einstrangige Druckrohrleitungen. In: 3R international 20 (1981), Nr. 2/3, Seite 128-133 Horlacher, H.-B.; Liidecke, H.-J.: Stromungsberechnung fiir Rohrsysteme. 2. Auflage. Ehningen: Expert-Verlag, 2002 Kottmann, A.: DruckstoBberechnung in der Wasserversorgung. Essen: Vulkan-Verlag, 1992 Bollrich, G.: Technische Hydromechanik. Band 1. 4. Auflage. Berlin: Verlag fur Bauwesen, 1996

8 Druckrohrleitungen

285

[8.19] Logar, R.: DruckstoB bei plotzlichem AbschluB einer gestuften Rohrleitung. In: Osterreichische Zeitschrift fur Elektrizitatswirtschaft 44 (1991), Heft 9, Seite 313-316 [8.20] Giesecke, J.; Horlacher, H.-B.: Drosselkurven und DruckstoBentwicklung bei verschiedenen RohrverschlUssen. In: Wasserwirtschaft 71 (1981), Heft 3, Seite 80-85 [8.21] Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) (Hrsg.): Dynamische Druckanderungen in Wasserversorgungsanlagen. In: Merkblatt W 303 des DVGW (1994) [8.22] Norm DIN EN 13480 Teil 3 August 2002. Metallische industrielle Rohrleitungen - Konstruktion und Berechnung. [8.23] Verband der Technischen Uberwachungs-Vereine e. V. (Hrsg.): ADMerkblatt B6 - Zylinderschalen unter auBerem Uberdruck. 1995 [8.24] ATV-DVWK (Hrsg.): Arbeitsblatt A 127 - Statische Berechnung von Abwasserkanalen und -leitungen. 3. Auflage. Hennef, 2000 [8.25] Norm DIN 1072 Dezember 1985. StraBen und Wegbrucken Lastannahmen [8.26] Norm ANSI B 31.1 2001: Power Piping bzw. 1977: Druckrohrleitungen Rohrleitungen in Kraftanlagen. [8.27] VdTUV-Merkblatt 1063 Mai 1978, Technische Richtlinie zur statischen Berechnung eingeerdeter Stahkohre [8.28] Norm ONorm B 5012 September 1990. Statische Berechnung erdverlegter Rohrleitungen im Siedlungs- und Industriewasserbau [8.29] Bundesverband Deutsche Beton- und Fertigteilindustrie e. V. (Hrsg.): Handbuch ftir Rohre aus Beton, Stahlbeton, Spannbeton. Wiesbaden, Berlin: Bauverlag GmbH, 1978 [8.30] Norm DIN EN 1610 Oktober 1997: Verlegung und Prufiing von Abwasserleitungen und -kanalen [8.31] ATV-DVWK (Hrsg.): Arbeitsblatt A 161 - Vortriebsrohre, Statik. Hennef, 1990 [8.32] ATV-DVWK (Hrsg.): Arbeitsblatt A 125 - Rohrvortrieb. Hennef, 1996 [8.33] Norm DIN EN 295 Telle 1-7 1995/1999. Steinzeugrohre und Formstucke sowie Rohrverbindungen ftir Abwasserleitungen und -kanale [8.34] Norm DIN 4032 Betonrohre und Formstticke - MaBe und technische Lieferbedingungen [8.35] Norm DIN 19850 Telle 1-3 1996/1990. Faserzement-Rohre und -Formstucke ftir Abwasserkanale [8.36] Norm DIN 1045 Telle 1-4 mit Berichtigungen 2001/2002. Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spanbeton [8.37] Netzer, W.; Pattis, O: Uberlagerung von Innen- und AuBendruckbelastung erdverlegter Rohrleitungen. In: 3R international 28 (1989), Heft 2, Seite 96-105 [8.38] Wagner, W.: Festigkeitsberechnungen im Apparate- und Rohrleitungsbau. 5. Auflage. Wurzburg: Vogel-Buchverlag, 1995 [8.39] Technische Regel TRD 301 Oktober 1997. Zylinderschalen unter innerem tJberdruck.

286 [8.40] [8.41]

[8.42]

[8.43]

[8.44]

8 Druckrohrleitungen Muller, W.: Druckrohrleitungen neuzeitlicher Wasserkraftwerke. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1968 Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) (Hrsg.): Hinweise und Tabellen ftir die Bemessung von Betonwiderlagem an Bogen, Abzweigen und Reduzierstucken mit nicht langskraftschliissigen Verbmdungen. In: Merkblatt GW 310/1 und 310/11 des DVGW (1971/1973) Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) (Hrsg.): Widerlager aus Beton - Bemessungsgrundlagen. In: Arbeitsblatt GW 310 (Entwurf) des DVGW (2002) Mang, F.: GuBrohre und Stahlbehalter - Festigkeits- und Konstruktionsprobleme. Baden-Baden: Verlag ftir angewandte Wissenschaften GmbH, 1971 Schwaigerer, S.: Rohrleitungen. Berlin, Heidelberg, New York: SpringerVerlag, 1967

287

9 9.1

Druckstollen und Druckschachte Konstruktive Ausbildung

Druckstollen kommen bei Wasserkraftanlagen immer dann zur Ausfuhrung, wenn die Topographie des Gelandes den Bau einer an der Oberflache gefuhrten Druckrohrleitung (s. Kapitel 8) nicht zulaBt. Dies ist z. B. bei einem Kraftwerk, das aus mehreren Speichem oder benachbarten Einzugsgebieten gespeist wird, der Fall, um so das gesamte Einzugsgebiet der Anlage zu vergroBem. AuBerdem kann die besondere Bauart des Kraftwerkes den Bau eines Druckstollens erfordem, z. B. bei einer Kavemenkraftanlage. Ausgefuhrt werden meistens Druckstollen mit kreisrundem Querschnitt. Dies hat zum einen statische Vorteile hinsichtlich der Baudurchfuhrung und der Belastung aus Innen- und AuBendruck sowie hydraulische in bezug auf die gering zu haltenden Reibungsverluste bei geringstmoglicher Wandungsflache relativ zum Volumen. Auch der Einsatz von Tunnelbohrmaschinen, die im VoUschnittverfahren arbeiten, fuhrt zu Kreisprofilen. Im bergmannischen Sprachgebrauch werden die horizontalen oder schwach geneigten Telle der Triebwasserzufiihrung als Druckstollen und die stark geneigten oder vertikalen Telle als Druckschachte bezeichnet. Wenn im folgenden aus Vereinfachungsgriinden nur von Druckstollen die Rede sein wird, so gelten diese Ausfuhrungen jedoch auch gleichermaBen fur die Druckschachte. Um die Betriebssicherheit eines Druckstollens wahrend der ganzen Lebensdauer zu gewahrleisten, muB er normalerweise mit einer Betonauskleidung versehen werden. Je nach den ortlichen Verhaltnissen konnen sehr unterschiedliche Anforderungen an diese gestellt werden. So kann sie erforderlich sein, um die Standsicherheit und Dauerhaftigkeit des StoUens zu gewahrleisten, in wasserdurchlassigem Gebirge die Dichtigkeit herzustellen oder um die hydraulische Rauheit der StoUenwandung zu verringem. Eine absolute Dichtigkeit der Auskleidung ist nicht in alien Fallen erforderlich. Haufig geniigt es, die Wasserverluste klein zu halten. Unbedingt notwendig ist eine Dichtung, wenn eine chemisch-pysikalische Zersetzung des Gebirges infolge des Wasserzutrittes zu erwarten ist. Die durch die Rauheit der StoUenwandung verursachten Druckverluste haben auf die Wirtschaftlichkeit der Energiegewinnung aus Wasserkraft einen direkten EinfluB. Die Moglichkeiten zur Ausfiihrung eines unausgekleideten Druckstollens hangen einerseits sehr stark von den mechanischen Eigenschaften des Gebu*ges und andererseits von den auftretenden Geschwindigkeiten und der damit zusammenhangenden Rauheit ab. Insbesondere bei gefrasten Stollen ist der Verzicht auf eine Auskleidung interessant, da hier die Rauheit in engen Grenzen gehalten werden kann. Sehr groBe Bedeutung haben die unausgekleideten Druckstollen in Skandinavien, wo ausgezeichnete Felsqualitaten anzutreffen sind.

288

9 DruckstoUen und Druckschachte

Fur eine iiberschlagige Abschatzung der notwendigen Felstiberdeckung bei unausgekleideten DruckstoUen wird heute noch eine von BROCH [9.1] angefuhrte, alte Daumenregel verwendet, die folgendermaBen lautet (s. Abb. 9.1a): hG>C'h

[m]

(9.1)

Unter Berucksichtigung des Einfallens des Talhanges ergibt sich [9.1]: L=-

jG'COSff

[m]

(9.2)

[m] vertikale Tiefe des betrachteten Punktes / statische Druckhohe am betrachteten Punkt / [m] Konstante am Punkt /: [-] fur Talhange mit Pi < 35°: c = 0,6 fur Talhange mit P = 35-60°: c = 0,6-1,0 fur Talhange mit P = 60°: c = 1,0 L kurzeste Entfemung zwischen Oberflache und dem betrachteten Stollenquerschnitt [m] YG Wichte des Felsens/Gebirges [kN/m^] P durchschnittliches Einfallen des Talhanges Ein genaueres Verfahren ftir die Bestimmung der erforderlichen tJberdeckungshohe in topographisch schwierigen Gebieten wird von BROCH [9.1] aufgefuhrt. Die Spritzbetonauskleidung kann als Ausbruchsicherung wahrend des Vortriebs des StoUens eingesetzt, aber auch als spezielle Druckstollenauskleidung ausgefiihrt werden. Die meist 3-10 cm starke Spritzbetonschicht wird in der Regel mit Betonstahlmatten bewehrt hergestellt. Bei konventionellem Ausbruch kann damit die Wandrauheit erheblich vermindert werden, und in gekliiftetem, aber sonst tragfahigem Fels bietet der Spritzbeton einen guten Schutz gegen Steinfall. Das Dichtungsvermogen dieser Auskleidung ist allerdings sehr eingeschrankt. ho h c

n

(a)

Abb. 9.1:

d a) Definitionsskizze zur Daumenregel [9.1]; Passive Vorspannung von Stollenauskleidungen nach b) KIESER, c) TIWAG, d) WITTKE [9.2]

Mit einer bewehrten Betonauskleidung konnen die Stabilitat eines Stollens gewahrleistet und die Reibungsverluste sehr wirkungsvoU vermindert werden. Da jedoch im Beton bei Belastung durch Innendruck sehr schnell Risse entstehen, ist alleine hiermit eine Dichtigkeit nicht zu gewahrleisten. Um diese zu erreichen, kann die bewehrte Betonauskleidung passiv vorgespannt werden. KIESER verwendete diese Methode erstmals, indem er die Betonauskleidung mit einem spaltartigem Ringhohb-aum zwischen dem sogenannten Kemring und einer Vorauskleidung herstellte, den er hemach verpreBte. Hierdurch werden der Gebirgsdruck

9 Druckstollen und Druckschachte

289

aktiviert und eine Vorspaimung der Auskleidung erreicht. Unter Innendruck bleibt die Auskleidung zugspannungsfrei, und es tritt damit keine RiBbildung auf (s. Abb. 9.1b). Die Tiroler Wasserkraftwerke AG (TIWAG) entwickelte dieses Verfahren weiter durch Anordnung von Injektionsschlauchen zwischen Gebirge und Auskleidung (s. Abb. 9.1c). Nach WITTKE ist auch eine nachtragliche Injektion iiber radiale Bohrlocher moglich (s. Abb. 9.Id). Ein weiterer Vorteil der Injektion einer Zementsuspension in den Spalt zwischen Auskleidung und Gebirge ist haufig eine Verbesserung der Dichtigkeit und Tragfahigkeit des umgebenden Felsens. Ist eine mittragende Wirkung des Gebirges nicht vorhanden, so kann die aktiv vorgespannte Betonauskleidung eine wirtschaftliche Losung sein. Die schlaff bewehrte Betonauskleidung wird in diesem Fall mit Einzelspanngliedem vorgespannt. Diese konnen in mehrere Kreiselemente unterteilt sein und tiber Nocken verankert werden (s. Abb. 9.2a). Eine andere Variante ist das VSL-Vorspannsystem mit 360°-Ringen ohne Zwischenverankerung, die wie FaBreifen wirken (s. Abb. 9.2b), wobei das Spannglied hierzu in einer speziellen Zwischenverankerung zu einem Ring geschlossen wird. Wahrend dem Vorspannen offiiet sich zwischen der Auskleidung und dem Fels ein Spalt, der anschlieBend ohne Uberdruck verfullt wird. Der Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dai3 sie der Geologic wahrend des Bauverlauf sehr flexibel anzupassen ist und auch komplizierte Abzweige damit sicher ausgefiihrt werden konnen. AuBerdem konnen sich nach einer Uberbelastung der Leitung aufgetretene Risse wieder schlieBen. Hohlkolbenpresse Krümmer

Abb. 9.2:

Aktiv vorgespannte Betonauskleidungen: a) Nocken; b) VSL-System [9.3]

Als Sandwichbauweise wird die diinnwandige Panzerung mit Betoninnenring (s. Abb. 9.3a) bezeichnet. Hier wird zwischen dem Fels und dem Beton eine ca. 5 mm dicke Stahlpanzerung eingebaut. Sie erfullt auBer der Abdichtung auch noch statische Funktionen, indem sie einen Teil des Innendrucks aufiiimmt. Da die Montage und der Transport der diinnwandigen Stahlschiisse schwierig ist, werden sie oft schon werkseitig mit dem Betoninnenring versehen. Durch Verpressen des Hohlraumes zwischen der Vorauskleidung und der dunnwandigen Panzerung kann eine gewisse Vorspannung des Betoninnenringes erreicht werden. Die Fortentwicklung dieser Variante ist die Anwendung von Dichtungsfolien. Es handelt sich hierbei ebenfalls um erne Sandwichbauweise. Auf der Vorauskleidung Oder bei gefrasten Stollen auch direkt auf der Stollenwandung wird eine diinne sehr elastische Kunststoffolie befestigt. AnschlieBend wird die Betonauskleidung eingebaut. Die Folic dient in diesem Fall als Dichtungshaut, sie kann nach Einbau der Betoninnenauskleidung durch eine Vorspanninjektion auch auf

290

9 Druckstollen und Druckschachte

der Gebirgsseite eine glatte Einbettung erhalten und muB dabei so dehnbar sein, daB sie Risse im Beton iiberbrucken kann (s. Abb. 9.3b).

Abb. 9.3:

a) Dtinnwandige Stollenpanzerung; b) Spaltinjektion mit Dichtungsfolie; c) stahlgepanzerter Druckstollen

Die aufwendigste Auskleidung ist die Vollpanzerung aus Stahl (s. Abb. 9.3c). Sie wird daher nur dann eingesetzt, wenn der Iimendruck sehr hoch ist oder dem Gebirge keine mittragende Wirkung zugemutet werden kann und keine der anderen Auskleidungsarten in Frage kommt. Das Innere des DruckstoUens ist bei dieser Ausftihrung mit StahlrohrschUssen ausgekleidet, die miteinander verschweiBt sind. Das Stahlrohr ist von einer Betonschale umgeben, mui3 aber oftmals aufgrund der Inhomogenitat und Anisotropie des Gebirges als freies nicht vom Pels umgebenes, daher die Gesamtlast abtragendes Rohr bemessen werden. Die Vollpanzerung eines DruckstoUens mit Stahl ergibt eine vollig dichte Leitung. Wichtig ist bei dieser Methode die ausreichende Verankerung der Panzerung im Beton, um ein Beulen unter dem Bergwasserdruck bei nicht gefiilltem Stollen auszuschliei3en. Ausfuhrungen zur Bemessung sind bei KASTNER [9.4] zu fmden. Die Innendriicke erreichen bei Druckstollen derzeit nahezu 100 bar. Erstaunlicherweise wird ein derart hoher Druck in dem unverkleideten Druckstollen Nyset Steggie in Norwegen bei bester Felsbeschaffenheit schadlos aufgenommen. An Bedeutung gewinnen bei den Auskleidungen zunehmend die vorgespannten Bauweisen. 9.2

Statische Bemessung

Unter der konventionellen Druckstollenstatik fal3t man die Verfahren zur StoUenberechnung zusammen, die hydraulische Effekte und Belastungen durch Sickerstromungen auf die Stollenauskleidung oder StoUenlaibung vemachlassigen. Es wird ein homogener, isotroper Rohrkorper mit vollkommen elastischem Verhalten vorausgesetzt. AuBerdem wird von einer ganzlich dichten Auskleidung des Stollens und einem undurchlassigen Gesteinskorper ausgegangen. Diese vereinfachenden Annahmen sind in vielen Fallen zulassig, konnen zumindest flir eine Vordimensionierung als ausreichend angesehen werden und machen die Druckstollenauskleidung einer analytischen Berechnung zuganglich. Der einfachste Losungsansatz ist mit den oben formulierten Annahmen liber das Gleichungssystem fur das dickwandige Rohr gegeben. Dieses wurde schon 1852 von LAME aufgestellt, weshalb auch oft von den Lame-Gleichungen gesprochen

9 Druckstollen und Druckschachte

291

wird. Die Formeln fiir die Hauptspannungen in dickwandigen Rohren wurden schon in Kapitel 8.4 aufgeflihrt und sollen hier kurz hergeleitet werden. Betrachtet man ein dickwandiges Rohr, das unter dem Innendruck /?/ = pi und dem AuBendruck/?^ = p2 steht, erhalt man aus den Gleichgewichtsbedingungen (s. Abb. 9.4a-d): ^ [N/mm^]

^ 5r

(9.3)

(7(p Ring- Oder Tangentialspannung [N/mm ] Es ist zu beachten, daB positive Spannungen in diesem Fall als Druckspannungen defmiert sind. P2 / " '

'

~~\

'^^d-?^.^ cjrrd(p ^-^Cjpdr

p3

Kernrohr (mS, ES) Mantelrohr (mG, EG) d) %drd(p

Abb. 9.4:

a)-d): Gleichgewichtsbetrachtung am dickwandigen Rohr [9.5]; e) Doppelrohr mit beidseitiger Belastung [9.6]

Aufgrund der Annahme vollkommen elastischen Verhaltens ergeben sich die Dehnungen zu: Sr

du ~d^

1

(a,-iLi-a^)

Sep = - = - — - ( ^ c p - ^ c j , )

r

E

[-]

f du u^ ^^. 2T 7- — + ^^*~ [N/mm'] l-\x \^dr r) E

7 - H \r

dr ,

(9.4b)

[-]

u Verschiebung in Radialrichtung Die Spannungen sind somit: Or=--

(9.4a)

[mm]

(9.5a)

(9.5b)

Setzt man diese Spannungen in (9.3) ein, erhalt man eine Differentialgleichung 2. Ordnung: d^u 1 du u ^ . - . — - - 0 dr^ r dr "^

292

9 Druckstollen und Druckschachte

mit der Losung: u(r) = Cj'r-^C2'-

[mm] (9.7) r [mm] u(r) Radialverschiebung C1/C2 Konstanten [mm]/[mm^] Die Konstanten C; und C2 ergeben sich nach Emsetzen dieser Losung (9.7) in die Spannungsgleichungen (9.5a) bzw. (9.5b) aus den Randbedingungen: a, (r = r;) = pi

[N/mm^]

(9.8a)

a, (r = r,) = p2 [N/mm^]

(9.8b)

Nach Ausrechnung der Konstanten folgt fur die Radialspannung a> in Abhangigkeit vom Radius r im dickwandigen Rohr: ^r=-pr-Y^ T^^P2'^^ T^ [N/mm^] r2 -ri r ^2 -rj r und entsprechend fur die Ring- oder Tangentialspannung: a , = - p ; - ^ - ^ +; , . - ^ - ^ r ^2-^1 ^ r? -ry Die Radialverschiebung ergibt sich zu:

(9.9a)

[N/mm^]

(9.9b)

-(')-J^^{prn'{(<-.y^H'^.yf [mm]

(9.10)

2 \^

-P2-r2 •

r

Am Innenrand r = o erhalt man damit: Or = Pi

(9.11a)

[N/mm^]

a.p = -Pi

P2

2 ri

-rl

[N/mm^]

^7 = ^ / ' _ ^ , v { / ^ ; ' ( ( ^ - ^ ) - ^ / + ( ^ + ^ ) ' ^ / ) - ^ ' ; ^ 2 - r / ]

(9.11b)

[mm]

(9.11c)

und am AuBenrand r = r2. a,=p2

[N/mm^]

a,=-pr4^^P2'^^T^ r? -n r2 -ri

(9.12a) [N/mm^]

(9.12b)

9 Druckstollen und Druckschachte ^ / 2 = — 7 ^ ^ { 2 . ; 7 , . r / - ; 7 , . ( ( 7 - ^ i ) . r / + ( 7 + ^i).r/)] E'[r2 - O ) -*

293

[mm]

(9.12c)

Die Bettung einer Druckstollenauskleidung im Fels kann angenahert als ein unendlich dickes Rohr beschrieben werden. Damit wird der AuBenradius r2 unendlich groB und der AuBendruck/?2 geht gegen Null, so daB gilt: Or=pj~

[N/mm^]

(9.13a)

r o^=-pi~

[N/mm']

(9.13b)

r ulr) = l^^^'Pj [mm] (9.13c) E r Unter anderem hat auch KIESER [9.6] die Gleichung des unendlich dickwandigen Rohres als Grundlage ftir die rechnerische Behandlung von Druckstollen verwendet. Er definiert als Ersatzsystem fur Fels und Stollenauskleidung ein sogenanntes Doppelrohr, bestehend aus einem Mantelrohr, das ein Kemrohr kraftschlussig umhiillt (s. Abb. 9.4e). Setzt man den Radius des beeinfluBten Gebirgsbereiches ^5 = 00 und nimmt dort P3 = 0 an, so ergibt sich nach (9.13c) die Verschiebung der Felslaibung UQ ftir den Radius r2, also fur den inneren Radius des Mantelrohres zu: %=—

p2=—r2

EG

r2'P2 [mm]

(9.14)

EG

UG Verschiebung der Felslaibung [mm] EG E-Modul des Felsens/Gebirges [N/mm^] fiG Querdehnungszahl des Felsens/Gebirges [-] und nach (9.12c) erhalt man die Verschiebung des AuBenrandes der Stollenauskleidung %, also ebenfalls beim Radius r2 mit: Us

'] \r2

Us Es Ids

S2^prrf

-p2\{l-\is)'r^

^{l + \is)'r})\

[mm]

(9.15)

-^i)

Verschiebung des AuBenrandes der Stollenauskleidung E-Modul der Stollenauskleidung Querdehnungszahl der Stollenauskleidung

[mm] [N/mm^] [-]

Da aufgrund der Vertraglichkeit beide Verschiebungen gleich groB sein mtissen, werden die Verschiebungen UQ und % gleichgesetzt: UG=US

[mm]

(9.16)

9 Druckstollen und Druckschachte

294

womit sich der AuBendruck/>2 aus der Reaktion des umgebenden Gebirges ergibt: P2

{l + \iG)'Es {l^\is)'EG

fr/ yrf

)

.1^4.; {l + \is)

[N/mm1

(9.17)

SCHLEISS [9.3/9.7] hat diesen vom Gebirge aufgenommenen Anteil des Innendrucks ftlr unbewehrte und zusatzlich in Langsrichtung verschiebliche Betonauskleidungen grafisch aufgetragen (s. Abb. 9.5). Dabei wird die Abhangigkeit vom Verhaltnis des AuBen- zum Innenradius der Auskleidung und von den Felseigenschaften deutlich. 100 % Gebirgsanteil P2/P1

80%

60%

40%

20%

0%

1.3 1.1 1.15 1.2 Auskleidungsstarke 12!^^ Gebirgsanteil fur verschiedene Beton- und Felseigenschaften {jus = 0,2) Gebirgsanteil fiir verschiedene zulassige Spannungen im Beton, so dali gerade keine Zugrisse in der Auskleidung auftreten (Bereich oberhalb Kurve)

Abb. 9.5:

Reaktionsdruck des Gebirges [9.7]

Aus dem Diagramm in Abb. 9.5 folgt [9.7]: - Der von der Betonauskleidung auf den Fels Ubertragene Innendruck ist um so groBer, je dUriner die Auskleidung und je besser der Fels sind. - Der von der Betonauskleidung (ibemommene Irmendruckanteil nimmt bei mittlerem bis schlechtem Fels {EB/EQ = 5-20 N/mm^) bis etwa ra/n =1,1 stark und tiber r^/r,— 1,2 nur noch schwach zu. Wirtschaftliche Auskleidungsdicken sind also zwischen diesen Radiusverhaltnissen zu vermuten. - Der von der Betonauskleidung ubemommene Innendruckanteil nimmt bei guten Felsverhaltnissen nahezu linear mit der VergroBerung der Auskleidungsdicke zu. Ist der Reaktionsdruck p2 bekannt, konnen die Spannungen aus dem Irmenwasserdruck anhand der Gleichungen (9.9a) und (9.9b) fur die Auskleidung bzw. (9.13a) und (9.13b) fiir den Fels ermittelt werden.

9 Druckstollen und Druckschachte -10°

-20° -30°C

295

-AT: Abkühlen u. Schwinden

N/mm 6

5

4

3

2 pG

1

0

-4 20·10

1 p St

2

3

4

5

6 N/mm 70

Abb. 9.6:

• QSt: Stahlspannung 100

200

300

2

400 N/mm

Bemessungsdiagramm fiir Stahlpanzerungen [9.9]

LAUFFER und SEEBER [9.8] entwickelten, aufbauend auf den vorgestellten Gleichungen und Kompatibilitatsbedingungen, ein grafisclies Verfahren fiir Druckschacht- und Druckstollenauskleidungen. Die Optimierung liegt darin, daB die Gleichung (9.14) far die Verschiebung des Gebirges beim grafischen Verfahren durcli eine mit einer Radialpresse gemessene Arbeitslinie ersetzt werden kann. Dadurch konnten erstmals nichtelastische Effekte beriicksichtigt werden. AuBer-

296

9 Druckstollen und Druckschachte

dem ist es moglich, die Radialpresse an verschiedenen Querschnitten einzusetzen und durch Verwendung der „schlechtesten" Arbeitslinie ansatzweise auch die Anisotropic des anstehenden Felsens in die Bemessung einzubeziehen. In Abb. 9.6 ist das Bemessungsdiagramm fiir Stahlpanzerungen nach SEEBER dargestellt [9.9]. Li der oberen Halfte sind die mit der Radialpresse ermittelte Arbeitslinie bzw. angenommenen Verformungsmodubi des Gebirges VG eingezeichnet. In der unteren Halfte sind die Arbeitslinien fiir Stahlpanzerungen mit verschiedenen Blechdicken aufgezeichnet, denen die bekannte Kesselformel (8.71a) zugrunde liegt. Die zugeordnete Stahlspannung ast ist auf der unteren Abszisse angegeben. Auf der mittleren Abszisse laBt sich die zugehorige Radialdehnung u/r ablesen, die, wie schon bei der Aufstellung der Kompatibilitatsbedingung (9.16) angegeben, fiir Felslaibung und Stahlauskleidung gleich groC sein muB. Fiir die Bemessung der Stahlpanzerung kann nun bei einer gegebenen zulassigen Stahlspannung der aufzunehmende Innendruck von der Felsarbeitslinie nach unten abgetragen werden. Die erforderliche relative Wanddicke der Stahlblechauskleidung s/r kann darauf in der unteren Halfte an den Blecharbeitslinien abgelesen werden. Auf diese Weise lassen sich auch anschaulich die vom Gebirge bzw. von der Panzerung aufgenommenen Druckanteile ablesen. Durch Parallelverschiebung der Felsarbeitslinien kormen auBerdem Spalte zwischen Auskleidung und StoUenlaibung bzw. temperaturabhangige Verformungen der Panzerung berticksichtigt werden. Zum besseren Verstandnis sind in Abb. 9.6 vier Beispiele aufgenommen. Fiir emen Innendruck/?/ = 9,7 N/mm^ ergibt sich mit r = 1,55 m und ast = 200 N/mm^ im Fall (1) ohne Spalt eine relative Wanddicke s/r = 0,022 und damit eine Wanddicke der Stahlauskleidung ^ = 34 mm und im Fall (2) mit Spalt s/r = 0,285 mm und damit s = 44 mm. Bei einem Innendruck/?/ = 4,5 N/mm^ ergibt sich mit einer Mindestwanddicke s/r = 0,010 im Fall (i) ohne Spalt eine Stahlspannung (7st = 105 N/mm^ und mit Spalt (4) von ost = 200 N/mm^. Ein nach demselben Prinzip aufgebautes Diagramm wurde von SEEBER auch fiir hydraulisch vorgespannte BetondruckstoUen entwickelt. Wie in Abb. 9.7 hinsichtlich der prinzipiellen Vorgehensweise dargestellt, beflnden sich im ersten Quadranten des Achsensystems wiederum die Gebh-gsarbeitslmie, im zweiten die der Betonauskleidung fur eine bestimmte Wanddicke s. Da durch die Injektion mit Vorspannungswirkung die Felslaibung nach auBen gedriickt und der Betonring zusammengepreBt werden, sind die Arbeitslinie der Betonauskleidung in den Bereich der negativen Dehnungen verlangert und die Arbeitslinie des Gebirges so weit nach Imks verschoben, bis diese sich in der Hohe des Injektionsdruckes, der auf der Ordinate abgetragen ist, mit der Arbeitslinie der Betonauskleidung schneidet. Zusatzliche Einfliisse von Kriechen und Temperaturanderungen verschieben die Felsarbeitslinie noch weiter nach rechts, bis die Gleichgewichtslage mit einer Restvorpannung erreicht ist. Zwischen den Arbeitslmien laBt sich nun der bis zum Abbau der noch vorhandenen Vorspannung aufiiehmbare Innendruck ablesen.

9 Druckstollen und Druckschachte

297

DRUCKBEREICH Druck- VorspannX • YGInjektionsdruck an der Pumpe wirksamer InjektionsDruck im Spalt p^^: Q

Grenze der Gebirgsmitwirkung 7--

/ P:... bezogener Innendruck

/

verbleibende Vorspannung

Verformung / Spannung

HQ

GebirgsVerformung

/ ^ A^

Verformung

BetonVerformung

Spaltweite PBI

Abb. 9.7:

Z U G B E R E I C H ^NC^'

Bemessungsdiagramm fiir vorgespannte Betondruckstollen [nach 9.5]

Bei den bisherigen Betrachtungen wurde von einer vollig dichten Stollenauskleidung ausgegangen. Wenn allerdings bei undichten Auskleidungen und durchlassigem Gebirge Sickerstromungen entstehen, muB zusatzlich eine hydraulische Kraflwirkung in die Bemessung einbezogen werden. Der mit der Sickerstromung verbundene Druckabbau kann namlich die Belastung auf die AuskleidungsauBenseite des Stollens deutlich reduzieren und die Berucksichtigung dieser Druckminderung zu einer wirtschaftlicheren Bemessung fiihren. Eine Abschatzung der Belastungsanderung aus hydraulischen Effekten kann nach [9.5] vorgenommen werden. Wie und in welchen Fallen diese zu beriicksichtigen ist, wird im folgenden angegeben.

Abb. 9.8:

a) Idealisierung der Sickerstromung; b) resultierende Kraftwirkung; c) zweischichtiges System zur Abschatzung des Einflusses der Sickerstromung [9.5]

Nach DARCY ergibt sich die Geschwindigkeit einer Sickerstromung innerhalb eines durchlassigen Mediums aus dem Produkt eines Durchlassigkeitsbeiwerts k und dem hydraulischen Gefalle / ( s . Abb. 9.8a): Vi=krli

[m/s]

(9.18)

298

9 Druckstollen und Druckschachte

mit

:_^^AP'-'-P')h^ di

[-]

(9.19)

di

V/ Stromungsgeschwindigkeit in der Schicht / [m/s] // hydraulisches Gefalle innerhalb der Schicht / [-] Ahi Druckhohendifferenz zwischen den Randem der Schicht / [m] di Dicke der Schicht / [m] Pi Druck am AuBenrand der Schicht / [kN/m^] ki Durchlassigkeitsbeiwert der Schicht / [m/s] Aus der Kontinuitatsbedingung ergibt sich ftir den Ubergang aus der Schicht / zur Schicht/+7: V, • r^y • d(^ = Vi+j • r^j+j • Jcp

(9.20a)

Oder ,

(AW-A)/YH.

_,

{Pi-Pi^i)ll.

di

,^_,,

di+j

und mit der Abkiirzung: ^'r^,i=bi

[m/s]

(9.21)

di

bi Sickerstromungsparameter Vtni mittlerer Radius der Schicht / ergibt sich:

[m/s] [m]

Pi-i • bi - Pi' {bi + bi^j) + pi^j • bi^j = 0

(9,22)

Mit den bekannten Driicken po und p„ als Randbedingungen ist somit ein Gleichungssystem aufstellbar, aus dem an alien Schichtgrenzen die Driicke/?/ ermittelt werden konnen. Bei kliiftigem Pels ist zusatzlich der Benetzungsgrad a zu berucksichtigen, der den Flachenanteil angibt, in dem der Wasserdruck wirksam wird. Damit stellt sich der resultierende Druck auf die mnere Begrenzung der Schicht / nach Abb. 9.8b folgendermaBen dar: {pi.j )^^^ • ri.j = pi.j • a,_; • ri_j - pi • a ^ ^

[kN/m]

(9.23)

ai Benetzungsgrad in der Schicht / [-] Das hydraulische Gefalle m jeder Schicht ergibt sich nach (9.19) aus der Druckdifferenz zwischen den Schichtbegrenzungen. Hieraus laBt sich der Wasserverlust Qveri eines DruckstoUens pro laufendem Meter berechnen: Q^eri =Vi'2'n' rm,i =ki'Ii-2'n'

r^j

[mVs-m]

(9.24)

Qveri Wasserverlust aus dem Stollen pro laufendem Meter [m^/sm] SCHWARZ [9.5] wahlt fur die Abschatzung des Sickerwassereinflusses auf die Druckentwicklung em zweischichtiges System, dessen innerer Ring z. B. als Be-

9 Druckstollen und Druckschachte

299

tonauskleidung, der auBere als Idealisierung des u m g e b e n d e n Gebirges bis zur Reichweite der Sickerwasserstromung angesehen w e r d e n k a n n (s. A b b . 9.8c). N a c h (9.22) laBt sich fur das dargestellte System der D r u c k / ? ; a m U b e r g a n g v o n der Schicht 1 z u r Schicht 2 ermitteln zu:

?!="

Po 'bi-\-P2'b2 (bj+b^)

(9.25a)

[kN/m']

Weiterhin nimmt der Autor stark vereinfachend an, daB die Schichten 1 und 2 ahnlich sind, d. h. es kann rf^jj/dj = r„tyd2 angesetzt werden. Damit ist der Druck Pi aus dem Innendruck po und den Durchlassigkeitsbeiwerten kj und k2 der zwei Schichten zu ermittehi. Wird auBerdem der Druck p2 am AuBenrand der zweiten Schicht gleich Null gesetzt, ergibt sich fiir/?;: Po'kj Pi =

[kN/m']

{kj+k2)

(9.25b)

Der resultierende Druckpores auf die innere Schicht 1 ist somit nach (9.23): Po'kj Po,res

[kN/m^]

-aj-n

Po'^o-ro

—

(9.26)

{kj^k2) ro V / Es k o n n e n dabei zwei Extremfalle unterschieden werden:

a) undurchlassige innere Schicht (kj = 0): Aus (9.25b) folgt damit z?; = 0, d. h. der Innendruck wu*d vollstandig in der inneren Schicht abgebaut. b) undurchlassige auBere Schicht (^2 = 0): Aus (9.25b) folgt damit/>; = po, d. h. der Innendruck steht am Schichtubergang noch voU an und wird erst in der auBeren Schicht abgebaut. Wird dieser resultierende Druck aus (9.26) dimensionslos gemacht, indem man ihn ins Verhaltnis zum Ausgangsdruck/?o setzt, erhalt man: Po.res

= 1-

k] - a ;

kz/k, 10'

(9.27)

[-]

ro

{kj-hk2)

Po

k d/r = 0,05 d/r = 0,5

10

AA

10

0.0 Abb. 9.9:

0.2

0.4

0.6

0.8

P0,res/P0

1.0

Belastung der Auskleidung im Verhaltnis zum Innendruck/7o,/-e5/i^o in Abhangigkeit von den Durchlassigkeitsbeiwerten fur verschiedene Verhaltnisse d/r

(a=l)[9.5]

300

9 Druckstollen und Druckschachte

Diese Gleichung ist in Abb. 9.9 fiir verschiedene Verhaltnisse der Auskleidungsdicke d zum Stollenradius r und einem Benetzungsgrad cO=[A ausgewertet. Es zeigt sich, daB ab einer Auskleidung (Index 1), die ca. lOmal dichter als der Pels (Index 2) ist, die Sickerstomung kaum EinfluB beziiglich der Druckwirkung auf die Auskleidung hat. Ist der umgebende Pels hingegen dichter als die Auskleidung, ergibt sich schon ab einem Verhaltnis k2/ki = 0,1 der Extremfall b), in dem der gesamte Druck erst an der Pelslaibung abgebaut wird. Liegen die Durchlassigkeiten der Auskleidung und des Gebirges im selben Bereich (I/IO < k2/k] <\0), kann die Sickerstromung merklichen EinfluB auf die Druckentwicklung im System Auskleidung-Pels haben. Ein Verfahren zur genaueren Berucksichtigung der Sickerwassereinfltisse und der mechanisch-hydraulischen Wechselwirkungen wird von SCHLEISS [9.7]/ [9.10] vorgeschlagen. Der Autor geht dabei sowohl auf verschiedene Punktionen der Porenwasserdruckabnahme (linear, logarithmisch) und auf Einfliisse aus RiBbildungen unterschiedlicher Porm als auch auf mechanisch-hydraulische Wechselwu-kungen aus der spannungsabhangigen Durchlassigkeit von Auskleidung und Pels ein. Die Grundgedanken dieses Verfahrens und die Auswirkungen auf die Stollenbemessung sollen hier kurz angeflihrt werden. Bei diesem Verfahren wh-d von einer radialsymmetrischen Problemstellung ausgegangen und die drei Zonen a) Betonauskleidung, b) injizierte oder aufgelokkerte Pelszone und c) ungestortes Gebirge innerhalb der Reichweite der Sickerstromung unterschieden (s. Abb. 9.10a).

, injizierte oderl l^^^^L -Til ^1 r-^~J-aufgelockerte I -O ^ T^ ^Felszone ^ (

^ . , . ' Reichweite der „. . Sickerströmung

(a)

(b)

Abb. 9.10: a) Sickerstromung mit Druckabbau und Zoneneinteilung (schematisch, Druckabbau nicht linear) [9.10]; b) radialsymmetrische Anstromung eines senkrechten Schachts Die radialsymmetrische Anstromung eines senkrechten Schachts laBt sich analog zur Brunnenabsenkung unter Verwendung von (9.18) einfach aus der Kontinuitatsgleichung ermitteln. Es gilt: dh

q = kf

^

2 • 71 • r dr

r

3,

[m /s-m]

(9.28a)

9 Druckstollen und Druckschachte

301

Mit: h2

r2

-

\ c l k ^ j ^ \ ^ hi

•'

(9.29a)

[m]

n

und damit: Ah = h2-hj

[rj\

In ^

=

I'Ti'kf

[m]

(9.29b)

{nj

ergibt sich: 2''K'kf\h2-hi)

i^/cr

ln{r2lri) Daraus folgt fiir vertikale Schachte der Wasserzutritt (s. Abb. 9.10b) aus: ^=

V ^ / V K ^^^=Cr{h,^-pJ{p^'g)) Inyrs/rc)

[mVs-m]

(9.30)

q rj/r2 hj/h2 hsjv kf kf/ks Pc

ZufluB zum Schacht pro laufendenMeter Hohe [mVsm] Abstande zum Schacht s. Abb. 9.10b [m] Druckhohen in den Abstanden rj/r2 [m] Hohe des Bergwasserspiegels uber Stollen [m] Durchlassigkeitsbeiwert [m/s] Durchlassigkeitsbeiwert des Felsens/Betons [m/s] Wasserdruck am AuBenrand der injizierten/aufgelockerten Felszone [N/mm^] re AuBenradius der injizierten/aufgelockerten Felszone [m] rs AuBenradius der von der Sickerstromung beeinfluBten Felszone [m] Cj Konstanten [m/s] Als Faustwerte fiir die Reichweite rs der Sickerstromung lassen sich ca. 10 • r^ im dichten Fels (kp < kg) und ca. 100 • r^ im eher durchlassigen Fels angeben. Wenn bei horizontalen Stollen die Achse etwa parallel zur Wasserspiegeloberflache im Berg verlauft, laBt sich der Wasserzutritt aus dem umgebenden Gebirge m die aufgelockerte oder injizierte Felszone durch folgende Gleichung angeben: qF=—^ j - ^ . , ^ ^L=C2\hBw-Pcl{9.'g)) InyhBwjrc'y^^l-n'lhlwyj

[mVs-m] (9.31)

Die Sickerstromung durch die - radialsymmetrisch angenommene - injizierte oder aufgelockerte Felszone (s. Abb. 9.10a) kann ebenfalls beschrieben werden durch: qc = qp qc

2'n'kF\pc-Pa)l[9w'g)

, r / \ ln{rjra)

^

.

w .

= ^' iP^ -Pa)/{pw'g)

ZufluB aus dem umgebenden Gebirge ZufluB aus der injizierten/aufgelockerten Felszone

\

r 3/

T

[m /s-m]

, o ^o^

(9.32)

[m^/sm] [m^/sm]

302

9 Druckstollen und Druckschachte

Die Sickening durch die StoUenauskleidung wird mai3geblich durch die Betondurchlassigkeit und die RiBbildung bestimmt. Der Wasserzutritt durch den ungerissenen Beton betragt: ^Bi =

, r

= ^^^' P<^ \P- ' ^)

\

[m /s-m]

(9.33a)

Bei der Beriicksichtigung von Radial- und Langsrissen m der Auskleidung konnen die folgenden Durchlassigkeitsbeiwerte fur laminare Kluftstromungen angesetzt werden: a

(2 • aici)

k^=-^.^—-L

[m/s]

(9.34)

damit ergibt sich die Durchsickerung bei radialen Rissen zu:

12'<^\ra-ri)'bu und bei Langsrissen zu: 2'Ti'ri'(2'ak2^

'g- Pa/(Pw'g)

u

\

-x

qB3 =

V ^2)^ Faiy^. ^) ^^^^ ^^^^^ ^ [m'l^^ra] (9.33c) 12-<^\ra-ri) qsi ZufluB durch den ungerissenen/gerissenen Beton [m^/s-m] [m] aja mittlere Offnungsweite fur Klufte/Radialrisse/Langsrisse bk mittlerer Abstand der Einzelklufte bzw. Radialrisse [m] v^; kinematische Viskositat von Wasser [m^/s] und damit erhalt m a n die gesamte Sickerwassermenge durch die Betonauskleidungzu: qs

=qBi+qB2+qB3 = {C41 + C42 + C,5) • Pa I{9. • g ) = Q • palip^

' g)

[mVs-m]

(9.33d)

Die fur die Bemessung ausschlaggebende Wasserdruckhohe an der AuBenseite der StoUenauskleidung kann aus der Kontinuitatsbedingung qF = qc = qs Air vertikale Schachte mit C; bzw. horizontale StoUen mit C2 bestimmt werden zu:

Wenn keine gestorte oder injizierte Felszone u m den Ausbruch vorhanden ist, kann die Wasserdruckhohe an der AuskleidungsauBenseite direkt aus (9.30) mit C; Oder (9.31) mit C2 ermittelt werden, da in diesem Falle r^ = r^ und/?^ =Pa sind: ^1/2 + ^ ^

9 DruckstoUen und Druckschachte

303

Die maximale tangentiale Druckspannung an der Auskleidungsinnenseite aufgrund des nun bestimmbaren AuBendrucks pa ergibt sich nach der Theorie der durchlassigen Medien zu [9.7]: ^_

Pa'{2-\lB)

ri\l

+ \iB)

[N/mm^]

(9.36)

o't,max(^i) max. tangentiale Druckspannungen in der Betonauskleidung (Innenseite) [N/mm^] JJB Querkontraktionszahl des Betons, i. d. R. //^ = 0,2 [-] Durch Parameterstudien ist nachzuweisen, daB die Vemachlassigung der beschriebenen Effekte und damit die Annahme einer ganzlich undurchlassigen Stollenauskleidung zu einer unwirtschaftlichen Bemessung fuhrt. Der auf die Auskleidung wirkende AuBendruck wird selbst bei Annahme geringer Durchlassigkeiten deutlich reduziert. Injektionen m die den Stollen umgebende Felszone konnen besonders bei oflmals vorhandenen Felsauflockerungen die StoUenbelastung zusatzlich verringem. Die geforderten Sicherheitsbeiwerte in bezug auf die WUrfeldruckfestigkeit des verwendeten Betons (s. (8.73)) werden in verschiedenen Normen unterschiedUch angegeben. Als Richtwerte konnen fur unbewehrten Beton 5' = 2,5 und flir bewehrten Beton 5'= 1,8 angesetzt werden. Bei selten auftretenden und kurzzeitigen Entleerungen konnen auch geringere Sicherheiten zwischen ca. 1,2 und 1,5 akzeptiert werden. In der Regel treten aufgrund der Ublichen geringen Schlankheitsgrade der Betonauskleidungen (ra/(ra - r,) < 40) keine Stabilitatsprobleme auf, d. h. der zulassige Beuldruck wird nicht tiberschritten. 9.3 [9.1]

[9.2] [9.3]

[9.4] [9.5]

Literatur Broch, E.; Osterreichischen Gesellschaft flir Geomechanik (Hrsg.): Die Entwicklung von nicht-ausgekleideten Hochdruckstollen und geschlossenen Schwallraumen mit Luftpolster in Norwegen. In: DruckstoUen und Druckschachte - Vortrage zum 38. Salzburger Kolloquium fur Geomechanik. Salzburg, 1989 Wittke, W.: Felsmechanik. Berlin, Heidelberg, New York, Tokio: Springer-Verlag, 1984 Schleiss, A.: Bemessung von DruckstoUen. Teil I. In: Mitteilungen der Versuchsanstalt fur Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zurich (1985), Nr. 78 Kastner, H.: Statik des Tunnel- und Stollenbaues. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1971 Schwarz, J.: DruckstoUen und Druckschachte. In: Berichte des Institutes ftir Wasserbau und Wassermengenwirtschaft und der Versuchsanstalt flir

304

9 Druckstollen und Druckschachte

Wasserbau Oskar von Miller-Institut in Obemach der TU Miinchen (1985),Bericht54 [9.6] Kieser, A.: Druckstollenbau. Wien: Springer-Verlag, 1960 [9.7] Schleiss, A.: Bemessung von Druckstollen. Teil II. In: Mitteilungen der Versuchsanstalt ftir Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zurich (1986), Nr. 86 [9.8] Lauffer, H.; Seeber, G.: Die Bemessung von Druckstollen- und Druckschachtauskleidungen ftir Innendruck auf Grund von Felsdehnungen. In: Osterreichische Ingenieur-Zeitschrift 5 (1962), Heft 2, Seite 37-48 [9.9] Seeber, G.: Neue Entwicklungen ftir Druckstollen und Druckschachte. In: Osterreichische Ingenieur-Zeitschrift 18 (1975), Heft 5, Seite 140-149 [9.10] Schleiss, A. Bemessung von Betonauskleidungen von Druckstollen und Schachten unter AuBenwasserdruck. In: Wasser, Energie, Luft 89 (1997), Heft 7/8, Seite 171-175

305

10 10.1

Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen Typen

Anstatt jede Turbine einer Wasserkraftanlage mit einer eigenen Zuleitung zu versehen, wird das Triebwasser in der Kegel erst kurz vor dem Krafthaus mittels Rohrverzweigungen auf die einzelnen Turbinen verteilt. Diese Ausbildung von Verteilrohrleitungen ist vor allem in wirtschaftlichen tJberlegungen begriindet, da sowohl die Livestitionen als auch die hydraulischen Verluste bei einem Einrohrsystem haufig gUnstiger zu beurteilen sind als bei mehreren Zufuhrungsleitungen (siehe auch Kapitel 8.2). Die AbzweigstUcke sind die Kemstiicke der Verteilleitungen. Um Fallhohenverluste in den Abzweigungen moglichst gering zu halten, sind - kleine Abzweigwinkel, - hydraulisch gtinstig ausgebildete Ubergange der Abzweige, - eine eventuelle Uberdimensionierung der unmittelbaren Turbinenzulaufrohre erforderlich. Ftir Rohre mit groBeren Abzweigwinkeln konnen die AD-Merkblatter [10.1] bzw. die Technische Regel ftir Dampflcessel (TRD) 301 [10.2] herangezogen werden (s. Kapitel 10.2). AuBerdem sind ftir Rohre kleineren Durchmessers nahtlos gepreBte oder geschmiedete Formstiicke erhaltlich, durch deren Kombination mit AufschweiBstutzen beliebige Abzweige hergestellt werden konnen. Bei groBen Rohrdurchmessem werden im Hinblick auf eine stromungsgiinstige Ausbildung und aufgrund der statisch-dynamischen Beanspruchung allerdings oftmals Aussteiftingskonstruktionen erforderlich, um die aus den Randstorungen resultierenden Belastungen an den Verbindungsstellen aufzunehmen. Die Verstarkungen in den Verschneidungsebenen konnen lose aufgesetzt oder angeschweiBt werden. Bei den aufgeschweiBten Verstarkungstragem ist zu beriicksichtigen, daB die aus den SchweiBarbeiten resultierenden mehrachsigen Spannungszustande zu gefahrlichen Spannungsspitzen ftihren konnen. Zusatzlich sind im Vergleich zum losen Aufsetzen groBere Abzweigwinkel erforderlich, um die Zuganglichkeit ftir die SchweiBarbeiten zu gewahrleisten. Dem steht die aufwendige und damit kostspielige Bearbeitung der durchgangigen Kontaktflachen bei der losen Anbringung gegeniiber, welche fur die kontinuierliche Kraftiibertragung notwendig ist. Im Idealfall sollten die Rohrschalen die auftretenden SchnittgroBen zum einen an die Stiitzkonstruktionen abgeben konnen, zum anderen aber nicht in ihrem Verformungsverhalten eingeschrankt werden. Das heiBt, eine zu weiche Ausfuhrung garantiert keine ausreichende Entlastung der Schalen, wahrend eine zu hohe Steifigkeit der Stiitzsysteme vergroBerte Randstorungen verursacht. Bei den Abzweigen werden die im folgenden naher erlauterten Typen unterschieden. Am Schragabzweig entstehen durch die Verschneidung zweier Kegelstiimpfe drei Schnittkurven: eine groBe Schnittellipse, eine kleine Schnittellipse und ein Schnittkreis (s. Abb. lO.la+b). In diesen Schnittellipsen miissen aufgrund der Verletzung des Membranverhaltens bei kleineren Durchmessem Wandverstarkungen

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

306

vorhanden sein bzw. bei GroBrohren die erwahnten Versteifiingskonstruktionen angebracht werden. Verschneidungskräfte

Verstärkungsträger große Schnittellipse Anschluß Gürtelträger Schnittkreis

b

F /kleine Schnittellipse

C

-Verstärkungsträger Scheitel

c

Verschneidungskräfte

.Schnittellipse

d

Abb. 10.1:

Scheitel

e)

Schragabzweig : a) Systemskizze; b) Schnittkurven; c) Kraftwirkungen am geknimmten auBenliegenden Verstarkungstrager; d) Kraftwirkungen am gekriimmten innenliegenden Verstarkungstrager; e) Schragabzweig mit aufgeschweiBten Sichelblechen und Verstarkungsschale

Diese Versteifungen konnen sowohl innerhalb als auch auBerhalb der Rohrschale angeordnet werden, wobei die auBenliegende Verstarkung hydraulische Vorteile, die innenliegende Verstarkung statisch konstmktive Vorteile mit sich bringt. Dies lai3t sich anschaulich aus Abb. lO.lc+d ablesen. Beim auBenliegenden Trager wird das positive Moment aus den Verschneidungskraften durch die Exzentrizitat e der Normalkraft im Trager erhoht. Im Fall des irmenliegenden Tragers wirken diese Momente in entgegengesetzter Richtung und vermindem die resultierende Biegespannung. Eine Moglichkeit, die Verschneidungskrafte auf eine auBere Verstarkungsschale zu Ubertragen, besteht in der Anordnung von sichelformigen Blechen, die in einem Abstand von ca. 1/4 des Hauptrohrduchmessers senkrecht auf die Rohrwandung aufgeschweiBt werden (s. Abb. 10. le). Der Nachteil dieser Variante besteht in der schlechten Zuganglichkeit der Rohrschalen im Abzweigungsbereich. Bei groBen Triebwassermengen und geringen Druckhohen werden die Rohrverzweigungen oft als Hosenrohre ausgebildet (s. Abb. 10.2a). Das Hauptrohr teilt sich dabei in der Regel in zwei gleich groBe Querschnitte auf, die meist mit Hilfe von kegelstumpfformigen Ubergangskonussen auf die halbe Flache des Hauptrohrquerschnittes reduziert werden. Die Verschneidungskurven der Kegelschalen untereinander als auch mit dem Hauptrohr bilden drei Schnittellipsen, die wie beim Abzweig zu verstarken smd. Die Verstarkung wird bei dieser Verzweigungsform als innenliegender Sicheltrager oder als auBenliegender Zwickeltrager ausgebildet, der dann uber einen, in seltenen Fallen mehrere, meist gelenkig angeschlossenen Giirteltrager in Kreisringform gehalten wird.

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

307

Hauptrohr

Verteilrohre

a

Zwickelträger

^^^ /y

vbj

Abb. 10.2: a) Hosenrohr mit auBenliegender Verstarkung; b) Kugelabzweig Bei Kugelabzweigen werden die beiden unterschiedlichen Funktionen der Rohrwandimg, namlich die Druckaufiiahme zum einen und die Ftihrung des Wasserstroms zum anderen, getrennt (s. Abb. 10.2b). Dies geschieht in der Weise, daB eine Kugel als auBere Begrenzung die Krafte aus dem Wasserdruck aufiiimmt. Gleichzeitig ubemimmt eine innenliegende Rohrschale mit geringer Dicke die Fuhrungsfiinktion. Durch zahlreiche Druckausgleichsbohrungen in diesem Fiihrungsrohr wird ein Druckausgleich herbeigefiihrt und die ganzliche Innendruckwirkung auf die auBere Kugelschale gewahrleistet. Da die Durchdringungskurven der zylindrischen Leitkonstruktionen mit der umgebenden Kugel im Regelfall Kreise sind, lassen sich die entstehenden Verschneidungskrafte durch Ringtrager aufiiehmen. 10.2

Bemessung von Rohrabzweigen

10.2.1

Bemessung nach dem Flachenvergleichsverfahren

Fiir die Vorbemessung der Wanddicken an Abzweigen in Rohrleitungen unter Innendruck kann man - wie schon bei der Bemessung von Rohrbogen - das Flachenvergleichsverfahren vorteilhaft einsetzen, das auch die Grundlage fiir die Bemessung nach den AD-Merkblattem und den TRD darstellt. Das Prinzip dieses Verfahrens soil am folgenden Beispiel nochmals kurz erlautert werden. Es wu*d zunachst, wie in Abb. 10.3a dargestellt, ein senkrechter Abzweig ohne Ausschnitt im Hauptrohr betrachtet. Man definiert wie bei den Rohrbogen wiederum Belastungsflachen Ap und Materialflachen Aa-, in denen die Belastung aus Innendruck aufgenommen wird: ^
(10.1a)

und damit: o^,m=Pi~

[N/mm^]

CTfp^ni mittlere Ringspannung Ap Belastungsflachen A„ Materialflachen

(10.1b) [N/mm^] [mm^] [mm^]

308

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

Es ergibt sich folgende Situation: Die Hauptrohrwand ist auf der projizierten Flache Ap = (D, • dj)/2 mit dem Druck /?, belastet, und die daraus resultierende Ringkraft N^ wird in der Flache Aa- aufgenommen. Fallt die Flache Aa nun wie in Abb. 10.3b weg, so miissen N^ und zusatzlich erne auf die damit freigegebene Flache di • Sy^A wirkende Kraft in den unmittelbar anschlieBenden Bereichen des Haupt- und Abzweigrohres aufgenommen werden. Diese Bereiche, welche die neue Flache ^o^bilden, werden durch die Langen h und Is angegeben.

Abb. 10.3: Flachenvergleichsverfahren am Rohrabzweig [10.3] Die nachfolgend vorgestellte Wanddickenbestimmung an Ausschnitten bzw. Abzweigen ist ein Verfahren zur iterativen Berechnung und zur Uberpriifung bereits ausgeflihrter Abzweige, bei dem nach dem Ansatz von „Startwanddicken" flir Haupt- und Abzweigrohr 5'v,^ und Sy^s durch die Bestimmung von Verschwachungsfaktoren v^ schrittweise die erforderliche Wanddicke SA angenahert wh-d. Die erwahnten sogenannten mittragenden Langen h und Is konnen ftir einfache geometrische Formen anhand von Spannungs-Dehnungs-Betrachtungen berechnet werden. Fur komplexere Geometrien werden sie aus Versuchen ermittelt. In den dadurch definierten Wandungsabschnitten wird fur die Wandstarkenbestimmung eine gleichmaBige Spannungsverteilung angenommen. Am senkrechten Abzweig sind die mittragenden Langen fiir das Hauptrohr: (10.2)

h = -sJ{Di+Sy,A)-Sv,A [mm] und flir das Abzweigrohr: ls = l-\-0,25'-^\'yj{di+s,,s)-Sy,s

[mm]

(10.3)

b mittragende Lange im Hauptrohr [mm] Is mittragende Lange im Abzweigrohr/Stutzen [mm] Syj rechn. Wanddicke des Hauptrohres am Abzweig (ohne Zuschlage) [mm] Sys rechn. Wanddicke des Abzweigrohres/Stutzens (ohne Zuschlage) [mm] a Abzweigwinkel [°] wobei die Gleichungen am schragen Abzweig nach TRD 301 [10.2] ebenfalls gtiltig sind, falls der Abzweigwinkel a>45° ist (s. Abb. 10.4a-d). Die geometrischen Verhaltnisse mit Druck- und Materialflachen Ap und Aa- sowie den mittragenden Langen am senkrechten und schragen Abzweig sind in Abb. 10.4a-ddargestellt.

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

309

di i _ v,S

A^ b

b

S

AaII

-/

sv,A

Y "pII

ApI /

Ap

Di

Di

, v,S

_b_

b

a

A ^I ; ;v,S1

i,1

>^

^

v,S2; ^

1 i,2;

^

b

•:

Aa1

.i

S1

&

Ap2

"p1

A

S2

1

A^~

v,A

A a

^

A 0

e

Di

(d)

S

VI

Abb. 10.4: a-d) Mittragende Langen und Flachen an Abzweigstucken und benachbarten Abzweigen; e) Abzweig mit Verstarkung [10.3] Die Vergleichsspannung am Abzweig nach der Schubspannungshypothese (8.72a) ist demnach mit (10.1b): Ap ( 1 --•P.\

Ap

= pr

1

- + — <(j,ui [N/mm^]

(10.4)

Nach Abb. 10.4a ist am senkrechten Abzweig die Belastungsflache: (10.5a) und die Materialflache: (10.5b)

A^ =b-Sy,A + h • Sv,s + ^v,^ • Sy^s [mm^]

Setzt man diese Flachen in die Vergleichsspannung nach (10.4) ein, erhalt man nach Umformen:

^'•'''

^

^'

-+^ < a . .

[N/mm^]

(10.6)

2 ' SyJ Sv,A

Defmiert man nun einen VerschwMchungsfaktor fur senkrechte Abzweige:

VA=

^ ^ [-] b + Sy,s+-j + -i^ils+Sy,A)

(10.7)

310

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

so ergibt sich aus (10.6): Pr^i

Pi ^^

r^j,

+^
2

[N/mm']

(10.8)

und damit die rechnerische Wanddicke s^^ des Hauptrohres an senkrechten Abzweigen: -^

^^^

=^

{2'G,ul-Pi)'VA

[mm]

(10.9)

VA

VA Verschwachungsfaktor s. Abb. 10.6 [-] Die erforderliche Wanddicke SA des Hauptrohres an senkrechten Abzweigen erhalt man nach Kapitel 8.4 unter Berucksichtigung der Zuschlage cj fiir Fertigungstoleranzen und C2 fiir Abnutzung und Korrosion mit: SA = -^v.^ -\-C]+C2 [mm]

(10.10a)

Die erforderliche Wanddicke Ss des Abzweigrohres oder Stutzens ist entsprechend: Ss = Sv,s +C1+C2

[mm]

(10.10b)

5v rechnerische Wanddicke ohne Ausschnitt nach Kapitel 8.4 SA erforderliche Wanddicke des Hauptrohres Ss erforderliche Wanddicke des Abzweigrohres oder Stutzens An schragen Abzweigen ergeben sich die Vergleichsspannungen (10.4) und nach Abb. 10.4b fiir den Bereich / zu: CJv,/ = Pi '

'M^L" .A.I

2

[mm] [mm] [mm] entsprechend

(10.11a)

bzw. fur den Bereich / / zu: Apu 1 civ.// =Pi'\-f- + -\< a,„; [N/mm1

\Aii

(10.1 lb)

2)

Wenn zum Ausgleich der Verschwachung durch den Ausschnitt eine verschweiBte Verstarkung angebracht ist (s. Abb. 10.4e), muB die Tragfahigkeit des Verstarkerquerschnitts schon in (10.4) iiber emen Bewertungsfaktor/) nach Tabelle 10.1 berucksichtigt werden. Die Vergleichsspannung an verstarkten Abzweigen berechnet sich damit zu: Ap ^v.m=A-

fj AycT

— — — - — +

^+//-A.a

1 -

(10.12)

2

Bewertungsfaktor fur die Tragfahigkeit scheiben- oder rippenformiger Verstarkungen nach Tabelle 10.1 Verstarkungsflache

[-] [mm^]

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

311

Tabelle 10.1: Bewertungsfaktoren/y fur verschiedene Verstarkungen an Rohrabzweigen [nach 10.2] 1 1 1.

1 2.

1 3. 3.1

3.2 1

Bewertungsfaktor/7 II Voraussetzungen Ausfiihrungsform Ausschnitt mit scheibenformiger 1. Innentemperatur < 250°C Verstarkung 2. Scheibe am Grundkorper form0,7 schlussig angepaBt Ausschnitt mit scheibenformiger 1. Innentemperatur < 250°C Verstarkung und durchgesteck2. Scheibe am Grundkorper formtem, durchgeschweiBtem Abschlussig angepaBt zweig 3. durchgeschweiBt 4. Abzweiguberstand in das Hauptrohr: 0,8 a) >s,,s 0,7 b) <s.,s 1. durchgeschweiBt Y-formiger Abzweig 2. Syj< bsv <2 • 5v^ rippenformige Verstarkung, dop- 3.1 Sy^/bsv = 3 1,0 pelseitig verschweiBt (mit 4 0,9 SchweiBverstarkungsbreite bsv) 5 0,8 rippenformige Verstarkung, dop- 3.2 Syj/bsv = 3 0,9 pelseitig verschweiBt (mit Brei4 0,8 5 te bsv) 0,7 1

Abb. 10.5: Hosenrohr: a) geschmiedet; b) geschweifit [10.2] Fiir die gabel- oder y-formige Verzweigung (Hosenrohr), die nach Abb. 10.5 geschmiedet oder geschweiBt ausgefuhrt sein kann, ist noch zusatzlich ein Faktor fs in die Berechnung mit einzubeziehen, der die erhohte Beanspruchung im Bereich / (s. Abb. 10.5) berucksichtigt. Die Vergleichsspannung fiir y-formige Verzweigungen fur den Bereich // berechnet sich nach (10.1 lb), fiir den Bereich / lautet sie: ^v,I

=Pi'f55

'

V

Ai^2^

1

[N/mm^]

(10.13a)

bzw. fur verstarkte, y-formige Verzweigungen: ^v,I = Pi ' / 5i '

V A^i+frA,oi

2^

< a.

[N/mm^]

(10.13b)

312

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

fs

Bewertungsfaktor bei Hosenrohren: [-] /5=lfura>45° /j = 1 + 0,005 • (45° - a)mv da< 102 mm und 15° < c^< 45° ^pMai Flachen im Bereich /s. Abb. 10.5 [mm^] Benachbarte Ausschnitte oder Abzweige konnen wie Einzelausschnitte oder Abzweige berechnet werden, wenn fur den Abstand It nach Abb. 10.4d gilt: / , > f ^ + 5,.,yl + f ^

+ ^,.,,l + 2.^(A+^v.^)-^v.^

[mm]

(10.14)

[mm] It Abstand nach Abb. 10.4d Haben das Hauptrohr, das Abzweigrohr und die Verstarkung verschiedene Festigkeitskennwerte, und ist die zulassige Spannung des Grundkorpers die geringste, so ist diese mafigebend flir die Bemessung. Fur andere Falle wird auf die TRD 301 [10.2] verwiesen. Aus der Abb. 10.6 konnen die Verschwachungsfaktoren VA fiir senkrechte Abzweige in Abhangigkeit vom Verhaltnis dt/Dj der Durchmesser im Abzweig- und Hauptrohr und vom Verhaltnis S^^S/SV^A der rechnerischen Wanddicken am Hauptund Abzweigrohr ftir verschiedene Werte s^^Dt abgelesen werden; fiir kleinere Werte 5v,yA s. [10.4]. Der Verschwachungsfaktor an einfachen Ausschnitten ohne Abzweigrohr, wie z. B. Mannlochem, ftir die kein Wanddickenverhaltnis vorliegt, ist der unteren Kurve in den Abbildungen zu entnehmen. Ist die ausgefiihrte Wanddicke Se kleiner als die erforderliche SA, muB auf der Breite b nach (10.2), mindestens jedoch auf der Breite 3 -SA, die Wanddicke auf den Wert SA erhoht werden. Das Verhaltnis der rechnerischen Wanddicken im Haupt- und Abzweigrohr sollte den Wert Sy^s/sv,A = 0,5 nicht Uberschreiten. Ansonsten ist die Stutzenwanddicke ss im Bereich der mittragenden Lange Is zu erhohen. Es ist zu betonen, daB die Berechnung nach dem Flachenvergleichsverfahren das Verformungsverhalten und die Verformungsbehinderung im Verschneidungsbereich der verbundenen Zylinderschalen nicht beriicksichtigt. Das heiBt, es besteht die Gefahr, daB Spannungsspitzen (s. Abb. 10.7) unterschatzt werden, weshalb in den genannten Regelwerken der Anwendungsbereich der Berechnungsformebi emgegrenzt wu*d.

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen 1,0

w

1,0

vA

v

0,8

0,8

0,7

0,7

0,6

0,6

A

A

0,5

0,5

0,4

0,4

0,3

A

\^ \ \ \^ \ \ \; \\^ ,\ \ \ \ \ \ \ \; \\ \ \ \ \ \ \ \ \ s \ \^ \\ \ \ \ \ \ \\\ \

0,9

0,9

313

1w \v\vA

v,S v,A

V

2,0

A

W

xNi

1,6 1,4

\ \

A ^

0,3

1,8

1,2

^ti ^p^

1,0

0,8

0,2

0,2 l-p"

0,1

0,1 0

1,0

ww AA

\\\ \ \\ 0,9

t

A

0,8

di/Di —

0,5

1,0 1,0

\

\

\

\

s ,5 s

\

0,5

di/Di

\

\ \

A

v,S v,A 1,6

V\ \ \

0,8 \1,6

\1,4

\\ 0,7 1,2

1,4

\

0,5

1,0

\ 0,4

1,0 0,8

0,5

0,8 0,6

Di > 01,051

0,6

0,6 0,4

1 fürs j /

Di >

^ 0,4

0,1 1

0,2 < 0,1

0,4 0,3

c 0

Abb. 10.6:

0,6 0,4 0,2 <0,1

1,0

-

\ \ \ \\

vA

1,2

s j /

"^"^

w

0,9

0,6

[für

Cr^

n ni

b

41,8

\\^ \ \ \\ \ \\ \

0,7

,A

/

•

0,5

di/Di

•

^

^

1,0

0,2 < 0,1

0,3

d 0

0,5

di/Di —

1,0

Verschwachungsfaktoren VA fur senkrechte Abzweige in Abhangigkeit vom Durchmesserverhaltnis dj/Dj und dem Wanddickenverhaltnis Sy^s^Syj. a) Syj/Di > 0,005; b) s^j/Di > 0,01; c) ^^VA ^ 0,05; d) s^JDi > 0,1 [10.4]

314

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen 292

^Illfillifcr^'

.]____ 110 mm

..-rTTTTTTTI 11111 [TTTTriv.

1

268 mm

-156

^y

-121 ^^?7^C^

a =545

^^^^^^^ R = 103 mm " ^

L

1590 mm \\

a m =N/mm² 1 U'321 mm

-61

,

545

\ '-'^ - ' V ' \ \

""""^ \ ?^

'V\

\ .

I \

\\ ,---'

\

23 mmj

'-''''''

.^

\l

\\\

®/

/ / /

\\

-'t ^

I [23 mm~"^~----^y4mm

^

// J 123 mm

^~~^^-^^,^

^ /

/ / /

Abb. 10.7: Spannungsverteilung an einem Abzweigmodell [10.5] Zur analytischen Behandlung der Spannungsentwicklung an Verschneidungen wie in Abb. 10.7, die vor allem bei GroBrohren zu beachten ist, liegen z. B. Veroffentlichungen von ATROPS [10.6], MULLER [10.7] und IVIANG [10.8] vor. Die exakte Berechnung dieser Randstorerscheinungen ist bisher nicht moglich, so dal3 haufig Modellversuche und in jiingerer Zeit numerische Naherungsverfahren flir die Bemessung herangezogen werden (s. Kapitel 10.2.3). AuBerdem ist die Ausbildung der Versteifiingskonstruktionen sehr unterschiedlich, so daB aus diesen Grunden kein allgemeingultiges Berechnungsverfahren angegeben werden kann. 10.2.2

Uberschlagige Bemessung eines Hosenrohres

Als Beispiel fur eine uberschlagige Vordimensionierung mag hier die Verzweigung in der einfachen Form eines symmetrischen Hosenrohres dienen. Der Ubergang vom Haupt- zu den Verteilerrohren erfolgt Uber kegelstumpfformige Schalen (Ubergangskonusse). Zur Aufhahme der Verschneidungskrafte wird in der Durchdringungskurve von Haupt- und Verteilungsrohren ein Hufeisentrager (Zwickeltrager) angebracht, der durch einen Giirteltrager gehalten wird (s. Abb. 10.2a). Aus Untersuchungen an ausgefuhrten Hosenrohren wurde als ein iibliches Verhaltnis von Hauptrohrdurchmesser zu Verteilrohrdurchmesser 1,5 : 1 ermittelt. Der Spreizwinkel pj + P2 (beim symmetrischen Hosenrohr 2 • p) bewegt sich zwi-

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

315

schen 40° und 70°, wobei 45° am gebrauchlichsten sind. Der Konusoffiiungswinkel 2aliegt gewohnlicherweise zwischen 4° und 30°. Nach ATROPS [10.6] laBt sich fur die Ermittlung der Verschneidungslinien die Geometrie eines derartigen Hosenrohres gemaB Abb. 10.8 darstellen.

Abb. 10.8: Symmetrisches Hosenrohr (Geometrie) Die geometrischen Abmessungen des Hosenrohres werden so gewahlt, daB die Verschneidungslinie zwischen Ubergangskonus und Hauptrohr eine Ellipse mit den Halbachsen GR und bR bildet. Zwischen den LFbergangskonussen ergibt sich zwangslaufig eine Ellipse als Verschneidungslinie mit den Halbachsen an und bn. Die Ermittlung der Halbachsen GH, bn, CIR und bR der Verschneidungsellipsen erfolgt nach ATROPS [10.6]: Do UM-

^

b u - Do

cos a-sin?) ^ ^ [m] cos^ a - cos^ P sin^

[m]

(10.15a)

(10.15b)

yjcos^ a - cos^ P - ^

[m]

(10.15c)

sin A h

^0

[m]

(10.15d)

316

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

mit ^^^^^co^o + c o ^

[.]

(10.16)

Qj/bi Halbachsen der Verschneidungsellipsen [m] Do Durchmesser des Hauptrohres [m] X Winkel zwischen der Halbachse QR und der Hauptrohrachse [°] Die Lange L in Abb. 10.8 als Abstand zwischen dem Schnittpunkt S der Verteilrohrachse mit der Hauptrohrachse und der Spitze C/ des dem Ubergangskonus zugeordneten Kegels ergibt sich zu: J _E>o { cosa-sinX 2 ysina-siny

sina 1-\-cos a - cos ^

[m]

(10.17)

L /

Lange zwischen S und C/, s. Abb. 10.8 [m] Winkel zwischen der Halbachse der VerschneidungselHpse und der Achse des Verteilerrohres: r = ISO""-p-X,s. Abb. 10.8 [^] Vereinfachend wird nun die Belastung des Zwickeltragers anhand der Abb. 10.8 hergeleitet. Das Hosenrohr steht unter dem Iimendruck pt. Es wird angenommen, daB der auf die Flache F (Dreieck ASE) wirkende Druck/?, durch den Zwickeltrager aufgenommen werden muB. Die Abmessungen des Dreiecks ASE errechnen sich wie folgt: c = —-^ ~- [m] sm\a-\-\!>)

(10.18a)

a = C'sm\^ [m]

(10.18b)

b = yjc'-a'

(10.18c)

a/b/c

[m]

Abmessungen des Dreiecks ASE nach Abb. 10.8

[m]

Damit ist die Gesamtkraft ZP auf den Zwickeltrager: ^ / > = 2-P, = 2 - ( ^ a f e - / ? , )

[kN]

(10.19a)

bzw. beim asymmetrischen Hosenrohr entsprechend: ^P

= P,i+P,2

[kN]

(10.19b)

EP Gesamtkraft auf den Zwickeltrager [kN] Pv lotrechte Kraft auf die Flache F [kN] Pi Innendruck [kN/m^] Nach Aufteilung des halbierten Tragers in ein Einheitssystem und ein Nullsystem wird eine einfache Dreiecksbelastung fur den Nullzustand angesetzt. Die Bestimmung der Maxknahnoments erfolgt an der Projektion des gekriimmten Tragers (s. Abb. 10.9a+b).

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

317

,q,- x/L-r

Abb. 10.9:

Statische Systeme fiir die Berechnung des Maximalmoments am Zwickeltrager: a) Einheitszustand; b) Nullzustand; c) statisches System zur Berechnung des Momentenverlaufs im Zwickeltrager

Das Maximalmoment im statisch bestimmten Grundsystem (Nullzustand) im Schnitt x-x lautet:

Mo"'^=J]P-(^ + ^ . c ) [kNm] MJ"^ s

(10.20)

Maximalmoment im statisch bestimmten Grundsystem (Nullzustand) Abstand Schwerlinie Zwickeltrager ST bis Scheitel A der groBen Nahtellipse s. Abb. 10.9b

[kNm] [mm]

Fiir die Berechnung der Momentenverlaufe wird dagegen der gekrummte Zwikkeltrager langs der Schwerachse abgewickelt und vereinfachend am geraden Kragtrager gerechnet (s. Abb. 10.9c). Der Momentenverlauf am geraden Kragtrager im Nullzustand ist bekanntlich: X

M,=

\ X

X

qr

6

[kNm]

(10.21)

LT

und das Einspannmoment fiir den dargestellten Kragtrager lautet: MEinsp =

Mx ^Einsp qi LT

qi'

Lr'

[kNm]

(10.22)

Momentenverlauf am geraden Kragtrager (Nullzustand) Einspannmoment am geraden Kragtrager Last Lange der Tragerschwerachse des Kragtragers

[kNm] [kNm] [kN/m] [m]

Das Einspannmoment MEimp entspricht hier nun dem Maximahnoment MQ^^, woraus sich mit (10.21) und (10.22) der Momentenverlauf im Zwickeltrager ergibt zu:

6'M, Einsp M, =-

4

•MT 6-LT

•—

[kNm]

(10.23)

LT

Mit dem aus der Statik bekannten Verfahren iiber das Moment im Einheitszustand und der virtuellen Kraft „ 1 " erhalt man die statisch Unbestimmte JG, deren Angriffspunkt am AnschluB Zwickeltrager-Ringtrager liegt, zu:

318

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

X . = - - ^

[kN]

(10.24)

Damit folgen das tatsachliche Moment Ms und die Normalkraft Ns im Scheitel, also im Schnitt x-x\ Ms=Mr-Xa'{s

Ns=Y^P-Xa

+ c)

[kNm]

[kN]

(10.25a)

(10.25b)

und die Spannung max CTSJ am Innenrand des Scheitelquerschnittes bei vereinfachender Annahme eines annahemd linearen Spannungsverlaufs: maxQsi=—

As Xa Ms Ns <Js,i As W r^/r,

10.2.3

+ — '—

[N/mm^]

(10.26)

w n

statisch Unbestimmte [kN] Moment im Scheitel im Schnittx-x [kNm] Normalkraft im Scheitel im Schnitt x-x [kN] Spannung am Innenrand des Scheitelquerschnittes [N/mm^] Scheitelquerschnitt des Zwickeltragers im Schnitt x-x [mm^] Flachenwiderstandsmoment: W= b • h^/6 [mm^] Krummungsradien Schwerachse - Trager/Schnittellipse im Scheitelbereich s. Abb. 10.8 [mm] Spannungsermittlung mit der Finite-Element-Methode

Als derzeit am besten geeignetes Hilfsmittel zur theoretischen Ermittlung der Spannungsverteilungen an komplizierten dreidimensionalen Bauteilen wie den behandelten Abzweigen hat sich die Finite-Element-Methode (FEM) erwiesen. Diese benotigt allerdings eine leistungsfahige Rechenanlage und einen hohen Arbeitsaufwand fur die erforderliche Netzgenerierung, so daB eine Anwendung bisher auf den Einzelfall beschrankt ist. Die FEM beruht auf der Unterteilung eines zu berechnenden - im vorliegenden Falle - Rohrabschnittes in Elemente endlicher GroBe, die durch Knotenpunkte miteinander verkntipft sind (s. Abb. 10.14b+c). Die prinzipielle Annahme des Berechnungsverfahrens ist, daB sich durch die Knotenverschiebungen die Verschiebungen innerhalb des Elements, und damit auch die zugehorigen Spannungen, mit huireichender Genauigkeit durch einen Interpolationsansatz annahem lassen. Kempunkte dieser numerischen Methode sind damit die Wahl von geeigneten Elementtypen, Elementanordnungen in einem Netz und Interpolationsfunktionen, wie dies beispielsweise in [10.9] und [10.10] dargestellt wird. 10.2.3.1 Die funf Schritte der Finite-Element-Methode Der Losungsweg der FEM soil im folgenden in fiinf Schritten dargestellt werden (s. z. B. [10.11]). Die funf Schritte entsprechen denjenigen des VerschiebungsgroBenverfahrens, wodurch diese Darstellungsweise der FEM fur Anwender mit statischen Vorkenntnissen recht anschaulich wh*d. Die Schritte werden der besseren Verstandlichkeit wegen an einem System mit diskreten Elementen aufgezeigt.

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

319

1. Schritt Das System (oder Kontinuum) wird in Einzelelemente eingeteilt und dabei auch die Lage der Knoten festgelegt. Die Elemente werden aus dem vereinfachend als eben angenommen Gesamtsystem herausgelost und an jedem Knoten k die unbekannten Knotenverschiebungen {v}^ mit den Komponenten w^ und Uk sowie die Knotenverdrehungen cpk angebracht. Diese werden durch die Einfiihrung eines Koordinatensystems definiert. Der Gesamtverschiebungsvektor mit alien Einzelknotenverschiebungen lautet {v}. Abb. 10.10 zeigt ein typisches diskretes System, das aus vier Elementen gebildet wird, wobei diese in den Knotenpunkten gelenkig miteinander verbunden sind und hier die Knotenverdrehungen nicht behindert sind. Die Elemente werden durch Elementkennzahlen e = 1, 2,... n unterschieden. 1^

^4 \

Abb. 10.10: a) Gesamtsystem und b) herausgeschnittenes Element mit unbekannten Knotenverschiebungen und Kraften 2. Schritt Die freigeschnittenen, noch unbekannten Knotenkrafte (Festhaltekrafte) und Knotenverschiebungen werden angebracht (siehe Abb. 10.10b). Ftir den Knoten k des Elements e ergeben sich fiir das in Abb. 10.11 gegebene Beispiel mit gelenkiger Lagerung. W: bZW. W:

||;;;iUi;;||w,bzw.w,

U: bZW. U;

i'2S g ^

Knotenverschiebung {v}, (Komponenten ujw^ Knotenkraft {F}, (Komponenten UJWd

=p i — •

2.' 21

EA

Uj „^ bzw. , ^ ,Uj

Knotenverschiebung {v}y (Komponenten ujwj) Knotenkraft {F}j (Komponenten UjIWj)

Abb. 10.11: Knotenkrafte und -verschiebungen an einem Stabelement

Die Knotenkrafte beim gelenkigen Einzelknoten lauten:

{^i:

m

(10.27a)

[W\

und die dazugehorigen Knotenverschiebungen:

{v}.

(10.27b)

Die Anzahl der vorhandenen Kraft- und Verschiebungskomponenten stimmt Uberein, die Knotenverschiebung ist nur mit k und nicht mit e indiziert, weil aus

320

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

Grunden der Kompatibilitat die in diesen Knoten anschlieBenden Nachbarelemente die gleiche, noch unbekannte Knotenverschiebung mitmachen. Bei starrer Verbindung der Elemente mtiBten noch das freigeschnittene Biegemoment M und die unbekannte Verdrehung (p des Knotens hinzugenommen werden: w bzw. W:

iR

ui bzw. Ui — h > I Mi bzw. (pi

|Ri

p

R21 21

1 I H - ^ u j bzw. b; U.

I

i [^

w^ bzw. Wj

L

-Hj

Knotenverschiebung {v}i Knotendrehung cpi Knotenkraft {V}i Knotenmoment M

Mjbzw.cpj Knotenverschiebung {v}j Knotendrehungc}j Knotenkraft {V]j Knotenmoment Mj

Abb. 10.12: Knotenkrafte und -verformungen an einem Balkenelement Die Knotenkrafte beim starren Einzelknoten lauten: (10.28a)

{^K und die dazugehorigen KnotenverschiebungenZ-verdrehung:

(10.28b)

[A q>

Im Falle raumlicher Systeme wtirden zusatzlich noch entsprechende Kraft- und Verschiebungskomponenten ftir die dritte Koordinatenrichtung hinzukommen. Die Kraftvektoren F / und die Verschiebungsvektoren v / aller zu einem Element gehorenden Knoten werden zu „Gesamtvektoren" zusammengefaBt, wobei /, j , . . . m die Knotenpunktnumerierung bezeichnen. Der Gesamtkraftvektor des Gesamtelements e lautet dann:

in (10.29a)

{FY = y

in

und der entsprechende Gesamtverschiebungsvektor:

{-r

(10.29b)

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

321

Die eingezeichneten Festhaltekrafte hindem die Knoten an einer Verschiebung bzw. Verdrehung und setzen sich aus verschiedenen Anteilen zusammen. Die im sogenannten „Nullzustand" zunachst aus den auBeren Belastungen entstehenden Festhaltekrafte {F}^ an den Knoten bestehen aus drei Anteilen und werden folgendermaBen berechnet:

{^}:={^}>{^}>{^}:.

(10.30)

Der erste Vektor auf der rechten Gleichungsseite {F}^ enthalt die Reaktionskrafte aus Einzelkraften, die du*ekt am Knoten angreifen, das heiBt diese angreifenden Einzelkrafte mit umgekehrtem Vorzeichen. Der zweite Vektor {FY steht fiir die Reaktionskrafte an den gehaltenen Knoten, die aus verteilten Lasten, z. B. Eigengewicht, herrtihren. {F}1^ schlieBlich bezeichnet den Vektor der Reaktionskrafte, die eine Verschiebung der Knoten aus Temperatureinfltissen, Kriechen oder Schwinden verhindem. Die Spannungen im Element ftir diesen Zustand setzen sich nur aus zwei Anteilen zusammen:

M:=M>{<«

(I«-31)

Dabei sind {cr}' die Spannungen aus den verteilten Lasten, {<j}'^ die Spannungen aus Temperatureinfltissen, Kriechen, Schwinden, Kristallwachstum o. a. im gehaltenen Zustand (eingepragte Verzerrungen). Aus den direkt im festgehaltenen Knoten angreifenden Kraften R entsteht keine Spannung. Die Spannungsanteile aus diesen Kraften kommen erst bei der Berucksichtigung der behinderten Verformung zum Tragen (s. 5. Schritt). {a}' wird so gut wie immer vemachlassigt, zumindest jedoch in mehr als eindimensionalen Elementen, da die aus verteilten Lasten entstehenden Krafte direkt in den Knoten angesetzt werden. Die bestimmenden Spannungsanteile ergeben sich somit aus behinderter Temperaturdehnung und behinderter Verft)rmung. 3. Schritt Die Festhaltekrafte {F}^ im Nullzustand nach (10.30) befinden sich nicht im Gleichgewicht, und die momentan fi-eigeschnittenen Knoten sind tatsachlich im Gesamttragwerk verankert und werden somit noch zusatzlich durch Festhaltekrafte {F}^ aus behinderter Verft)rmung belastet. Deshalb werden nun im dritten Schritt zunachst die Steifigkeitsmatrix [S\ und damit die Knotenkrafte infolge von Einheitsauslenkungen (Steifigkeiten) bestimmt. Eine Spalte der Steifigkeitsmatrix [S] gibt dabei die Komponenten der Festhaltekrafte aller Knoten an, die ftir die Einheitsauslenkung eines Freiheitsgrades an einem Knoten entstehen wiirden. Diese Krafte werden als Steifigkeiten bezeichnet (s. a. Abb. 10.13). Da dies nur die Elemente betrifft, die sich an diesem Knoten treffen, verschwinden viele Komponenten der Steifigkeitsmatrix, z. B. hat eine Einheitsvertikalverschiebung W3=\ des Knotens 3 in Abb. 10.10 keine direkten

322

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

Auswirkungen auf die Elemente 2 und 4, wohl aber auf die Elemente 1 und i. Es werden deshalb iiblicherweise Matrizen [5]^ fur jedes Element einzeln aufgestellt. Am einfachen, aus der Statik bekannten Beispiel des beiderseits starr eingespannten Balkenelementes mit konstanter Steifigkeit - dies entspricht dem Balken aus Abb. 10.12 ohne Langsverschiebung und Langskrafte W/ bzw. Ui und Uj bzw. Uj - soil die analytische Ermittlung von Knotenkraften und Steifigkeitsmatrizen dargestellt werden. Dabei wird fur die Multiplikation von Matrizen mit Vektoren die folgende Darstellung verwendet: an

aj2

Qjs

ai4

Vy

an • Vy + ai2 • V2 + ais • V5 + a^ • v^

a2i

Cl22

Cl23

CI24

V2

a2l ' Vy + a22 ' V2 + a23 ' V3 + CI24 ' ^4

^32

CI33

a34

CI43

CI44 _

MW = asi Cl41

Cl42

•<

>— J

Vi

CI31' Vy + a32' V2 + a33' V3 + a34 • V4

.^^,

a4j • V; + a42 • V2 + a43 • Vi + a44 'V4

Die Steifigkeitsmatrix des Elements setzt sich aus Momenten- und Querkraftanteilen der Festhaltekrafte infolge Einheitsverschiebung und Verdrehung der Auflager des beiderseits fest eingespannten Balkens zusammen. Fur die Einheitsverschiebung Wj am Knoten / ergeben sich diese Festhaltekrafte gemaB Abb. 10.13; fiir andere Einheitsverschiebungen und -verdrehungen sind diese Werte vertafelt (z. B. im Betonkalender).

Abb. 10.13: Knotenkrafte und -momente am beidseitig eingespannten Balkenelement fiir die Einheitsverschiebung Wj Da die Steifigkeiten, die in der Steifigkeitsmatrix [S]^ angegeben sind, die Krafte infolge von Emheitsverschiebungen Wk = I angeben, mtissen diese demnach mit den tatsachlichen Verschiebungskomponenten multipliziert werden, um die Komponenten der Knotenkrafte am Element e inft)lge Knotenverschiebungen zu erhalten:

{p}>M-{-y

(10.32)

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

323

Die Komponenten der Knotenkrafte am Element e infolge Knotenverschiebungen und -verdrehungen sind also nach (10.32): \WA

{pl =

\M\

EI "

L' '

\M,\ EI

12

-6'L

12

-6'L

-6'L

4'L'

6'L

2'L'

%

12

6'L

12

6'L

WJ

-6'L

2'L'

6'L

4'L'

{ 12-Wj

-6'L'i^i

12'Wj

\-6'L'Wi

4'L^ '^>i 6'Lwj

12'Wj

6'L'i^i

12'Wj

\-6'L'Wi

2'L^'%

6'L'Wj

L' '

Wi

.^J.

(10.33)

-6'L-(pj 2 1^- (py 6'L'(^j 4-1

2 ^

"^J.

Im Nullzustand ergeben sich die Komponenten der Knotenkrafte am Element e infolge direkt an den Knoten angreifender Einzelkrafte zu:

^-f

0

0

0

ra =0 -\Ri\^< 0

-1

\-N

(10.34)

0

sowie infolge Gleichstreckenlast zu: ' -1 ^

K

P'L

(10.35)

und die Komponenten der Knotenkrafte am Element e infolge Kriimmung aus Temperatureinflilssen, AT= To- Tu(Beispielflir eingepragte Verformungen) zu:

{^lo =

EI

-a'AT

(10.36)

Damit erhalt man den tiber (10.32) hinausgehenden, zusatzlichen Anteil der Festhaltekrafte an den Knoten, namlich den far den Nullzustand, der mit (10.30) bereits im 2. Schritt definiert wurde. Die zwei Anteile {F}^ aus dem Nullzustand und {F}^ aus den behinderten Knotenverschiebungen werden spater im 4. Schritt ins Gleichgewicht zu setzen sein. Die Elementsteifigkeitsmatrizen [SY werden weitergehend zur Gesamtsteifigkeitsmatrix [S\ zusammenaddiert; ein Beispiel ist im 4. Schritt enthalten.

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

324

4. Schritt Wie schon erwahnt, befinden sich die Festhaltekrafte {F}o aus dem Nullzustand allein nicht im Gleichgewicht und das System verformt sich. Die Verformungen an den Knoten stellen sich aber so ein, daB die Festhaltekrafte {F}vaus den Knotenverschiebungen und die Festhaltekrafte {F}o (s. (10.30)) aus dem Nullzustand im Gleichgewicht stehen und an jedem Knoten die Kraftebilanz ausgeglichen ist. Die Bedingungsgleichung ftir die Einhaltung des Gleichgewichts lautet:

{^l+{^l=[5]-{v} + {FL + {F}^+{ft={0} m

m

mit [S]= YIS]

, {v} = £{v}^

e=l

(10.37)

m

und {Fl

e=l

= Y,{F}:

.

e=l

Damit liegt nun eine Gleichung zur Bestimmung der bis dahin unbekannten Knotenverschiebungen vor. Im ft)lgenden wird anhand des Tragwerks aus Abb. 10.10 aufgezeigt, wie die Addition der Elementsteifigkeitsmatrizen oder Submatrizen [S\^ TAX einer Gesamtsteifigkeitsmatrix oder globalen Matrix {S\ vorgenommen wird: Elementsteifigkeitsmatrizen bzw. Knotenkrafte derjenigen Elemente e, die sich am Knoten k treffen, iiberlagem sich. Jede Zeile beinhaltet die Gleichgewichtsbedingungen am Knoten k in einer Richtung, in gleichen Spalten sind die Knotenkraftanteile eines Elements entsprechend ihrem Platz im Gesamtsystem zu finden. Die Koeffizienten der Elementsteifigkeitsmatrizen [S\^ sind in der globalen Matrix jeweils durch Kreuze gekennzeichnet. Die Spalten der Matrix beinhalten Festhaltekrafte Uk oder Wj, an alien Knoten ftir eine bestimmte Einheitsverschiebung (z. B. bedeutet U2 eine Verschiebung 1 in vertikaler Richtung am Knoten 2) die Zeilen beinhalten Festhaltekrafte an einem bestimmten Knoten (z. B. Us) fur Einheitsverschiebungen Uk und w^ an alien Knoten.

i^-l

Knoten 1 2

3

X

X

X

X

X

X

[s-!

4

5

\.s1

\s-!

6

\

^

\

\

^

\

\

^ \

\

^

\

——————r\——————r\——————r\——————^i X

I

X

Knoten 2

X

Knoten 31 X

Knoten 5 Knoten 6

^

\

\

A'

Knoten J\

Knoten 4\

\

X

X

X

X

X

X

\

X

X

^

X

X

X

X

\

X

X

X

X

X

X

H K H w =M-{v} = K

^

\

^

X

\

^

i \

X J

\

\

I

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

325

Da im System 6 Knoten mit jeweils 2 Freiheitsgraden vorliegen (Verschiebungen Uk und Wk) und zugeordnet 12 Krafte definiert werden, erhalt man eine 12 X 12-Steifigkeitsmatrix, in der allerdings viele Komponenten zu null werden. Beispielsweise erzeugen fur das Element 2 nur die Einheitsverschiebungen u und w an den Knoten 2 und 4 Festhaltekrafte U und W , die Steifigkeiten, was sich in der Elementsteifigkeitsmatrix [S]^ auBert. Die Gleichung (10.37) zu losen, macht den Hauptanteil der Rechenzeit aus. Dabei sind die schwache Besetzung der Matrix und die Bandstruktur von groBer Bedeutung. Durch ungtinstige Wahl der Element- und Knotennumerierung - dies entspricht einem Vertauschen von Zeilen und Spalten - kann die Bandstruktur zerstort, durch geeignete Wahl der Durchnumerierung verbessert, d. h. die Bandbreite bezogen auf die Hauptdiagonale minimiert werden. Es ist deshalb wichtig, durch eine geeignete Numerierung der Knoten und Elemente die Bandbreite der Steifigkeitsmatrix klein zu halten. Viele Computerprogramme verfugen Uber ein Unterprogramm, das die Knoten entsprechend umnumeriert. Als Ergebnis aus dem 4. Schritt erhalt man alle Knotenverschiebungen Uk und Wk, also den Verschiebungsvektor {v}. Die Vorgehensweise bei nichtdiskreten Elementen ist prinzipiell dieselbe, wobei die Steifigkeitsmatrizen und Knotenpunktverschiebungen anhand des Prinzips der virtuellen Krafte hergeleitet werden konnen. Durch geeignete Verschiebungsftinktionen muB auf die Verformungen im Element ubergegangen werden. Diese Funktionen werden, wie schon erwahnt, auch als Literpolationsfimktionen bezeichnet und sind wie der gewahlte Elementtyp, von dem sie abhangig sind, entscheidend fur die GUte der Berechnungsergebnisse. Auf Elementtypen und Verschiebungsfiinktionen wird in der entsprechenden Fachliteratur eingehend eingegangen 5. Schritt SchlieBlich werden die Spannungen in den Elementen ermittelt. Dazu werden die Spannungen aus den Knotenpunktverschiebungen und die Spannungen aus dem zweiten Schritt addiert (s. (10.31)):

{^}=H„-M+M,+We,,

(10.38)

Die Spannungsmatrix [(T]„, entsprechend der Steifigkeitsmatrix ftir die Knotenkrafte, gibt in den Spalten die Spannungen in alien Elementen an, wenn ein bestimmter Freiheitsgrad - im ebenen System w, v oder ^ - eine Einheitsauslenkung erfahrt und die anderen Freiheitsgrade festgehalten werden. Die Bestimmung dieser Spannungsmatrix [o-]„, die sich wiederum aus den einzelnen Elementspannungsmatrizen [GJ zusammensetzt, ist abhangig vom gewahlten Elementtyp und den zugeordneten Elementverformungen. Mit den aufgezeigten funf Schritten ist die prinzipielle Vorgehensweise der FEM erklart.

326

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

10.2.3.2 Ermittlung von Verschiebungen, Verzerrungen und Spannungen Verschiebungen Nach den zuvor beschriebenen Schritten 1 bis 4 sind lediglich die Verschiebungen der Elementknoten /, 7,.- bekannt. Um aber Dehnungen und nachfolgend Spannungen in den Elementen bestimmen zu konnen, ist es zunachst notwendig, die Elementverschiebungen zu ermittebi. Der allgemeine Verformungszustand im Innem eines Elements wird dabei beschrieben durch einen Verschiebungsvektor (abhangig von der Position x, y und z im Element): fu (10.39)

\-^)(x,y,z) (x.7.z)

dabei sindfu.fw und y^ die Verschiebungskomponenten eines beliebigen Punktes (x, y, z) im Element in Richtung der Koordinatenachsen. In vielen Fallen interessieren nur eine oder zwei Verschiebungskomponenten (z. B. Durchbiegung/^bei Flatten, Verschiebungen/, und/, bei Scheiben), in diesen Fallen ist der Vektor entsprechend zu reduzieren. Im Folgenden werden zur besseren Ubersichtlichkeit nur zweidimensionale Scheibenelemente betrachtet. Die Verschiebungen/, u n d / , werden im Bereich eines Elements durch vorgegebene Funktionen approximiert, welche die Verschiebungen in den Elementknotenpunkten als Sttitzwerte, d. h. Knotenparameter, verwenden. Ftir den Verformungszustand des Elements e wird folgender Ansatz getroffen:

{/};.)=[^r{vr^[^]:^[^]^--^^

"w; H

(10.40)

{v}. Das heiBt, jedem Knotenverschiebungsvektor {v}k wird eine Formfunktionsmatrix [N]1 zugeordnet, die mit (x, y) veranderlich ist und angibt, welchen Anteil die Knotenpunktverschiebung {v}k an der Verschiebung {/}(x,y) eines beliebigen Punktes (x, y) im Element e hat. Die in der Formfunktionsmatrix enthaltenen Einheitsformflinktionen «| sind geeignet zu wahlen, wobei die Auswahl dieser Formfiinktionen eine der wichtigsten Komponenten bei FE-Berechnungen darstellt. Ausftihrlichere Erlauterungen wiirden hier zu weit fuhren, so daB auf die Fachliteratur verwiesen wird. Die Formftmktionen geben an, welche Verschiebung ein Punkt (x, y) im Element e erfahrt, wenn am Knoten k Einheitsverschiebungen bzw. -verdrehungen aufgebracht werden. Da {/}! X an den Knotenpunkten die StUtzwerte annehmen soil, muB z. B. ftir die Matrix [NJ. am Punkt / gelten:

[Nlix.,y,) = [EM]

(10.41)

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

327

mit der Einheitsmatrix in der Ebene: [EM]--

~1 0^ 0 1

(10.42)

Dies ergibt sich aus der Bedingung, dai3 im Knoten /, also an der Stelle (x,, yi), die sich aus den Formfunktionen ergebende Verschiebung genau der Knotenverschiebung entsprechen muB. Damit gilt aber auch folgerichtig, da6 die Matrix [A^]^ keine Anteile an der Verschiebung in den anderen Knotenpunkten j und m hat, und damit ergibt sich: [Nl\xj,yj) = [Nl{x^^y^) = 0

(10.43)

Die Verschiebungen {/}! . im Inneren des Scheibenelements konnen also in allgemeiner, standardisierter Form dargestellt werden tiber die Formfunktionen nl, Einheitsmatrizen [EM\ und Verschiebungen an den Knotenpunkten des Elements {v}^ sowie mit den skalaren Funktionen nl = nl '{x,y) :

{fY =

fu'{x,y)

= Mi^y = [«? i^^l^J \EM\nl [EM]\{vY

fw\x>y)

Verzerrungen Um iiber die Verschiebungen m einem Element zu den Spannungen zu gelangen, sind zunachst die Verzerrungen zu ermitteln. Unter Verzerrungen sind dabei innere Formandenmgen allgemeiner Art zu verstehen, die sich aus Dehnimgs- und Schubverzerrungsanteilen (z. B. auch Kriimmungen bei einem Plattenproblem) zusammensetzen. Die Dehnung s ist definiert als die Langenanderung einer Strecke in Koordinatenrichtung bei der Verschiebung {v}, also: e,=dfjdx

(10.44a)

Sy=dfjdy

(10.44b)

Die Schubverzerrung stellt die Winkelanderung dar, und deren Gleichung lautet: dfu_^df^ dy dX

(10.45)

Die drei Komponenten der Verzerrung sind allerdings nicht unabhangig von einander, sondem sie miissen folgender Kompatibilitatsbedingung geniigen: d' 8^

d' Sy

d' Y^

d y^

d x^

d X'd y

(10.46)

Anhand der Beziehung (10.40), welche die Verschiebimgen/mit Hilfe von Einheitsformfunktionen nl und daraus gebildeten Formfunktionsmatrizen [iv]^ angab, lassen sich auch die Verzerrungen nach Einfiihrung einer Matrix [H\ folgendermaBen darstellen:

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

328

(10.47) mit der Matrix der Ableitungen (der Formfiinktionen)

[Hj=mNj

(10.48)

Spannungen Nach den vorangegangenen Schritten sind die Verzerrungen an jedem Punkt des betrachteten Elements bekannt. Fiir homogenes, isotropes und, elastisches Material stellt das Hookesche Gesetz die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung her: (10.49) a = sE Wird es auf den vorliegenden Fall angewendet, ergibt sich:

{-r=[^r-(H^-H:)+{-u

(i«-5«)

wobei {s}^ Anfangsverzerrungen, z. B. durch Temperatureinfliisse, Schwmden usw., {cj}^ ^ vorhandene eingepragte Spannungen und [Ef die Elastizitatsmatrix des betrachteten Elements sind. Das erweiterte Hookesche Gesetz berticksichtigt die Querdehnung bei mehrachsialen Spannungszustanden:

_J_ _£ ^y

^yo ~ p'^x -yx,yo =

'^y

^•(^+<)

[ 4 = l-<'

1 < < 1

0 0

0 0

(hi)

(10.51)

2

Da die Verzerrungen an jeder Stelle (x, y) des betrachteten Scheibenelements nach (10.47) bekannt sind, erhalt man durch Einsetzen in (10.50) die Beziehung fur die Spannungen an einer beliebigen Stelle (x, y) im Scheibenelement e in Abhangigkeit von den Knotenpunktverschiebungen:

{oy =

= M-([Hj-{vY-{s}:y{a}l

(10.52)

Der Term [E\^ • [Hf stellt die Spannungen im Element bei Einheitsverschiebungen der Knotenpunkte dar und kann mit [G]^ bezeichnet werden:

H=m[Hj

(10.53)

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

329

Der Ausdruck [E]^ • {^}o stellt die Spannungen aus eingepragten Verzerrungen dar und wird durch {a}go ersetzt. Damit kann (10.52) auch geschrieben werden zu:

wr-wMvr^w>M:

(10.54)

Diese Gleichung beschreibt die drei Spannungsanteile aus behinderter Verschiebung, verteilten Lasten und eingepragten Verzerrungen fur ein Element und entspricht (10.33). 10.2.3.3 Umsetzung von Finite-Element-Berechnungen Als Ergebnis zahlreicher Spannungsuntersuchungen und Parameterstudien an senkrechten Abzweigen mittels der FEM lassen sich Spannungserhohungsfaktoren formulieren, die eine Moglichkeit zur schnellen Abschatzung der Spannungsspitzen in den Verschneidungsbereichen von Abzweigen bieten. Diese Faktoren setzen die maximalen Spannungen am tJbergang Hauptrohr-Nebenrohr in das Verhaltnis zu den Membran- oder Vergleichsspannungen im durch die Verzweigung unbeeinfluBten Bereich. WIEDEMANN [10.12] hat z. B. eine rechtwmklige Stutzen-Zylinder-Verbindung mit durchgeschweiBter Naht (s. Abb. 10.14a) mittels der FEM anhand des Programmpakets ADINA berechnet. Aufgrund der symmetrischen Verhaltnisse war es moglich, bei der Netzgenerierung lediglich einen 90-°-Sektor zu betrachten (s.Abb. 10.14b).

A

b)cp-90°

B Umfang -^

cp ^ 0°

Abb. 10.15 Vergleichsspannungsverlauf: a) im Langsschnitt innen und auBen; b) in Umfangsrichtung entlang der SchweiBnahtkanten und Stutzeninnenkante [10.12]

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

330

Es wurden zahlreiche Geometrien mit unterschiedlichen Kombinationen der Verhaltnisse mittlerer Stutzenradius zu mittlerer Zylinderradius r/R, Stutzenwanddicke zu Zylinderwanddicke SS/SA und mittlerer Zylinderradius zu Zylinderwanddicke R/SA untersucht. In den Abb. 10.15a+b sind die Verlaufe des Verhaltnisses o'v/(yv,max im Langsschnitt entlang der Innen- und AuBenseite sowie in Umfangsrichtung entlang der SchweiBnahtkanten und der Stutzeninnenkante fur ein Beispiel aufgezeichnet. Es zeigt sich, daB Spannungsspitzen im Langsschnitt ausgepragt an der Stutzeninnenkante und in Umfangsrichtung ebenfalls an der Stutzeninnenkante beim Winkel ^ = 0° auftreten. Die aus diesen Spannungsspitzen resultierenden Spannungserhohungsfaktoren sind fur unterschiedliche Geometrien aus den A b b . 10.16a+b abzulesen. Jedes Diagramm steht flir ein bestimmtes Verhaltnis R/SAAuf der Abszisse ist das Verhaltnis Stutzen- zu Zylinderdurchmesser abgetragen, auf der Ordinate die Spannungserhohung als Verhaltnis der maximalen Vergleichsspannung zur reinen Membranringspannung, d. h. S^=-

(10.55)

[-]

.R/ 'SA

SoSpannungserhohungsfaktor [-] (^v,max maximale Vergleichsspannung [N/mm^] R Zylinderdurchmesser [mm] SA Zylinderwanddicke [mm] Die durchgezogenen Kurven stehen fiir verschiedene Wanddickenverhaltnisse •ss^^A, wobei auch die Lage der Spitzenspannung flir die gerechneten Geometrien durch Symbole angegeben ist. A u s den gestrichelten Kurven konnen die Spannungserhohungsfaktoren bei Berechnung nach den T R D ermittelt werden. 1

1

1

s S /s A = 0,25

— Berechnung mit FEM nach AD-B9 bzw. TRD 3 01

10

Übergang außen, cp = 90° : 8

T"TI

•

r.o

Übergang innen, cp = 0 :

/

--

-

''^ y""

T 6

y

y'^

^-"" ^ ^^' :>^^;^

v, max

4

__. .^^-''

^v:vv;y:v::v:vs;;:;;

0,05

0,10

/

0,35 0,40 0,50 0,75

sS/sA= 0,25 0,50 1,00

€SB^

^ 1R/sA ^=100

0,30

1,00

s^^^

2

0

/

r/R—• 0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

Abb. 10.16a: Spannungserhohungsfaktoren fiir die Vergleichsspannung bei verschiedenen Verhaltnissen 7?/5^ [10.12]

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

331

— Berechnung mit FEM 6 Spannungsmaximum am Übergang außen, cp = 90° : Übergang innen, (p = 0° :

4

sS/sA = 0,25 0,30 0,50 0,75

'1

v, max

2

sS/sA = 0,25 0,50

^ 0

R/sA = 5\~ r/R—•

1

0,05

0

12

0,10

1

0,15

1

0,20

0,25

0,30

1

/

— Berechnung mit FEM nach AD-B9 bzw. TRD 3 01

0,40

0,45

0,50

-

0,50

/

8

0,40

^'

0,55

/

0,60 0,75

,/

v, max

y

4

0,60

/

/'

Übergang außen, cp = 90° : - --

0,55

/

0,35 /'sS/sA = 0,25 y

10 Übergang innen, cp = 0 :

0,35

1,00

^^^ ^ _ 2 ^R/sA

sS/sA = 0,25

= 20f

0,50 1,00

^mmmiS^SS^SS

r/R—• 0

0,05

0

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

1

0,50

1

0,50

0,55

0,60

1

— Berechnung mit FEM nach AD-B9 bzw. TRD 301

/ , sS/sA= 0,25/

0,75

Übergang außen, cp = 90° : - -Übergang innen, cp = 0 :

/

-

/ /

1,00

/

v, max

/

pi·R/sA 4

sS/sA= 0,25

/

/js-ss:

0,50 2

1,00

=s2SSS 0

0

0,05

0,10

T> / IV/SA 0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

1 nn iUU 0,50

r/R - ^ 0,55

0,60

Abb. 10.16b: Spannungserhohungsfaktoren fiir die Vergleichsspannung bei verschiedenen Verhaltnissen/^^-^ [10.12]

332

10 Rohrabzweige und Verteilrohrleitungen

Es ist ersichtlich, daB die Spannungserhohungsfaktoren mit groBer werdendem Stutzenradius stark anwachsen. Der Gradient dieser Zunahme hangt von dem Wanddickenverhaltnis SS/SA und dem Verhaltnis R/SA ab. AuBerdem wird deutlich, daB die nach den TRD berechneten Spannungen klar unterhalb der mittels der FEM angenaherten Spannungen liegen und kaum von den geometrischen Verhaltnissen abhangig sind. Dies ist nicht verwunderlich, da bei den herkommlichen Berechnungsverfahren von einer iiber den mittragenden Bereich gemittelten Spannung ausgegangen wird. 10.3

Literatur

[10.1] Verband der Technischen Uberwachungs-Vereine e. V. (Hrsg.): ADMerkblatter. Kobi, Berlin: Verlage Heymann und Beuth, 2003 [10.2] Technische Regel TRD 301 Oktober 1997. Zylinderschalen unter innerem Uberdruck. [10.3] Wagner, W.: Apparate- und Rohrleitungsbau - Festigkeitsberechnungen. 3. Auflage. Wiirzburg: Vogel-Buchverlag, 1989 [10.4] Verband der Technischen Uberwachungs-Vereine e. V. (Hrsg.): ADMerkblatt B9 - Ausschnitte in Zylindem, Kegehi und Kugebi. 1995 [10.5] Stradtmann: Stahbohr-Handbuch. 9. Aufl. Essen: Vulkan-Verlag, 1982 [10.6] Atrops, H.: Stahleme Druckrohrverzweigungen. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1963 [10.7] Muller, W.: Druckrohrleitungen neuzeitlicher Wasserkraftwerke. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1968 [10.8] Mang, F.: GuBrohre und Stahlbehalter - Festigkeits- und Konstruktionsprobleme. Baden-Baden: Verlag far angewandte Wissenschaften GmbH, 1971 [10.9] Knothe, K.; Wessels, H.: Finite Elemente. 2. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1992 [10.10] Zienkiewicz, O. C : Methode der finiten Elemente. 2. Auflage. MUnchen, Wien: Carl Hanser Verlag, 1984 [10.11] Ghali, A.; Neville, A. M.: Structural Analysis. 3. Auflage. London, New York: Chapman and Hall, 1989 [10.12] Wiedemann, G.Lohrer, F.; Strohmeier, K.: Spannungsanalyse von Stutzen-Zylinder-Verbindungen unter Innendruckbelastung. In: VGB Kraftwerkstechnik 67 (1987), Heft 12, Seite 1213-1219

333

11

Wasserschlosser und Schwallkammern

11.1

Anordnung

Bei Speicherkraftwerken liegen vielfach Talsperre und Krafthaus weit auseinander und weisen je nach Standort und Topographic groBe Hohenunterschiede auf. Demzufolge bestehen lange Triebwasserzufiihrungen, die sich aus bautechnischen, hydraulischen und okonomischen Grunden vielfach in ein offencs Gerinne (Tricbwasscrkanal) oder cine Niederdruckleitung (Stollen- oder Rohrlcitung) und cine Hochdrucklcitung (Falleitung, Druckschacht, Druckrohrlcitung) aufgHcdcm. Beim Ubcrgang von der flach gencigten Rohr- oder Stollenleitung zur stcilcn Hangrohrleitung oder zum stark gencigten bzw. senkrechten Druckschacht wird - von Ausnahmen abgesehen - ein WasserschloB angeordnet. hn Falle eincs am Hang entlang gefuhrten offenen Triebwasserkanales bildet in der Kegel ein Ausgleichsbecken den Ubcrgang zur Drucklcitung. Bei einem derartigen oberwasserseitigen WasserschloB handelt es sich im Prinzip um einen kunstlichen Speicher, der entweder als ein in die offene Landschaft hineinragender Turm (s. Abb. 11.1) oder als weitaus besscre, wenn auch teurere Losung ein an Steilhangen oder im Berginnem ausgefuhrtes WasserschloB ist (s. Abb. 11.2a). Einlauf

"^7

Damm

IW^

^ ^ j Wasserschloß

Verschlußorgane Turbine

Unterwasser

Verschlußorgane Abb. 11.1:

Freistehendes WasserschloB [11.1]

Unter Schwallkammern sind im Regelfalle auf der Unterwasserseite von Maschinenhausem angeordnete, unterirdische Wasserschlosser zu verstehen (s. Abb. 11.2b). Deren Notwendigkeit als Druckausgleichskammer erklart sich aus wechselnden Wasserstanden eines Flusses, in den der das Betriebswasser abfiihrende Unterwasserstollen einmtindet, oder aus einer groBeren Lange eines Unterwasserstollens, der primar als Freispiegelstollen dient, jedoch bei erheblichen Belastungsschwankungen auch als Druckstollen wirkt. Bei schwierigen Betriebsbedingungen kann es von Vorteil sein, ein WasserschloBsystem, bestehend aus je einem ober- und unterwasserseitigen WasserschloB, anzuordnen (s. Abb. 11.2). Der Name WasserschloB hat sich aus dem lateinischen Castellum entwickelt, worunter die Romer bei ihren Wasserversorgungssystemen Endbehalter oder Verteilerbauwerke verstanden haben. Einen weiteren Hinweis vermittelt das flir WasserschloB im Franzosischen geltende Fachwort Chateau d'eau.

334

11 Wasserschlosser und Schwallkammem Speicher

Wasserschloß 1 ^ 1 Max.

~ ^ ^ Einlauf

Verschlußorgane T. , . Turbine

Einlauf

Schwallkammer

Unterwasser

Druckrohrleitung/ \ Fallschacht ^ Unterwasser

(a)

(b

Abb. 11.2: WasserschloBsysteme: a) WasserschloB; b) Schwallkammer [11.1] 11.2

Aufgaben

Wasserschlosser und Schwallkammem begrenzen Druckschwankungen infolge Beschleunigung oder Verzogerung von stromendem Wasser in Rohr- und Stollenleitungen. Jeder Vorgang eines Anfahrens oder Abbremsens von hydraulischen Maschmen lost infolge der DurchfluBanderungen Druckwellen und damit DruckstoBe aus, deren GroBe von der Kurze der Zeit abhangt, die fiir das Offiien und SchlieBen der Regelorgane oder des Leitapparates von Propeller-, Kaplan- oder Francis-Turbinen maBgebend ist. Es treten sich in der Wellenlange deutlich unterscheidende Druckwellen auf. Kurzwellige Druckanderungen stellen sich als Folge der Kompressibilitat des Stromungsmediums (Wasser) und der Verformungsfahigkeit der Rohrwandung bzw. des StoUenmantels (Geometric, Materialeigenschaften) ein, wahrend langwellige Druckschwankungen auf die Massentragheit des Wassers zuriickzufiihren sind. Im ersten Fall spricht man von DruckstoBen (Frequenz im Sekunden/Minutenbereich), im zweiten Fall von Massenschwingungen (Stundenbereich). Die letztgenannten lassen sich durch Wasserschlosser dampfen, wahrend die kurzwelligen Druckwellen an der groBen Wassermasse im WasserschloB fast vollstandig oder teilweise reflektiert werden, wieder zur Storungsquelle zunicklaufen und dabei durch Druckwelleniiberlagerung gedampft werden. Prinzipiell lassen sich fiir eine derartige Druckausgleichskammer vier Aufgabengebiete defmieren, die nachfolgend beschrieben sind: 1. Hydraulische Trennung des Zuleitungsdruckstollens von der Falleitung; 2. Dampfung der DruckstoBentwicklung; 3. Verbesserung der Regelung; 4. Beschleunigter Ausgleich der Wassermengen. 11.2.1

Hydraulische Trennung des Zuleitungsdruckstollens von der Falleitung

Aus der Kurzbeschreibung zuvor leitet sich als wesentliche Aufgabe des Wasserschlosses im Idealfall das Auffangen des DruckstoBes aus der Triebwasserleitung und die Reflexion desselben ab. Dabei schirmt es die von der Talsperre kommende Niederdruckleitung vor den DruckstoBen ab, wodurch letztere meistens allein auf die Hochdruckleitung zwischen Turbine und WasserschloB beschrankt bleiben. Dieser Vorteil eines Wasserschlosses kann auch nicht durch noch so druck-

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

335

stoBmindemde Stellgesetze von Armaturen und Leitapparaten aufgewogen werden, da plotzHche, beispielsweise durch Netzausfall bedingte LastabwUrfe zu ebenso schlagartigen DurchfluBanderungen mit erheblichen dynamischen Drucksteigerungen fiihren. Hierauf gleichfalls die oberwasserseitige Niederdruckleitung zu bemessen, ware sehr unwirtschaftlich. Allerdings kann je nach Ausbildung des Wasserschlosses und der zugehorigen raumlichen Verbindung mit dem Druckstollen und der Druckrohrleitung, die als Ein- und Auslaufof&iung auch eine Drosselwirkung hat, nicht ausgeschlossen werden, daB am Kammerwasserspiegel des Wasserschlosses nur eine Teilreflexion der ankommenden DruckstoBwelle stattfindet. Der so verbleibende Restanteil an der DruckstoBwelle pflanzt sich in den Zuleitungsdruckstollen hinein fort und wird erst an dem groBen, aufgestauten Wasservolumen der Talsperre vollstandig reflektiert. 11.2.2

Dampfung der Druckstofientwicklung

Das SchlieBen von Armaturen und Turbinenleitapparaten verursacht den groBten DruckstoB dann, wenn der DurchfluB schlagartig unterbunden oder ebenso schlagartig freigegeben wird. Tatsachlich lauft selbst im Extremfall der SchlieB- bzw. Volloffiiungsvorgang binnen einiger Sekunden ab und lost eine durch die Falleitung bis zum WasserschloB hinauf mit hoher Geschwindigkeit eilende Druckwelle aus. Dort wird sie hochstenfalls total reflektiert und lauft mit umgekehrtem Vorzeichen bei gleich hoher Geschwindigkeit zum Ausgangspunkt zurUck. Wahrend des raschen SchlieBvorganges baut sich der DruckstoB noch weiter auf Er wird aber durch die Uberlagerung mit der zuriickkommenden Druckwelle (Interferenz), d. h. durch den negativen DruckstoB zum Teil kompensiert, so daB die Gesamtbeanspruchung des Druckrohres infolge dynamischen Druckes geringer wird. Je kurzer die Falleitung ist, je eher also die Druckwellen reflektiert werden, desto geringer fallt der integrierte DruckstoB zum Vorteil der Triebwasserleitung (Hangleitung, Druckschacht) und der Turbinen aus. 11.2.3

Verbesserung der Regelung

Mit der Dampfimg der DruckstoBwellen tritt eine hohere Stabilitat im Regelkreis ein, da der Turbinenregler den DurchfluB in Abhangigkeit von den Druckanderungen und vom Leistungsbedarf im elektrischen Versorgungsnetz steuert, wovon letzten Endes wiederum die Konstanz der Netzfrequenz abhangig ist. Mit der Zwischenschaltung eines Wasserschlosses in die gesamte Triebwasserleitung verktirzen sich der Weg und die Laufzeiten der zwischen Turbinen und Talsperre sich als Folge der DurchfluBanderungen einstellenden Druckwellen. Je schneller diese zum Abklingen gebracht werden, desto geringer werden damit auch die Frequenzabweichungen. Durch die Zwischenschaltung eines Wasserschlosses wird auch die Zeitspanne ta (s. Abschnitt 11.4.5.2) fur die Beschleunigung bzw. Verzogerung der Wassermassen in der Triebwasserleitung bei Anfahr- bzw. Abschaltvorgangen eingegrenzt. Dies wirkt sich ebenfalls stabilisierend auf die Regelung aus.

336

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

11.2.4

Beschleunigter Ausgleich der Wassermengen

Eine weitere wesentliche Aufgabe erfuUt das WasscrschloB mit der Bereitstellung von Wasser im Falle der Offiiung der Turbinen, ohne daB die Uberwindung der Massentragheit ruhender Wassermengen und langer Stromungswege zuviel Zeit in Anspruch nimmt, und es sogar je nach WasserdurchfluB zum AbreiBen und anschlieBend wieder Zusammenschlagen der Flussigkeitssaule mit gefahrlichen DruckstoBen kame. Es ist offensichtlich, daB die Beschleunigung des Wassers im nahezu horizontalen Zuleitungsdruckstollen wesentlich langsamer in Gang kommt, als jene in der steilen Falleitung. AuBerdem wurden bei fehlendem WasserschloB am ellenbogenformigen tJbergang vom Stollen zur Druckleitung erhebliche Diskontinuitaten im Stromungsablauf auftreten, die nicht nur die Gefahr ortlichen Unterdruckes heraufbeschworten, sondem auch die geniigende Wasserversorgung far den TurbinendurchfluB in Frage stellten. Auf die letztgenannte Anforderung ist das Wasservolumen des Wasserschlosses bei ausreichender Anfangsdruckhohe, d. h. Wasserspiegellage, auszurichten. Zusatzlich muB eine geniigende Wasseriiberdeckung an der AnschluBoffiiung von WasserschloB und Druckstollen bzw. Druckrohrleitung selbst bei tiefstem Abschwingen beachtet werden, damit ein Lufteintritt auf jeden Fall verhindert wird. 11.3

Typen und Bauweisen

Die nachfolgenden Darlegungen ftlr die Bauformen von Druckausgleichskammem beziehen sich sowohl auf Wasserschlosser oberwasserseitig des Krafthauses als auch auf die unterwasserseitig angeordneten Schwallkammem, sofem nicht ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal hervorzuheben ist. 11.3.1

Kriterien fur die Entwicklung verschiedener WasserschlolJformen

Die zuvor dargelegten Aufgaben eines Wasserschlosses: - hydraulische Trennung von Niederdruck- und Hochdruckleitungsabschnitten, - wu*kungsvolle Reflexion der Druckwellen, - Stabilitat im Regelungsbetrieb, d. h. keine Anfachung sondem eine schnelle und wirkungsvolle Dampfimg der Massenschwingungen, - Bereitstellung und Aufiiahme der beim Anfahren bzw. Abschalten bewegten Wassermassen, bis diese im Triebwasserleitungssystem beschleunigt bzw. verzogert sind, - Minimiemng des baulichen Aufwandes, flihrten zu unterschiedlichen Ausfuhmngen der Dmckausgleichskammem. Die moglichen Varianten erklaren sich aus der durch Topographic, Baugmnd, Typ der Wasserkraftanlage, Abstand und Hohenunterschied zwischen Speicher und Krafthaus, Schwingungsausschlage bewegter Wassermassen, Baudurchfuhmng etc. vorgegebenen Vielfalt der Randbedingungen am Standort der Wasserkraftanlage und ihrer Konzeption.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem 11.3.2

337

Bauliche Ausbildung

Nach der baulichen Ausbildung unterscheidet man: - WasserschloB-Hochbauten aus Beton oder Stahl, besonders wenn fur die Triebwasserfuhrung oberflachennahe Druckrohrleitungen verlegt sind; - Schacht-/Stollen-/Kavemenwasserschlosser, besonders in Verbindung mit unterirdischen Triebwasserstollen oder Druckschachten; - gemischte Bauweise im Falle einer nicht ausreichenden Gebirgsiiberdekkung, auch wenn zur Wasserableitung ein Uberfall vorgesehen ist. Hierbei kann das WasserschloB als kombiniertes Bauwerk aus freistehendem Turmbau und Felskaveme erstellt werden. 11.3.3

Typisierung nach der hydraulischen Funktionsweise

Die Haupttypen von Wasserschlossem in ihren haufig anzutreffenden Ausbildungsformen sind in Abb. 11.3 dargestellt, deren Unterscheidungsmerkmale hauptsachlich in der hydraulischen Wirkungsweise liegen. 11.3.3.1 Einfache Becken- bzw. Schachtwasserschlosser Die groBe Eintrittsoffhung von der Triebwasserleitung in die Schwallkammer bzw. in den Schwallschacht des Wasserschlosses erlaubt ein ungehindertes Hinund Herfluten der Wassermassen. Aufgrund der nach den Teilbildem 11.3a bis 11.3d vergleichsweise groBen Wasseroberflache und der Offiiungsweite findet eine totale Reflexion ankommender Druckwellen statt, die besonders bei BeckenWasserschlossem ausgepragt ist. Dagegen verlaufen bei ausgedehnten Beckenquerschnitten (siehe Teilbilder 11.3e bis 11.3h) die Beschleunigungs- und Verzogerungsvorgange aufgrund der Triebwasserbewegung mit kleinen Spiegelausschlagen langsam ab. Im Gegensatz hierzu findet bei Schachtwasserschlossem eine schnelle Beschleunigung und Verzogerung infolge hoher Spiegelausschlage statt, die durch den erheblich kleineren FlieBquerschnitt bedingt sind. Eine deutlich gesteigerte Dampfung der Massenschwingungen laBt sich durch die Anordnung eines freien Uberfalls erreichen, womit allerdings das (iberstromende Wasser verloren ist. 11.3.3.2 Kammerwasserschlosser Haufig sind Zweikammer-Wasserschlosser (gemaB Teilbildem 11.3i bis 11.3k) mit iibereinander oder zueinander versetzt angeordneten Schwallkammem, die durch einen senkrechten oder geneigten Schacht miteinander verbunden sind. Die Ruhelage des Wasserspiegels bei Betriebsstillstand beschrankt sich auf den Vertikalschacht im Zwischenbereich der fur Schwingungsausschlage und Wasserbereitstellung vorgesehenen Kammem. Durch den engen Verbindungsschacht werden rasch vergleichsweise groBe Dmckunterschiede aufgebaut, die schnelle Beschleunigungen und Verzogerungen zur Folge haben. Durch Erreichen der oberen und unteren Kammem in Hohe des hochsten Schwalles bzw. tiefsten Sunks wird ein weiteres Ansteigen bzw. Fallen der Wassermassen und damit ihres Wasserspiegels begrenzt. Im Vergleich zum SchachtwasserschloB bedarf es fur die Wasseraufiiahme bzw. die Wasserabgabe im Regelungsbetrieb einer Wasserkraftanlage je nach seitlicher Ausdehnung der

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

338

Schwallkammem erheblich geringerer Hohen des Gesamtbauwerkes. Allerdings ist der groBere Bauaufwand von Nachteil. (a) I

I

(b)J

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Abb. 11.3:

WasserschloBtypen: a-d) einfache Wasserschlosser; e-k) Kammerwasserschlosser; 1-s) gedrosselte Wasserschlosser [11.1]

11.3.3.3 Gedrosselte Wasserschlosser Schacht- und Kammerwasserschlosser sind schwach gedampfte Systeme, da eingeleitete Schwingungen nur durch Reibungs- und andere Energieverluste in der Triebwasserleitung abgebaut warden. Mit Rticksicht auf einen moglichst hohen Gesamtwirkungsgrad einer Wasserkraftanlage ist man bestrebt, die Reibungsverluste im Triebwassersystem zugunsten der Energienutzung klein zu halten. Bine im Hinblick auf die Stabilitat im Regelungsbetrieb erwunschte hohe Dampfung laBt sich durch eine gedrosselte Verbindung zwischen Triebwasserleitung und WasserschloB erreichen, wie es die Teilbilder 11.31 bis 11.3n erkennen lassen. Bei zu klein dimensionierter Drossel an der Eintrittsoffiiung tritt nur eine Teilreflexion der vom VerschluBorgan im Kraftwerk ausgelosten Druckwellen am WasserschloB ein (s. MOSONYI [11.2]). Die sich zum oberwasserseitigen Leitungsabschnitt (Druckrohrleitung, Triebwasserstollen) fortpflanzenden restlichen Druckwellen bedeuten eine hohere Beanspruchung dieses beim stationaren Betrieb auf Niederdruck beanspruchten Teiles der Triebwasserleitung.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

339

Ein Nachteil dieses WasserschloBtyps ist es, daB infolge der Drosselung eine zusatzliche Gegendruckhohe ausgelost wird, welche vom dynamischen Drosselwiderstand abhangt. Sie ist damit fiir nicht vorhergesehene Lastfalle undefiniert, so daB im oberwasserseitigen StoUen unzulassig hohe Driicke entstehen konnten. Im ubrigen wird eine Drosselwirkung bei einer Einlaufoffhung eines Wasserschlosses eingeleitet, wenn deren Querschnitt im Minimum etwa 50 % kleiner ist als der Stromungsquerschnitt des Zuleitungsdruckstollens. 11.3.3.4 Differentialwasserschlosser Differentialwasserschlosser bestehen aus einem System von zwei gekoppelten Schwallkammem (Teilbilder 11.3o bis 11.3s). Durch die Anordnung des im Querschnitt klein gehaltenen Steigschachtes ergeben sich hohe Spiegelausschlage, die zu raschen Beschleunigungs- und Verzogerungsvorgangen fiihren. Gleichzeitig verstarkt sich das Dampfungsverhalten durch das gedrosselte Hin- und Herfluten des GroBteiles des Triebwassers zwischen Leitungssystem und Hauptschacht sowie durch den zusatzlichen tJberfall vom Steigschacht in den diesen umschlieBenden Hauptschacht. Damit treten keine Triebwasserverluste auf, da das tiberstromende Wasser in den Hauptschacht zuriickgefuhrt wird. Bei der klassischen Anordnung umgibt die gedrosselte Kammer konzentrisch den Steigschacht, jedoch kann die Variante mit Steigschacht und davon getrennter, Uberdies gedrosselter Kammer betriebliche Vorteile mit sich bringen. Insbesondere bei Pumpspeicherwerken tritt der Schaltfall des moglichst raschen Uberganges von Betriebsstillstand auf Vollast auf. Durch Anordnung einer zusatzlichen Kammer am getrennten Steigschacht ist es moglich, diesen Lastfall bei gleichzeitiger Optimierung von Drosselwiderstand und Minimierung der Ausbruchsmassen zu beherrschen. Überlaufstollen >

obere Kammer

Hauptschacht"

untere Kammer

AS

Abb. 11.4: Unterwasserseitiges DifferentialwasserschloB mit getrennter Anordnung von Steigschacht und gedrosselter Kammer

340

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Abb. 11.4 zeigt ein als Schwallkammer ausgebildetes DifferentialwasserschloB auf der Unterwasserseite der Maschinengruppen, die auch an ein Unterbecken fiir den Pumpspeicherbetrieb angeschlossen sind. Ein genereller Vorteil des Differentialwasserschlosses gegeniiber dem konventionellen gedrosselten WasserschloB liegt in der Begrenzung des maximalen Gegendrucks. Dieser richtet sich nach der Wasserspiegelhohe im Steigschacht und kann durch Anordnung eines Uberfalls begrenzt werden, so daB fiir alle vorhergesehenen und nicht vorhergesehenen Lastfalle der mogliche hochste Gegendruck zur Dampfung der zur Talsperre gerichteten Massenschwingung eindeutig festliegt. Der erhohte bauliche Aufwand ist durch die hydraulisch gtinstige Wirkung des Differentialwasserschlosses in vielen Fallen gerechtfertigt. 11.3.3.5 Windkessel-Wasserschlosser Vor allem in der Trinkwasserversorgung ist es gangige Praxis, zur DruckstoBdampfung Windkessel-Wasserschlosser, die auch als Druckluft-Wasserschlosser bezeichnet werden, einzusetzen. hi der Form eines luftdicht abgeschlossenen, als Felskaveme ausgefuhrten Wasserschlosses oder auch als Schwallkammer mit den Wasserspiegel begrenzendem Luftpolster ist eine derartige Losung auch bei Wasserkraftanlagen zu finden (z. B. Norwegen). 11.4

Hydraulische Berechnung

11.4.1

SchachtwasserschloO - Grundgleichungen

Der klassischen Theorie der WasserschloBschwingungen liegen die folgenden Annahmen zugrunde: - vemachlassigbarer EinfluB der Kompressibilitat des Wassers sowie der Elastizitat der Verformbarkeit der Leitung; - Gultigkeit der eindimensionalen Stromfadentheorie. Durch die erste Voraussetzung werden Druck- und Massenschwingung entkoppelt. Aufgrund der zweiten Voraussetzung reduziert sich die Zahl der unbekannten GroBen auf die beiden Variablen Geschwindigkeit und Druck bzw. DurchfluB und Druckhohe. Sie hangen nur vom Weg und von der Zeit ab. Mit Hilfe der Kontinuitatsbedingung sowie des Ansatzes des Newtonschen Grundgesetzes lassen sich die grundlegenden Differentialgleichungen der WasserschloBschwingungen gewinnen. Im folgenden sind die Beziehungen fur eine oberwasserseitige Anordnung des Wasserschlosses mit horizontaler Triebwasserleitung abgeleitet (s. Abb. 11.5). Die Gtiltigkeit fiir geneigte StoUen wird im AnschluB gezeigt, bei unterwasserseitiger Anordnung sind die Vorzeichen entsprechend umzukehren. Zunachst werden die Krafte ermittelt, die gemaB Abb. 11.5a auf den Stollenabschnitt zwischen den Querschnitten 1 (Einlaufbauwerk) und 2 (Emlauf WasserschloB) wirken. Da die Gtiltigkeit der Stromfadentheorie vorausgesetzt wird, diirfen die Kontrollquerschnitte nicht in Kriimmungen oder Verzweigungen liegen, weil dort die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen stark von der Annahme

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

341

der Gleichverteilung iiber den Querschnitt abweichen. Andererseits erlauben diese Einschrankungen in Verbindung mit einer geeigneten Wahl der Lage der Querschnitte den Ansatz von Kraften und Geschwindigkeiten als Skalare.

Abb. 11.5: a) Einfaches SchachtwasserschloB; b) Krafte am geneigten Stollen Die Druck- und Reibungskrafte erhalt man zu (s. Abb. 11.5): Fj=pj-As=p^-g'As'{ho-k,e-K,c)

[N]

F2=p2'As=p^'g'As'{ho+z-k,c) Fr=Apr-As=p^'g'As'k,r

(11.1a)

[N]

(11.1b)

[N]

(H.lc)

und damit: J^F = Fj-F2-F,=p^'g-As-{-z-K,e-h,r)

[N]

(11.Id)

Druckkraft auf Stollenquerschnitt / [N] Reibungskraft im Stollenquerschnitt 1-2 [N] hydrostatischer Druck im Punkt i [N/m^] Pi Stollenquerschnitt [m^] As Einlaufverlusthohe [m] Ke Geschwindigkeitsverlusthohe hyc = v/ /2g [m] Hohendifferenz Beckenwasserspiegel - WasserschloBfuBpunkt ho bzw. Leitungsachse [m] Wasserspiegellage im WasserschloB bezogen auf den Ruhewasserspiegel des Speichers, s. Abb. 11.5a [m] Reibungsverlusthohe [m] hv,r Angemerkt sei, daB sich in Gleichung (11.Id) neben der Hohendifferenz zwischen Beckenwasserspiegel und WasserschloBfuBpunkt auch die Geschwindigkeitshohen aufgehoben haben. Im Verlauf der Schwingung fmden stetige Umwandlungen von potentieller in kinetische Energie und umgekehrt statt. Die momentan jeweils vorhandene kinetische Energie geht den Druckkraften (Fj, F2) „verloren", muB deshalb durch die Geschwindigkeitsverlusthohe /?v,c mit beriicksichtigt werden. Da hy^c sowohl im Querschnitt 7 als auch im Querschnitt 2 zu beachten ist und infolge der Annahme konstanter Querschnitte und inkompressiblen F^ Fr

342

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Wassers in beiden Fallen zahlenmaBig gleiche Betrage aufsveist, findet dieser Term tatsachlich keinen Eingang in die abzuleitende Differentialgleichung. Mit dem Ansatz des Newtonschen Grundgesetzes in Stromungs- bzw. Krafteverlaufsrichtung ergibt sich mit Gleichung (1 Lid): dvs .J dvs r^., dt dt mit vs = (Qs(t)/As) und As = const, folgt daraus:

Z

(U.le)

(11.2)

= p.'ls'^ [N] dt As dt is und man aus Gleichung (11.2): id mit Gleichung (1 Lid) erhalt ma yF ^^

= p.^As^ls~'^

Pw'g'As

\-Z-J%,e

-K,r)

= Pv. '/.

dQs dt

(11.3a)

[N]

beziehungsweise: dQs _ g-As {-Z - h>.e - K.r ) [m^/S^] dt Is

(11.3b)

Setzt man die Verlusthohen //v,c bzw. K,r gemSfi Kapitel 5 und 6 in (11.3b) ein, sofo\%Xvs = Qs/As: dQs dt ms v^ t Is Qs Cv,e A

h

_g-As

h

-z-

^v,e + ^ •

I •Qs\Qs 2gAl

Wassermasse im StoUen Geschwindigkeit im Stollen Zeit Stollenlange DurchfluB im Stollen EinlaufVerlustbeiwert (s. Kapitel 5) Rauheitsbeiwert (s. Kapitel 6)

(11.3c)

[mVs^]

[kg] [m/s] [s] [m] [mVs] [-] [-]

Der DurchfluB im Stollen Qs ist richtungsgebunden, was sich in einem sich andemden Vorzeichen ausdriickt. In den Abbildungen sind die DurchflUsse jeweils positiv eingefuhrt. Durch die Formulierung Qs • \Qs\ wird der periodischen Umkehr der FlieBrichtung, die mit der Massenschwingung verbunden ist, Rechnung getragen. Die Gleichung (11.3c) gilt auch fiir geneigte Stollen, denn mit den Bezeichnungen von Abbildung 11.5b ergibt sich:

AF2=p^'As'ls'sma Gs =p^-g-As-ls'Sma ^Gs=-AF2 a G Gs

[N]

(lL4a) (11.4b)

[N]

(11.4c)

[N]

Stollenneigung gegenuber der Horizontalen Gewichtskraft Gewichtskraft des Stollenvolumens

n [N] [N]

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

343

Der zu beriicksichtigende Gewichtsanteil Gs und der Zuwachs A F2 heben sich gegenseitig auf. Es geniigt also - ohne Einschrankung der Allgemeinheit -, einen horizontalen Stollen in Ansatz zu bringen. Die Kontinuitatsgleichung liefert fiir die Durchflusse gemaB Abb. 11.5: QS=QW^QT

[mVs]

(11.5)

Qw DurchfluB im WasserschloB [m^/s] QT TurbinendurchfluB [m^/s] Betrachtet man das Steigen und Fallen des Wasserspiegels im WasserschloB mit dem konstanten Querschnitt Aw, erhalt man nach Abb. 11.5 mit dVw = Awdz und Q ^ ~ =^ ^ [m^/s] (11.6) dt dt Vw WasserschloBvolumen [m^] Aw WasserschloBquerschnitt [m^] als Differentialgleichung der Wasserspiegelschwingungen z im SchachtwasserschloB: QS=A^^^QT

[mVs]

(11.7a)

at ^

dz

J

dt

Aw

— = —{QS-QT)

[m/s]

(11.7b)

Ein KammerwasserschloB mit variablem Querschnitt Aw(z) laBt sich bei schrittweiser numerischer Berechnung einfach berucksichtigen, indem in (11.7b) A(w,i) = Aw(Zi) gesetzt wird. Wie in Abschnitt 11.4.4.2 erlautert, wird dabei z/ als ZA z(ti) schrittweise berechnet. 11.4.2

Gedrosseltes WasserschloB

Im Falle des gedrosselten Wasserschlosses (s. Abb. 11.6a) ist beim Ansatz der Kraft F2 ein piezometrischer Druckhohenverlust K^ infolge des verengten Einund Austrittsquerschnitts zu berucksichtigen (s. auch Kapitel 5). Gleichung (11.1b) erhalt damit die Form: F2 =P2'As =p^'g'As\iho+z

+ K,v-K,c)

[N]

(11.8)

hv,v Querschnittsveranderungsverlust [m] Die Gleichung (11.8) ist flir die in Abb. 11.6a eingetragenen FlieBrichtungen bezuglich des Vorzeichens aufgestellt. Im WasserschloB herrsche die hydrostatische Druckhohe ho + z. Da Qw mit dem Einstromen in das WasserschloB beim Passieren der Drossel die Energiehohe Kv verliert, muB am Querschnitt 2 der statische Druck ho + z + /zv,v geherrscht haben.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

344

v,e

v,c 1

„-.-- '

,,.--'

STS

w

— ^ dz

h

A+z T

h v,e

l+zk

STS „--''" ,-'-''

v,c

K^

1

AK + STS

V '-z

1

dW

h0 AS,dS

AS,dS

^—>- QS , v S

(a)

• QT

'

,vT

*• Q S , v

v^^^

h 1— /

S

>- QT ,vT

S .,

F1 — •

Q STS

QW,

/

'-

STS

5z:

Fr

(1

Abb. 11.6:

2 -*—

F2

F1 — • •

1

(2)

-«— F2

a) Gedrosseltes WasserschloB; b) DifferentialwasserschloB

Aus ( U . l d ) wird:

[N]

(11.9)

und aus dem Ansatz des Newtonschen Gmndgesetzes (11.3b) folgt entsprechend:

dQs _g-\_^_^_^^_^^_^^^ dt

[mV]

(11.10a)

Is

Setzt man /?v,v gemaB (2.8), so lautet das Newtonsche Grundgesetz fiir das gedrosselte WasserschloB: dQs dt

g-As Is

Cv,e+^-

Is ^Sj

1 •Qs\Qs 2gAl 1 2gAh

<^v,v Aj) V£)

[m7s1

(11.10b)

Qw\Qw\

Verlustbeiwert infolge Querschnittsverandemng Drosselquerschnitt Drosselgeschwindigkeit

[-] [m^] [m/s]

Aus Kontinuitatsgriinden muB v/) = Qy(/Ao gelten, und daraus folgen wiederum (11.5) und (11.7b). Zur sicheren Beherrschung von Mehrfachschaltfallen kann ein stark unsymmetrisch wirkendes Drosselorgan vorteilhaft sein [11.3]. Beim Abschalten der Turbinen (Ansteigen des Wasserspiegels im oberwasserseitigen WasserschloB) soil das Drosselorgan nur eine geringe Wirkung entfalten. Beim Zuschalten der Turbinen (Absinken des Wasserspiegels) hingegen ist eine starke Drosselung erwiinscht, um das ZurtickflieBen in Richtung zum Speicher moglichst gering zu halten. Eine Riickstromdrossel (auch als Wirbelkammerdiode bezeichnet) mit der entsprechenden Charakteristik wurde beim WasserschloB des Maltakraftwerkes eingebaut. In [11.3] gibt GSPAN aus Modellversuchen gewonnene Widerstandscharakteristiken von Riickstromdrosseln an. Je nach Drosselgeometrie liegen die Widerstandsbeiwerte ^^^HR Air das Einstromen in das WasserschloB zwischen 1,80,7 und die Widerstandsbeiwerte <^v,i^ Air das Ausstromen zwischen 19-20. Als

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

345

Bezugsquerschnitt AD mit der Bezugsgeschwindigkeit VD wurde die Engstelle des tangentialen Drosseleinlaufs gewahlt. 11.4.3

DifferentialwasserschloB

Das DifferentialwasserschloB (s. Abb. 11.6b), ist ein gekoppeltes System, bestehend aus Schacht- und gedrosseltem WasserschloB. Es ist zu beachten, daB der Druck am Querschnitt 2 durch die Wasserspiegellage ZSTS im Steigschacht aufgepragt wird, d. h.: F2=P2'As=p^'g'As'{ho+ZSTS-Kc)

[N]

(11.11)

^STS Wasserspiegellage im Steigschacht [m] Steht m der gedrosselten Kammer der Wasserspiegel ZK niedriger als im Steigschacht, so stromt infolge der durch die Spiegeldifferenz ZSTS - ^K vorgegebenen Druckdifferenz Wasser vom Stollen in die Kammer. Der hohere Energieinhalt des Stollenwassers wird beim Passieren der Drossel abgebaut (dissipiert). Steht das Wasser in der gedrosselten Kammer hoher als im Steigschacht, bewirkt ZK - ZSTS ein Ausstromen von Wasser aus der Kammer in den Stollen - ebenfalls wieder mit Reduzierung des Energieniveaus von ZK auf Z^^^. Der BemouUische Ansatz ftir Einlauf- und Auslaufquerschnitt der Drosselstrecke liefert bei Beachtung von: QK=An'Vn=AK-VK

[mVs]

(11.12a)

und ^ ^ S L dt AK

[J^S]

(11.12b)

ftir das Ausstromen aus der Kammer: ZK>ZSTS

[m]

y^ + ho^ZK=^ dzK_ dt

(11.13a)

+ ho^ZsTs+^D-^

A, l2gizK-Zsrsl AK V C,D

[m]

^^^^

(11.13b) ^^^^3^^

Entsprechend gilt fiir das Einstromen in die Kammer: ZK
[m]

^^ho^ZK^^D-^ 2g

(11.14a)

= ^^ho^zsTs 2g 2g

[m]

(11.14b)

346

11 Wasserschlosser und Schwallkammem dz,_A,

\2gizsrs-z,l

dt

AK

V

^^^^

^^^^^^^

^D

Zfc Wasserspiegel in der gedrosselten Kammer QK Drossel- bzw. KammerdurchfluB AD Querschnitt der Drosselstrecke vj) Geschwindigkeit in der Drosselstrecke <^ Verlustbeiwert der Drossel Mit der Kontinuitatsgleichung: QSTS=QS-QK-QT

[m] [m^/s] [m^] [m/s] [-]

[m'/s]

(11.15)

QsTs SteigschachtdurchfluB [mVs] gilt in gleicher Weise fiir den Steigschacht des Differentialwasserschlosses: dt

= -f-{Qs-QK-QT) AsTs

[m/s]

(11.16)

AsTs Steigschachtquerschnitt [m^] FUr die schwingende Wassermasse Qs im StoUen laBt sich mit (11.11) und in Analogic zu (ll.ld) bis (11.3c) wicdcr das Ncwtonschc Bcwcgungsgesctz anschrciben: dt

Is

V

^^'•e^^~\'-^-Qs\Ql V ds J 2gAi

— ' ;

[mV]

(11.17)

ds Stollendurchmesser [m] Mit dicsen 5 (Differential-) Glcichungen fiir Qs, QK, QSTS, ^K und ZSTS lassen sich die Schwingungsvorgangc dcs Diffcrcntialwasscrschlosscs vollstandig beschrciben. 11.4.4

Losungsmethoden

11.4.4.1 Analytische Losungen Vernachlassigung der Reibung und plotzliches, vollstandiges SchlieBen Fiir das einfache, reibungsfreie System eines Schachtwasserschlosses vereinfacht sich (11.3c) zu: = -,.S:AL [mW] (11.18a) dt Is und aus (11.7b) wird bei plQtzlichem SchlieBen, d. h. QT = 0, der Turbinen: ^

^ = ^-Qs dt Aw

[m/s]

(11.19)

347

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Wird aus (11.19) die zweite Ableitung von z nach t gebildet, folgt nach Umstellung:

dQs dt

d'z

Jlr,2^

= 4v^y

(11.18b)

[m7s1

df

Setzt man (11.18b) in (11.18a) ein, ergibt sich:

d'z ^ g'As dt' h'Av

0

[-]

(11.20)

Die Losung dieser homogenen, linearen Differentialgleichung 2. Ordnung lautet:

g'As -\

z = Cj • cos

{

(11.21a)

Is 'Aw

s '^ Cj

[m]

+ C2 • sin

Konstanten

[-]

Die Konstanten Cy und C2 sind tiber die Randbedingungen zu bestimmen. Im einfachsten Fall wird der Ruhewasserspiegel als Ausgangslage fur den Zeitpunkt des unendlich schnellen SchlieBens angesetzt, d. h. fur r = 0 muB z = 0 erfullt sein. Der zweite Term in (11.21a) entfallt, da der Sinus von r = 0 zu Null wird. Die Bedingung z = 0 kann somit nur dann erfullt werden, wenn Cy = 0 gilt, da der Cosinus-Ausdruck fiir f = 0 offensichtlich ungleich Null sein muB. Von (11.21a) verbleibt demnach: g-As -^

Z-C2' sin

[m]

(11.21b)

s '^ Zur Bestimmung von C2 ist es vorteilhafl, die Ableitung: dz_ = €2 dt

g'As h'Aw

g'As -\ h'Aw

'COS

[m/s]

(11.22)

zu bilden. Da bei plotzlichem SchlieBen un ersten Moment, d. h. zum Zeitpunkt r = 0, der stationare StollendurchfluB Qs,o in das WasserschloB einstromt, laBt sich die Beziehung: dz ^ Qsfl dt

(11.23)

[m/s]

Avir

[mVs] Qs^o stationarer StollendurchfluB bilden, die ftir r = 0 in (11.22) eingesetzt werden kann. Da der Cosinus-Ausdruck fiir r = 0 den Wert 1 liefert, folgt fur die Konstante: C2=Qs,o

Is g'As'Av

[-]

(11.24)

Damit erhalt man die allgemeine Beziehung zur Beschreibung des Schwingungsablaufes in einem SchachtwasserschloB ohne Beriicksichtigung von Ener-

348

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

gieverlusten, Kompressibilitat des Wassers und der Verformbarkeit der Rohrwandung: ^ = Qs,o

-\

is ^g'As'Aw

sin

[m]

k'Av

(11.25a)

Hierbei ist der hochste Spiegelausschlag:

h

= Qs.o ^max

(11.25b)

[m]

g-As-Aw [m]

hOchster Spiegelausschlag

und die Schwingungsperiode T: T = 2-n g-^s T

(11.26)

[s]

Schwingungsperiode

[s]

Mit (11.25b) und (11.26), sowie 1

271

G> = y

(11.27a)

[S]

findet man (11.25a) auch haufig in der Form: z = Zrr,ax'sm{(0't) CD

(11.27b)

[m]

Winkelgeschwindigkeit

[s-'l

Plotzliches vollstandiges Offnen, reibungsfrei Die Amplitude der Schwingung berechnet sich gemaB (11.25b) und o) gemaB (11.27a); beim Schwingungsverlauf des Wasserspiegels im WasserschloB ist das geanderte Vorzeichen gemaB: z = -Ztfjax'Sm(^(0't)

[m]

(11.27c)

zu beachten. Plotzliches teilweises SchlieOen, reibungsfrei Bei plotzlicher Verringerung des Betriebsdurchflusses Qs,o auf g^-y gilt: ZmaxJ = {QS,0 " Qs,I ) 'J

z = z^ax,rsm{(0't)

[m]

/ — "

M

(11.28a)

(11.28b)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

349

Plotzliches teilweises Offnen Bei plotzlicher Erhohung des vorliegenden Durchflusses Qsj auf den vollen Betriebsdurchflul3 Qs^o erhalt m a n wieder den Maximalausschlag gemaB (11.28a). Die Wasserspiegelschwingung lautet jedoch: z = -Zmax,j 'sm(^(o-t)

[m]

(11.28c)

Beriicksichtigung der Reibung - gedampfte Schwingungen Im weiteren wird, den tatsachlichen Verhaltnissen entsprechend, der Reibungsverlust im Druckstollen berticksichtigt, unter dessen bremsendem EinfluB eine gedampfte Wasserspiegelschwingung entsteht. Eine exakte mathematische Erfassung ist nur fiir eine einzige Variante der gedampften Spiegelbewegung moglich, und zwar fiir den Fall des plotzlichen vollstandigen SchlieBens. Fur die iibrigen Falle stehen lediglich rechnerische und zeichnerische Naherungsverfahren zur Verfugung. Um das Problem klar iiberblicken zu konnen, wird es hier notwendig sein, die einzige unmittelbar integrierbare Differentialgleichung und deren praktisch befriedigenden Losungsfalle Schritt fiir Schritt abzuleiten. Fiir eine geschlossene Darstellung ist es von Vorteil, die Koordinate z der WasserschloBspiegelbewegung durch^ zu substituieren. Es gelte: y = -z [m] (11.29) Variable (Wasserspiegellage im WasserschloB) [m] y Beriicksichtigt man weiter, daB v^ = Qs/As, und ersetzt man in (11.3c) die Reibungsanteile mittels: P-v| = \^,+X.ll.\-l—.Ql dsj 2g-As

[m]

(11.30)

J3 Widerstandsbeiwert des Druckstollens [s^/m] so erhalt m a n die grundlegende Differentialgleichung der reibungsbehafteten Schwingung des einfachen Wasserschlosses in der nachfolgenden Darstellung. Aus (11.7b) ergibt sich: As

As ax

sowie aus (11.3c): ^ = f - ( > ^ - p - v i ) [mis'] (11.31b) at Is ^ ' Aus dem Differentialgleichungssystem (11.31a) und (11.31b) lassen sich die aufeinanderfolgenden negativen und positiven Spiegelausschlage durch unmittelbare Integration nur fiir den Fall des plotzlichen vollstandigen SchlieBens bestimmen. Die Bedingung des vollstandigen SchlieBens ist QT = 0. Die erste Beziehung des Gleichungssystems (11.3 la) vereinfacht sich also zu der Form: v,=-4l4 As at

[m/s]

(11.32a)

350

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

aus der durch Differenzieren: dvs _

4v

d^y

Msl (11.32b) dt As dr wird. Mit den Beziehungen (11.32a) und (11.32b) erhalt man aus (11.3 lb) die Differentialgleichung zweiter Ordnung: Aw d y _g ^ As dt' /,

2 g Aw a\ ^ ^^. V /, 4 ' dt -^^ '

2i

beziehungsweise nach Ordnen: dt'

Is'As

dtj

h

Av

Fiihrt man den Dampfungsbeiwert m mit:

m = 2.p.f.4^ k m

[m-i]

(11.35)

As

Dampfungsbeiwert

[m'^]

sowie die durch (11.26) und (11.27a) defmierte Winkelgeschwindigkeit co ein, so schreibt sich (11.34) mit diesen Substitutionen in der Form: d'y

m

dt'

2

fdy^' + (o''y = 0 [mis'] dt

(11.36)

Das ist die fundamentale Differentialgleichung der verhaltnisgleich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit gedampften Schwingungen. Bei der Losung dieser Differentialgleichung muB beachtet werden, daB es unmoglich ist, flir diese Differentialgleichung zweiter Ordnung eine die ganze physikalische Erscheinung umfassende allgemeine Losung zu geben, well die Geschwindigkeit nach jeder halben Schwingung ihr Vorzeichen andert, was im zweiten Glied nicht zum Ausdruck kommt. Die Gleichung (11.36) kann nur fur die erste, dritte, funfte usw., das heiBt nur fiir die ungeraden Halbschwingungen als gUltig betrachtet werden. Dies leuchtet auch unmittelbar ein, wenn man bedenkt, daB die Geschwindigkeit cfy/dt und in ahnlicher Weise die Geschwindigkeit v im Stollen wahrend der geraden Halbschwingungen des Wasserspiegels Negativwerte darstellen. Offensichtlich kann man dies in der Beziehung (11.36) derart zum Ausdruck bringen, daB man das Vorzeichen des quadratischen Gliedes andert. Die auf diese Weise geschriebene neue Gleichung muBte ebenfalls gesondert gelost werden, worauf hier verzichtet wird, weil sich die Losungen, den positiven und negativen Geschwindigkeitswerten entsprechend, nur in der Integrationskonstante unterscheiden. Vorerst wird die Losung in der Form (11.36), also fiir den Fall der ungeraden Halbschwingungen, gesucht.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

351

Die Differentialgleichung zweiten Grades laBt sich in eine solche ersten Grades umandem, und zwar durch Einfiihrung der Substitution: x = {cix/dty

[mW]

(11.37a)

X Abktirzung Hieraus wu-d: dx _ cfy d^y ^ =2 - ^ - ^ dt dt dt

[m^/s^]

[m/s]

(11.37b)

Und weiter: d^y _ 1 dx dt _ 1 dx 2 . ,. , . , dt^ 2 dt dy 2 dy

^^i,^i[^/s1

(11.37c)

womit (11.36) in die lineare inhomogene Differentialgleichung: dx

— -m'X + 2'(o''y dy

= 0 [-]

(11.38)

txbergeht, deren Losung sich nach der Methode der Variation der Konstanten von LAGRANGE zu: x = C{y)'e'"'

[mV]

(11.39)

ergibt, in der man die Funktion Cfy) durch Einsetzen in (11.38) erhalt. Aus (11.39) wird: — = C(y)'m'e'"' dy

+—^'6'"' dy

[m/s']

(11.40a)

nach Substitution und Ordnen: dC{y) dy

= -2'(^'-ye-""'

[m/s1

(11.40b)

C Konstante Hieraus ergibt die partielle Integration die gesuchte Funktion: + iye-'"' -C C(y) = ^-^\my m Zur Losung der Aufgabe: C{y)=\-2'Gi'-y'e-"''dy

[mV]

[mV]

[m^/s^]

(11.41)

(11.42)

wird der Satz der partiellen Integration: \udv = U'V- yvdu

(11.43)

angewendet, und zwar mit den Substitutionen u = -2 • a^ y und dv = e'"'^ dy.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

352

Demnach ist du = -2 - cc^ -cfy und v = -(e"^^)/m, das Integral schreibt sich somit in der Form:

c{y) =

2'(o'

2'Gy'

m m

-ye

- \

'e-"''cfy

2'G)'

y^e-^^-l-

.^-"^+c

(11.44)

[m7s1

m

2-0)

^imy

+ l)-e-"''-C

m Mit dem soeben abgeleiteten Ausdruck (11.41) fur C(y) hat man aus (11.39) die Losung der untersuchten inhomogenen Differentialgleichung in der Form: 2-m'

•=c{yy

•(my + l)-

[m'/s']

-C

(11.45)

Kehrt man nun zur Substitution (11.37a) zurilck, dann erhalt man nach Ordnen das Endergebnis:

±y

=l:^.^jny^l)-C-e"''

[mV]

(11.46)

das die Geschwindigkeit der Spiegelschwingung in Abhangigkeit von der Spiegellage zum Ausdruck bringt. Praktisch ist aber die Aufgabe damit noch immer nicht gelost, weil die Konstante C unbekannt ist. Zu ihrer Ermittlung muB zur fundamentalen Differentialgleichung zuriickgegriffen werden. Da das hydrodynamische Gleichgewicht des stationaren Zustandes in dem Augenblick, in dem der ursprungliche Betriebszustand gestort wird, das heiBt bei Beginn der Schwingungserscheinung noch besteht, also noch keine Beschleunigung vorhanden ist, nimmt (11.36) fur den Zeitpunkt ^ = 0 die vereinfachte Form an: m (dy dt),= yo

—

+ (S)^-yo=0

[m/s^]

(11.47a)

anfanglicher Spiegelausschlag: yo = P - ^sfi

[m]

anfangliche Wasserspiegelgeschwindigkeit

[m/s]

Nach Ordnen schreibt sich die erste Gleichung in der Form: 2-co'

dt

(11.47b)

-yo K / s 1

m

Da diese dem ebenfalls auf den Ausgangszustand bezogenen Wert von (11.46) gleichgesetzt werden kann, wird 2-0)'

2-0)

.y,=^\m'y,+l)-C^e-'' m

[mW]

(11.47c)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

353

mit der Integrationskonstante: C = ^ ^ • e"''' [mW] m Mit dieser erhalt man aus (11.46) das Endergebnis: 2-co'

dt)

^ ^ . ^ + 7_^-(^-^^)] [ m V ]

(11 Aid)

(11.48)

m^

Fiir die Praxis ist es unwichtig, die Funktionj^ =f(t) zu ermitteln, das heiBt die jeweilige Spiegellage genau zu kennen, da fur den Entwurf nur die extremen Spiegellagen, also die >';;,ax-Werte, interessieren. Dieser Umstand vereinfacht die weiteren Erwagungen sehr wesentlich, well man sich nur mit den Fallen dy/dt = 0 za befassen braucht. Solcherart erhalt man fur die Spiegelausschlage - nach Einfxihrung der Bezeichnung j^^j^^ = Y- den Zusammenhang: 0 = m-Y-^l- e""^""-''^

[-]

(11.49a)

Y maximale Wasserspiegelschwingung: Y = yrt^ax [m] Oder, wenn man nach FORCHHEIMER und VON MISES auf die Logarithmen Ubergeht, die aus dem Schrifttum bekannte Gleichung: m'Y-ln{m-Y-^l)

= m'yo

[-]

(11.49b)

Da nun m .yo ein aus der Integrationskonstante abgeleitetes d i e d ist, laBt sich mit ihm nur der negative Spiegelausschlag der ersten Halbschwmgung, also die erste hochste Wasserspiegellage ermittehi. Jedem Vorzeichenwechsel der Wasserspiegelgeschwindigkeit dy/dt ist eine andere Konstante zugeordnet, deren GroBe aus dem anfanglichen Spiegelausschlag der jeweiligen vorausgegangenen Halbschwingung berechnet werden kann. Wie bereits im Zusammenhang mit der grundlegenden Differentialgleichung (11.36) erwahnt, sollte die Gleichung auch in ihrer veranderten Form gelost werden, doch soil hiervon abgesehen und ohne Ableitung gezeigt werden, wie sich durch Verallgemeinerung von (11.49b) alle aufeinanderfolgenden Spiegelausschlage rasch und iibersichtlich ermitteln lassen. Die Gleichung von Mieses kann in der allgemeinen, fiir samtliche Spiegelausschlage gtiltigen Form: m'Y-ln[m'Y

+ l) = B

[-]

(11.49c)

B Konstante [-] geschrieben werden. In dieser Gleichung gehoren zu jedem Wert der Konstante B eine negative und eine positive Wurzel verschiedener AbsolutgroBe. Die einer beliebigen Konstante B zugehorigen beiden Wurzehi der Gleichung ergeben zwei aufeinanderfolgende Spiegelausschlage, und zwar die positive Wurzel immer den anfanglichen, groBeren, die negative Wurzel hingegen den kleineren Spiegelausschlag am Ende der Halbschwingung. Der auf das SchlieBen folgende erste, negative Ausschlag kann als ein Spiegelausschlag betrachtet werden, der eine unvollstandige Halbschwingung begrenzt, die durch die in (11.49b) abgeleitete GroBe Bo = m -yo gekennzeichnet ist. Die ihr zugehorige negative Wurzel ist der erste

354

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Spiegelausschlag Yj. Nun sucht man jene negative Wurzel, die der positiven Wurzel Y = -Yj zugehort und die bei irgendeiner Konstante Bj den Wert Y2 annimmt. Die tiefste Spiegelsenkung am Ende der zweiten Halbschwingung ist -Y2 (positiv). In der Gleichung sucht man wieder die dem -Y2 zugehorige negative Wurzel Y3, die vorzeichenrichtig die hochste Spiegellage am Ende der dritten Halbschwingung bezeichnet usw. Die so ermittelten Wurzehi sind samtlich negativ, so dai3 die Vorzeichen der Spiegelausschlage richtig +7/, -Y2, +^3, -Y4, +^5 usw. sind. Bemerkt sei hier, dal3 auch die der ersten Halbschwingung, das heil3t der Konstante Bo = m -yo zugehorige positive Wurzel YQ physikalisch gedeutet werden kann, und zwar als jenem vorangegangen gedachten Spiegelausschlag, von dem der Wasserspiegel gleichfalls auf Yj umschwingen wtirde, wenn er im Zuge eines friiher erfolgten SchlieBens am Ende einer geraden Halbschwingung eben auf die Spiegellage YQ gesunken ware. Die bisherigen Ausfuhrungen lassen sich zu folgender Berechnungsregel zusammenfassen: 1. Den Spiegelausschlag am Ende der ersten, unvollstandigen Halbschwingung erhalt man unter Beriicksichtigung der Konstante Bo = m -yo als negative Wurzel der Gleichung. 2. Am Ende jeder weiteren Halbschwingung erhalt man den Spiegelausschlag, indem man zum Absolutwert des vorangegangenen Ausschlages als positive Wurzel die zugehorige negative Wurzel ermittelt, die den gesuchten Spiegelausschlag am Ende ungerader Halbschwingungen vorzeichengerecht, am Ende gerader Halbschwingungen hingegen mit entgegengesetztem Vorzeichen ergibt. Die Aufgabe laBt sich graphisch in sehr anschaulicher Weise losen. Hierzu tragt man nach VON MIESES die Funktion B =f(m • Y) auf (s. Abb. 11.7), die von den Abmessungen des schwingenden Systems unabhangig ist und zu einigen runden m ' 7-Werten rasch ermittelt werden kann. An der Stelle m • 7 = 0 ist der Wert der Funktion gleich Null, der positive Ast der Kurve lauft ins Unendliche, wahrend sich ihr negativer Ast asymptotisch dem Wert m • 7 = -1 nahert. Zur Beschleunigung der Konstruktion wird auf der positiven Seite zweckmaBig auch das Spiegelbild des negativen Astes aufgetragen. Der Dampfimgsbeiwert m hat die Dimension [m"^]; somit sind sowohl die unabhangige Veranderliche m -Y als auch der Funktionswert B dimensionslose GroBen. Auf dieser Grundlage berechnet man zunachst den Wert Bo = m -yo, der sich aus den kennzeichnenden geometrischen GroBen und Reibungsangaben, femer aus der StoUengeschwindigkeit vor dem SchlieBen in der Form: Is

As

reduzieren laBt. Die in der Hohe Bo gezogene Waagerechte schneidet die Spiegelkurve im Punkt 7;. Die Abszisse m • 7; mit negativem Vorzeichen ergibt den ersten Spiegelausschlag, also die hochste Lage des Wasserspiegels. Betrachtet man m ' Y] als positive Wurzel, das heiBt projiziert man den Schnittpunkt 7; auf den positiven Ast der Kurve, dann schneidet die hier gezogene Waagerechte die lot-

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

355

rechte Achse in Bj, dem Kennwert der zweiten Halbschwingung, die Spiegelkurve hingegen in Y2, der die Wurzel m • Y2, also die GroBe des zweiten Spiegelausschlages ergibt. Durch die aus der Abbildung 11.7 ersichtliche weitere ahnliche stufenweise Projektion lassen sich auch die weiteren Spiegelausschlage (beziehungsweise die ihnen proportionalen GroBen m -Ys, m -¥4 usw.) ermittehi. 1

2,0

1 1 / 1 /_. (Y,),

Bo

\ii

I / %

(11)^

1,0

/

/i / i / i /

V 0,0

2

Bi

()

1

I

(Y2

I

2

3

m-Y

Abb. 11.7: Graphische Ermittlung der Wasserspiegelschwingungen in Wasserschlossem [11.1] FUr eine tiberschlagige Untersuchung gentigt es manchmal, als oberen Grenzwert eine Spiegelausschlagsgrenze anzunehmen, deren Ermittlung direkte Hinweise fiir die Bemessung des Wasserschlosses bieten kann. Die Miesessche Kurve (11.49c) hat namlich die EigentUmlichkeit, an der Stelle m • 7 = - l e i n ^ ^ - o o z u haben. Demzufolge kann der absolute Wert des ersten negativen Spiegelausschlages bei beliebiger Ausgangsspiegellage keinesfalls groBer sein als der Kehrwert 1/m des Dampfiingsbeiwertes. Unter Beriicksichtigung von (11.35) bedeutet dies auch so viel, daB der Spiegelanstieg Uber die hydrostatische Gleichgewichtslage die Spiegelausschlagsgrenze: ' '

m

(11.51)

2-^ g Aw

JYI Spiegelausschlagsgrenze nicht tiberschreiten kann.

[m]

Weitere analytische Verfahren Fiir den Fall quadratischer Dampfung durch Reibung im Triebwassersystem sowie plotzliches Offhen oder SchlieBen der Turbinen wurde von GIESECKE [11.4] ein analytisches Verfahren fur die Losung der Schwingungsdifferentialgleichung entwickelt. Mit Hilfe WeierstraBscher elliptischer Funktionen kann die durch Potenzreihenentwicklung vereinfachte Differentialgleichung der quadratisch gedampften Schwingung in einem SchachtwasserschloB gelost werden. Die Ubersichtlichen Beziehungen gestatten eine unmittelbare Berechnung der Schwingungskurve.

356

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Fur das DifferentialwasserschloB werden von MORGENSTERN in [11.5] die aus der Literatur bekannten experimentellen und analytischen Bemessungsansatze vorgestellt. Der Autor entwickelt dort ein eigenes Bemessungsverfahren fur Differentialwasserschlosser, wobei die Ergebnisse der fur dimensionslose Variablen numerisch gelosten Differentialgleichungen in Bemessungsdiagrammen aufgetragen sind. Ftir den charakteristischen Schaltfall „plotzliches, totales SchlieBen" werden auf der Grundlage der Schwingungsanalyse die WasserschloBabmessungen optimiert. 11.4.4.2 Numerische Behandlung Numerische Verfahren Die physikalischen Sachverhalte der nicht gekoppelten WasserschloBschwingungen lassen sich bei unterschiedlichen Bauwerksformen in ihren vielfaltigen Auspragungen gemal3 den Kapiteln 11.4.1 bis 11.4.3 beschreiben. Charakteristisch ist das Auftreten eines Systems von nichtlinearen Differentialgleichungen (dQ/dt, Q(t) sowie ^(t)) erster Ordnung mit Anfangswerten. Als numerische Naherungslosungen bieten sich deshalb Differenzenverfahren an, bei denen die Tangentensteigungen an den Stellen U, ti+j/2, h+i nach verschiedenen Verfahren gewonnen und fur das Vorwartsschreiten von F(ti) nach F(ti+i) je nach Verfahren unterschiedlich gewichtet werden (s. z. B. COLLATZ [11.6]). Vorwartsdifferenzen Den am besten nachvollziehbaren und im folgenden beispielhaft beschriebenen Rechengang stellen die einfachen Vorwartsdifferenzen dar, bei denen zum Vorwartsschreiten allem die Steigung an der Stelle U verwendet wird. Stabilitat und Konvergenz konnen hierbei nur fur gentigend klein gewahlte Zeitschritte At erwartet werden, jedoch wiegt die erhohte Geschwindigkeit der vereinfachten Berechnung diesen Nachteil in vielen Fallen auf Es ist angezeigt, fiir die rechnerische Losung einer Planungsaufgabe numerische „Vorversuche" durchzufuhren. Abb. 11.8 zeigt beispielsweise mit dem Zeitschritt von At=\s (Fall 1), dafi ftir die vorgegebene Konfiguration einer reibungsfreien Schwingung die entstehende Sinuswelle sehr genau numerisch abgebildet werden kann, die analytische Losung fiiBt auf (11.25a), wobei die beiden Kurven nahezu deckungsgleich sind. Die weiteren Werte sind der Tabelle 11.1 zu entnehmen. Der zweite Fall zeigt hingegen, daB ftir einen Zeitschritt zl^ = 43 s die numerische Losung instabil wird und zu divergieren beginnt.

357

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Abb. 11.8:

a) Schwingungen: Vergleich der analytischen und numerischen Losung der reibungsfreien WasserschloBschwingung: Fall 1 (At= I s) und Fall 2 {At = 43 s); Zustandsdiagramme der numerischen Losung der reibungsfreien WasserschloBschwingung: b) Fall l(At=\ s); c) Fall 2 (At = 43 s)

Tabelle 11.1: Eingangswerte fiir die WasserschloBschwingungen m Abb. 11.8

Fall 1 Fall 2

1 Ce

A

V

k

0 0

0 0

1,3-10-^ 1,3-10'^

0 0

zo -1,0 -1,0

Qs 12,25 12,25

QT

0 0

At 1,0 43,0

dK

7,0 7,0

ds 2,5 2,5

Is 1825 1825

CD

0 0

Der Vorteil eines solchen numerischen Verfahrens liegt bekanntlich darin, daB es ohne weiteres moglich ist, Reibungseinflusse, Querschnittsanderungen der WasserschloBkammem oder Drosselungen rechnerisch zu erfassen, um das Schwingungsverhalten bei den maBgeblichen Lastvorgaben zu erkunden. Im Kapitel 1L4.6 werden hierzu einige Beispiele vorgestellt. GemaB der Grunddefinition fur die Ableitung einer Funktion/fr) gilt:

f{t + At)-f{t) dt

At

[-]

(11.52)

358

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Oder

df

f{t^M) = f[ty^^M

[-]

(11.53)

Es sei df/dt im Intervall At naherungsweise konstant, und somit stellt (11.53) eine einfache Rechenvorschrift fiir Vorwartsdifferenzen dar. Ubertragen auf die numerische Berechnung der WasserschloBschwingungen, ist fur die sich zeitlich andemden Durchfliisse Qs(t), bzw. Wasserspiegelschwingungen z(t) allgemein anzusetzen:

Q,{t+^t) = Qs{ty^'^t at

[mVs]

dz zit •¥ ^t) = z{t) + — ' ^t dt

(11.54a)

(11.54b)

[m]

wobei die Ausdriicke dQs/dt und dz/dt uber die Systemparameter Geometrie und Reibungseinfltisse naher zu spezifizieren sind. Einfaches WasserschloB Die Gleichungen (11.54a) und (11.54b) konnen unverandert verwendet werden; die Ausdriicke dQs/dt und dz/dt folgen unmittelbar aus den fur das Schachtwasserschlofi aufgestellten Grundgleichungen (11.3c) und (11.7b). Gedrosseltes WasserschloB Die Gleichungen (11.54a) und (11.54b) haben auch hier unverandert Giiltigkeit. Der Ausdruck dz/dt folgt wieder aus (11.7b), und mit der Grundgleichung (11.10b) erhalt man fur das gedrosselte WasserschloB in gleicher Weise: dQs dt

_g-A Is

2gAl

dsj

-Cv.v

1

2gAl

'Qs\Qs

[m7s1

(11.55)

Qw\Qw\

Differentialwasserschlofi Die Differenzenausdriicke von (11.54a) und (11.54b) sind auf der Grundlage der ftir das DifferentialwasserschloB abgeleiteten Beziehungen (11.13c), (11.14c), (11.16) und (11.17) entsprechend zu erweitem, um das gekoppelte System aus (11.54a) und ZsTs{t + ^t) =

ZsTs{t)-

dz^STS At dt

dz ZK{t + At) = ZK{t) + -y-At at

[m]

[m]

(11.56a)

(11.56b)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

359

mit den Ausdriicken: dQs dt

at

_g'As f ~^STS Is V

/

Cv..-^-

~

V

^sj 2gAi

•Qs\Qs

^j^^D

dt

~ AK

(11.57a)

(11.57b)

AsTs

dZK

[m7s^

\2g'\[zsTS-ZK)\

(11.57c)

[m/s]

^D

TAX erhalten. Implizites Differenzenverfahren Beim vorgestellten expliziten Vorwartsdifferenzenverfahren leiten sich die gesuchten GroBen Qs(t+At) sowie z(t+At) ausschlieBlich aus zum Zeitpunkt t vorliegenden Informationen ab. Insbesondere die Zuwachse dQs/dt sowie dz/dt der Gleichungen (11.54a) bzw. (11.54b) wurden zum Zeitpunkt / berechnet. „Richtiger" ware es, die Zuwachse als Funktionen eines „mittleren" Zeitpunktes T zu berechnen, also gemaB: Qs{t^At)

= Qs{t)^^{t')'At at

[mVs]

z(t + At) = z(t) +—(t')-At dt

(11.58a) (11.58b)

[m]

wobei gilt: t

<

t'

<

t + At

und die die Ermittlung der Variablen zum Zeitpunkt t' erfolgt ilber den Wichtungsfaktor 3 gemaB: Qs (f) = (7 - 9) • a (/) + 9 • Qs {t + At) z{t') = {l-d)-z{t) d

+ d-z{t + At)

[m]

[mVs]

(11.59a) (11.59b)

Wichtungsfaktor [-] typisch fiir explizite Vorwartsdifferenzen: S = 0 implizite mittlere Differenzen: S = 0,5 implizite Ruckwartsdifferenzen: .9= 1,0 Setzte man die Ausdrlicke fur Qs(t^) sowie z(t^) in die Gleichungen (11.58a) bzw. (11.58b) ein, erhielte man - auBer fur den expliziten Sonderfall »9 = 0 - zu jedem Zeitpunkt zwei simultan zu losende Gleichungen fur die Bestimmung der unbekannten Variablen Qs(t-^At) und z(t+At). Da jedoch schon bei der einfachen Drosselung die beiden Gleichungen quadratische Glieder Q^s (t+At) enthalten, ist es angebracht, die Simultangleichungen innerhalb eines jeden Zeitschrittes iterativ nach den unbekannten Qs(t-\-At) sowie z(t-\-At) aufzulosen. Ein entsprechendes Schema fur das gedrosselte WasserschloB ist in Abb. 11.9 aufgetragen.

360

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Um die Konvergenz zu verbessem bzw. uberhaupt erst zu ermoglichen, werden die iterativ erhaltenen Ergebnisse mittels eines Relaxationsfaktors/^ (s. Abb. 11.9) verbessert. Dieser kann in den Wertebereichen 0,5
= QT(t)

Qs(t + At) = Qs(t) z(t + At) = z(t) = Qs(t)

Hilfsvariable fur Iteration

= z(t)

Zwischenwerte im Zeitintervall QT(n

= QT.^=(l-^)-QT(t)^^-QT(t

+ At)

Qs(t') = Qs,B=(I-^)'Qs(t)+^'Qs(t + At) z(t') = ZQ =(l-^)-z(t)

+ ^'z(t

+ At)

—

Qs,^-\QsM)

Zuwachse dQs/dt

= ^-(-z^-(...) h

dz/dt^-^-(Qs,^-QT,^) Aw Iterationszwischenwerte dQs -^(z^,Qs,^)'At at dz z(t + At) = z(t) + —(Qs,^,QT.^)-At at

Qs(t + At) = Qs(t) +

Ergebnis eines Iterationsschrittes nach Relaxation Qs(t + At) = QsMer +fi'-(Qs(t

+ At) - QsMer)

+

z(t + At) = zu„ + fr • (l(t + At) - zu,r)

Konvergenzuberprufung und

\Qs(t^At)-QsMer\<^

\z(t + At)-Zi,er\
I t = t + At

I (^ Ende ^

Qs(t^At) Qs.iu = = z(t + At) Umspeichem zur Initialisierung des neuen Zeitschritts: Neue Werte des vorherigen Zeitschritts werden alte Werte des nachsten Zeitschritts Qs(t) = Qs(t + At) z(t) = z(t + At)

Abb. 11.9: Ablaufschema fiir die iterative Ermittlung von Qs(t+At) und z(t+At) fiir das gedrosselte WasserschloB innerhalb des Zeitschritts At nach dem impHziten Differenzenverfahren

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

361

Ein Vergleich von expliziter Berechnung nach dem einfachen Differenzenverfahren und der impliziten Vorgehensweise zeigt erwartungsgemaB, daB bei letzterer auch bei groBeren Zeitschritten noch brauchbare Ergebnisse fur die Durchfliisse und Wasserspiegellagen erzielt werden. Der vorgestellte Algorithmus laBt sich generell bei nichtlinearen Gleichungssystemen einsetzen und kann beispielsweise sinngemaB auch bei Differentialwasserschlossem Anwendung finden. Je nach Typ der Gleichungen wird, um eine befriedigende Konvergenz zu erhalten, jedoch das vorgestellte einfache Relaxationsverfahren durch die Newtonsche Iterationsvorschrift (s. (11.127)) ersetzt werden mussen. Sonderfalle In die oben angegebenen Gleichungssysteme lassen sich ohne prinzipielle Schwierigkeiten weitere Besonderheiten der Bauweise von Wasserschlossem einbauen, so z. B. beliebig veranderbare Querschnitte von WasserschloBkammem. Auch konnen die verschiedensten Schaltfalle oder SchieberschlieBgesetze durch eine entsprechende Vorgabe von Qrft) als Tabellen oder Funktion simuliert werden. 1 L4.5

Stabilitatsproblem

11.4.5.1 Die Thomaschen Stabilitatskriterien Durch die Integration eines Wasserschlosses in das schwingungsfahige System Triebwasserleitung, in der Regel mit Niederdruck- und Hochdruck-Leitungsabschnitten, lassen sich ungtinstige Auswirkungen der die DruckstoBentwicklung kennzeichnenden Druckwellen auf bauliche und maschinelle Anlagenteile weitgehend elimmieren. Die durch Schaltvorgange eingeleitete Pendelung setzt sich jedoch im oberwasserseitigen Bereich der zwischen WasserschloB und Speicherbecken hin und her schwingenden Wassermassen anstatt in einer Druckschwingung in einer Massenschwingung fort. Infolge schneller Schaltvorgange kann es in ungiinstigen Fallen zu einer Anregung dieser Massenschwingung, d. h. zu einer Aufschaukelung bis hin zu einer Resonanzschwingung, kommen. Dies sei anhand eines Beispiels skizziert: Mit dem Ziel, die Netzfrequenz innerhalb moglichst geringer Toleranzen zu stabilisieren, versucht der Turbinenregler, die Drehzahl von Turbine und angekoppeltem Generator moglichst konstant zu halten. Bei Verringerung der Netzlast haben die angeschlossenen Generatoren die Tendenz, ihre Drehzahl zu erhohen, bei VergroBerung der Netzlast diese zu verringern. Wachst im gewahlten Beispiel die Leistungsnachfrage im Netz sprunghafl an, offnet der Turbinenregler die Leitschaufeln. Der entstehende erhohte Durchsatz wiirde bei oberwasserseitiger Anordnung eines Wasserschlosses einen Entnahmesunk mit Abfallen des Wasserspiegels im WasserschloB, bei unterwasserseitigem Schwallraum ein Ansteigen des dortigen Wasserspiegels verursachen. In beiden Fallen wiirde durch diesen Sunk- bzw. Schwalleffekt die verfugbare Fallhohe verringert. Da jedoch mehr Leistung nachgefragt ist, sucht der Regler die Verkleinerung der Fallhohe durch weitere Erhohung des Durchsatzes zu kompensieren. Die Folge ist eine positive, d. h. sich anfachende bzw. aufschaukelnde Ruckkopplung. Durch eine hierauf abgestimmte Dimensionierung des Wasserschlosses laBt sich die Gesamtdynamik des schwingfahigen Systems so beeinflussen, daB der unerwtinschte positive Ruckkopplungseffekt ausgeglichen und auch fur schnelle Lastwechselfalle ein stabiler Regelungsbetrieb erreicht werden kann.

362

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

GemaC [11.8] sind vor allem die Thomaschen Kriterien: yQ.o~<^-hf,

Aw>An=^

Ec«

[m]

^-As

(11.60)

[m^]

(11.61)

'/.
zu erflillen. Den minimalen Thoma-Querschnitt An findet man vielfach auch in den folgenden Darstellungsweisen: Arh

=•

Qlo

hs

2g'As K,so'hffi ,2 2 .

2s-A, / , ^ ^ . ^ ^ , „ . ^

J

.

^2-1

[ml

(11.62)

^C..o h,,

Cs,o Verlustbeiwert im stationaren Betrieb [-] hfo Fallhohe im stationaren Betrieb [m] hv,so Verlusthohe im stationaren Betrieb [m] Afh Thoma-Querschnitt [m^] vs,o Geschwindigkeit im stationaren Betrieb [m/s] Die Bedingung, dal3 die Summe der Stromungsverluste kleiner sein soil als ein Drittel der verfugbaren Fallhohe hfo (s. (11.60)), wird schon aus Grunden der Wirtschaftlichkeit stets er^Ut sem. Die Gleichung (11.61) liefert einen minimalen WasserschloBquerschnitt in Abhangigkeit der Systemparameter Verlustbeiwerte, Fallhohe, Lange des von der Schwingung betroffenen Triebwasserleitungsabschnittes sowie des korrespondierenden Triebwasserleitungsquerschnittes. Um ein stabiles System zu erhalten, muB der WasserschloBquerschnitt groBer als ATH sein; Ublicherweise wird ein Sicherheits- oder VergroBerungsfaktor rjrh gewahlt, indem die Ungleichung (11.61) in die Gleichung: Aw=r{n'An 7777,

[m^]

Sicherheits- oder VergroBerungsfaktor

(11.63) [-]

umgeformt wu-d. Werte von TJTH = 1,5-1,8 sind gebrauchlich [11.9]. Tatsachlich ist der VergroBerungsfaktor jedoch keine Konstante, sondem er hangt von der Betriebs- bzw. Regelungsweise der Anlage sowie dem Dampfungsverhalten des Systems ab. JAEGER [11.9] zeigt, daB die GroBe ?]Th Air die Dampfung, d. h. die zeitliche Verkleinerung der Schwingungsamplituden, zwar eine beachtliche Rolle spielt, allem durch die Festlegung des Faktors r/rh das tatsachliche Dampfungsverhalten jedoch nicht determiniert werden kann. Wesentlich flir einen sicheren Betrieb mit ausreichender Dampfung der Massenschwingung ist die Erfassung der geometrischen und hydraulischen Systemparameter (z. B. Stollenrauheit oder Schaltfalle).

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

363

11.4.5.2 Beschleunigungs- bzw. Verzogerungszeit 4 Aufgrund der geschilderten positiven Riickkopplung bei Anfahrvorgangen darf der Regler nicht zu empfindHch reagieren. Allzu groBe Tragheit wu*kt sich andererseits ungunstig auf die Regelgenauigkeit aus. Wesentliches Kriterium in diesem Zusammenhang ist die Zeitspanne ta, die erforderlich ist, um die Wassermassen im Triebwassersystem beim schnellen Anfahren von der Ruhelage in den stationaren Zustand zu versetzen. Mit den beschriebenen Beziehungen laBt sich dies bewerkstelligen, indem man die Bewegungsgleichung (11.3c) fiir den Triebwasserleitungsabschnitt zwischen - oberwasserseitigem - WasserschloB und Krafthaus aufstellt, da fiir diesen Fall die Beschleunigung im Fallschacht, bzw. der Falleitung maBgebend ist. Aus (11.3c) entsteht durch Umschreibung unmittelbar: dQr _ g-Ap dt IF

hp +z-

V

dp J 2gAl

QT-\QT\\

Af Fallschachtquerschnitt If Fallschachtlange dp Fallschachtdurchmesser Die Kontinuitatsgleichung lautet entsprechend (11.7b): dz

^

clt

1

= —{QS-QT)

[m/s]

Af

[mV]

(11.64a) [m ] [m] [m]

(11.65)

Da nur ein Abschnitt der Falleitung betrachtet wird, ist Qs = Oz[x setzen. Zu einer einfachen Abschatzung der Beschleunigungszeit ta gelangt man unter Vemachlassigung der vor allem durch die Rohrreibung bedingten Energieverluste. Somit werden in (11.64a) die Verlustbeiwerte 4^,^ und 1 gleich null gesetzt, und das Differential dQj/dt wird durch endliche Differenzenausdriicke ersetzt: dQr _^QT

dt QT^O ta

At

_QT,O-0

ta-0

[m7s']

stationarer TurbinendurchfluB Beschleunigungs- bzw. Verzogerungszeit

(11.64b) [m^/s] [s]

Damitfolgtfiirz^O: [mW] (11.64c) QLoj:l = K:j^.hf ta-0 If und hieraus fur die Zeit ta, die far die Beschleunigung der Betriebswassermenge aus der Ruhelage heraus mindestens verstreichen wird: t^=.QLLk. [^] (ll-66a) g'hf'Af Aufgrund der vemachlassigten Energieverluste stellt ta fur die Beschleunigungszeit eine Untergrenze dar. Falls die Falleitung sehr steil ist, kann naherungsweise If = /IFgesetzt werden, so daB ta = Qzo/fg -Af) resultiert. Fur den Fall, daB eine Druckleitung zwischen WasserschloB und Krafthaus in einzelne Sektionen unterschiedlicher Langenabschnitte und Querschnitte unterteilt

364

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

ist, wie es sich bei Abzweigungen zu einzelnen Maschinengruppen oder bei Falleitungen mit sich verjiingenden Rohrstucken ergibt, so erhalt man in vereinfachter Schreibweise mit den Teillangen Ipj und den Rohrquerschnitten Apj die aus (11.66a) unmittelbar abgeleitete Beziehung: g'hp Mi 11.4.6

^Y,{h,lA,,) [s]

(11.66b)

Teillange des Abschnitts i Rohrquerschnitt des Abschnitts /

[m]

Schwingungsvorgange

Ungedampfte, reibungsfreie Schwingungen Die Abb. 11.8 zeigte bereits den charakteristischen sinusformigen Verlauf der ungedampften, reibungsfreien WasserschloBschwingung. Im dazugehorigen Zustandsdiagramm fmdet dieser Sachverhalt seinen Ausdruck in einem mit wachsender Zeit immer wieder durchlaufenen Oval. Gedampfte Schwingungen Berucksichtigt man - bei ansonsten gleichgehaltenen geometrischen Parametem die StoUenreibung, so erhalt man einen Schwingungsverlauf gemaB Abb. 11.10a (Fall 1). Das Zustandsdiagramm weist mit wachsender Zeit von auBen nach innen fortschreitend einen deutlich spiralformigen Verlauf auf. Um einen Vergleich der verschiedenen Konfigurationen zu erleichtem, wird nicht die tatsachliche stationare Ausgangslage fur die gedampfte Schwingung des Wasserspiegels berucksichtigt, sondem ein willkiirlicher Wert zo,mR = -1 [ni]- Die reibungsfreie Referenzschwingung beginnt bei ZO,OR = 0 [m]. Gedrosseltes WasserschloB Der dampfende EinfluB einer Drossel ist ebenfalls in Abb. 11.10 (Fall 2) zu erkennen. Die StoUenreibung ist nicht berucksichtigt. Uberlagert man Drosselwirkung und StoUenreibung, so ergeben sich gedampfte Schwingungsablaufe gemaB Fall 3 m Abb. 11.10. Das Dampfungsverhalten wird in beiden Fallen durch die Vorgabe einer asymmetrischen Drosselung nach GSPAN [11.3] insgesamt vorteilhaft beeinfluBt. Es fallt auf, daB die erste Maximalamplitude infolge des Reibungseinflusses nur vergleichsweise wenig gegeniiber dem ungedampften Schwingungsfall vermindert wird. Tabelle 11.2: Eingan gswerte fiir die WasserschloBschwingungen in Abb. 11.10

1C

X

V

k

^0 Qs QT At dK Falll 0,011 0,001 1,310-^ 0,4 -1,0 12,25 0 1,0 7,0 0 0 1,310-^ 0 -1,0 12,25 0 43,0 7,0 Fall 2 Fall 3 0,011 0,001 1,310-^ 0,4 -1,0 12,25 0 43,0 7,0

ds h dn 2,5 1825 7,0 2,5 1825 3,5 2,5 1825 3,5

Co.ein ^D.aus 1

0 1,8 1,8

0 25 25

11 Wasserschlosser und Schwallkammem z[m]

! ! : ^^^^ analytische; Losung

1 ! ; • numerische LQsung (Fall 1)

365

!

o\-

(a)

^numerische Losung|(Fall 2)

j

numerische Losung (Fall 3) i

tTminl

Abb. 11.10: a) Schwingungen: einfaches WasserschloB mit Berucksichtigung von Reibungsverlusten im StoUen (Fall 1); asymmetrisch gedrosseltes WasserschloB ohne (Fall 2) und mit (Fall 3) Berucksichtigung von Reibungsverlusten im Stollen; Zustandsdiagramme: b) Fall 2; c) Fall 3 11.4.7

Bemessungs- und Optimierungsaufgaben

GemaB den umrissenen Aufgaben des Wasserschlosses (Schutz von Teilen des Triebwasserleitungssystems gegen hohe dynamische Drlicke, Schutz der Maschinen gegen Kavitation durch Bereitstellung geniigenden Triebwassers beim Anfahrvorgang etc.) gilt es, einen geeigneten WasserschloBtyp mit betrieblich sicherem und wirtschaftlich gunstigem Bau- bzw^. Ausbruchsvolumen zu finden. Dabei bestunmt die im WasserschloB stattfindende, gedampfte trage Massenschwingung die ft)lgenden Bemessungsziele: - hochster Spiegelanstieg uber Stauziel der Talsperre, - tiefster Spiegelsunk unter Absenkziel der Talsperre, - moglichst groBer Dampfungseffekt, - moglichst gute Reflexion der DruckstoBwellen, - moglichst geringer Felsausbruch bzw. geringe Baumassen, - stabiles Verhalten in alien Betriebsfallen, insbesondere Regelungsbetrieb.

366

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

11.4.8

Uberschlagsformeln

Bei einer Berucksichtigung der Stollenreibung ware die Schwingungsdifferentialgleichung (11.20) um ein quadratische Glied der Ableitung dz/dt zu erweitem. Fiir die Spezialfalle unendlich schnelles SchlieBen bzw. unendlich schnelles Anfahren der Turbinen lassen sich nach [11.9] oder [11.10] analytische Naherungslosungen fiir die hochste Aufschwingung bzw. die tiefste Abschwingung angeben. Der hochste Spiegelausschlag max z bei plotzlichem SchlieBen betragt somit angenahert: \As 'Is (11.67a) maxz = Vs,o-J 0,6-Ks [m] g-Av bzw. der tiefste Spiegelausschlag min z bei plotzlichem Anfahren der Turbinen: : mm z = -Vs,o •, / g'Av

8

— [m]

(11.67b)

Summe der Reibungs- und Geschwindigkeitsverlusthohen im [m] Stollen bei stationarem Betrieb Zu beriicksichtigen sind dabei in emer ersten Naherung die Bemessungsdruckhohenlinen gemaB Abb. 11.11. Diese geben auch Hinweise auf die Druckverhaltnisse in der Triebwasserleitung. Den Driicken aus stationarem Betrieb und den WasserschloBschwingungen hsem uberlagem sich die hochfrequenten Druckschwingungen hE,D infolge Abbremsens oder Beschleunigung der Wassermassen im Druckschacht (s. Abb. 11.11). /?v

Abb. 11.11: Grobe Naherung fur Bemessungsdrucklinien von Zuleitungsdruckstollen, FalleiUing und WasserschloB

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

367

Gleichzeitig mtissen die Stabilitatskriterien (maximale Reibungsverluste im Stollen, minimaler WasserschloBquerschnitt) erftillt sein, wozu die Gleichungen (11.60) und (11.61) nach THOMA dienen. 11.4.9

WasserschloB und Triebwasserleitung

11.4.9.1 Gekoppeltes Schwingungsverhalten In der Praxis lassen sich die Vorgange der niederfrequenten WasserschloBMassenschwingung und der hochfrequenten Druckschwingung nicht so ohne weiteres entkoppeln, wie es bisher postuliert wurde. Tatsachlich uberlagem sich beide Vorgange, was insbesondere fur die Bemessung der Druckleitungen eine Rolle spielt. Bei gedrosselten Wasserschlossem ist gegebenenfalls zu beriicksichtigen, dal3 die Druckwelle am WasserschloB nur zum Teil reflektiert und somit der schwach geneigte ZuleitungsdruckstoUen fUr die entsprechenden Druckanteile zusatzlich auszulegen ist. In einer ausflihrlichen Untersuchung an mehreren groBen Wasserkraftanlagen hat LEIN [11.11] nachgewiesen, daB die fur die dynamische Druckentwicklung des Triebwasserleitungssystems angestellten Berechnungsverfahren mit Unterteilung in die Teilsysteme ZuleitungsdruckstoUen-WasserschloB und WasserschloBHochdruckleitung-Maschinengruppen nicht in jedem Fall zutreffend sind. Die mit diesem Verfahren zu gewinnenden Ergebnisse sind jedoch fur die Wasserspiegelbewegung im WasserschloB und fiir die Druckschwankungen an den Turbinen bzw. deren vorgeschalteten Armaturen in vielen Fallen relativ genau. Jedoch ergeben sich um so groBere Abweichungen zwischen Theorie und Praxis, je weniger die Druckwellen aus dem DruckstoBablauf am freien Wasserspiegel des Wasserschlosses total reflektiert und so der VerbindungsstoUen zwischen WasserschloB und Talsperre auch durch hochfrequente Druckwellen dynamisch beansprucht wird. Dabei bestehen deutliche Unterschiede in der Frequenz der Druckwellen und der Massenschwingungen. Erstere liegen im Bereich von Sekunden und Minuten, letztere je nach AnlagengroBe im Bereich von Stunden. Zunachst befaBt man sich eher mit einzebien ausschlaggebenden Aufgabenstellungen, die auch zyklische Be- und Entlastungsfalle der Turbinen einschlieBen, im Hinblick auf die Spiegelschwankungen im WasserschloB und auf die hieraus resultierende Druckbelastung des in erster Naherung horizontalen Stollens, die zum Speicherbecken hin mehr oder weniger linear abnehmen. Fur die oberflachennahe Oder frei verlegte Falleitung oder fur den schragliegenden Druckschacht sind in erster Linie die Druckanderungen bei Steuer- und Regelungsvorgangen, bei Abschaltungen, aber auch die SchlieBgesetze von VerschluBorgan bzw. Leitapparat und die Drehzahlanderungen der Turbinen maBgebend. Eine derartige Vorgehensweise ist fur Schachtwasserschlosser ohne signifikante Drosselung zwischen Stollenemlauf am WasserschloB und Steigschacht berechtigt. Jedoch haben die anderen oben dargestellten WasserschloBtypen bereits eine ins Gewicht fallende Drosselwirkung, wie sie uber die eigentliche Drossel am Einlauf hinaus auch schon durch eine untere Kammer beim KammerwasserschloB mit anschlieBendem Schrag- oder Vertikalschacht bis zur oberen Kammer beim Fullen und Entleeren beobachtet werden konnte. Hier werden durch Beschleunigung ein-

368

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

und ausflieBender Wassermassen allein in der erfaBten unteren Kammer Druckanderungen wie bei einer Drossel ausgelost, die mit der Annahme einer Totalreflexion der Druckwellen nicht mehr vertraglich sind. In diesem Fall pflanzt sich ein Teil der Druckwellen im Stollen fort, der aufgrund seiner Verformungsfahigkeit bzw. seiner elastischen Wandung und der Kompressibilitat des Wassers selbst zu einem Schwingungssystem wird. Systematische Untersuchungen zur Fortpflanzung von hochfrequenten DruckstoBwellen in Stollen bei gedrosselten Wasserschlossem sind von MOSONYI und SETH [11.2] vorgenommen worden, aufgrund derer der Grad S der Fortpflanzung der DruckstoBwelle am WasserschloB abgeschatzt werden kann. Mit dem DruckstoB-Ubertragungsparameter N = 4'g'(^o

1 'As^' a

' hniax

(11.68a)

[-]

AD

und dem Flachenverhaltnis rA=4v/As

(11.69)

[-]

ergibt sich der Grad S der in den horizontalen Zuleitungsdruckstollen eindringenden DruckstoBwelle zu [11.2]: 5 = 7+ — N N CD

As AD

a h

Aw S

+ 2'N

(11.70)

[-]

DruckstoB-Ubertragungsparameter bei Teilreflexion am WasserschloB Verlustbeiwert des gedrosselten Wasserschlosses Querschnittsflache des horizontalen Zuleitungsdruckstollens Querschnittsflache der WasserschloBdrossel Druckwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit hochster DruckstoBausschlag im geneigten Hochdruckschacht zwischen WasserschloB und Maschinengruppen Querschnittsflachenverhaltnis WasserschloB/Triebwasserstollen WasserschloBquerschnitt Grad der Fortpflanzung des DruckstoBes

[-]

[m/s] [m] [-]

[-] Vereinfachend wurde dabei von emheitlichen Querschnitten As der Triebwasserstollen vor und hmter dem WasserschloB ausgegangen. Nimmt man gemaB [11.2] an, daB fiir den Drosselwiderstand im allgemeinen Werte zwischen 1,3 < C/) < 1,7 und ftir die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit m Triebwasser-Stollensystemen a = 1.000 m/s anzusetzen sind, so laBt sich der DruckstoB-Ubertragungsparameter A^ wie folgt abschatzen: N« 1,7-10'

(AD,

• h«ax

[-]

(11.68b)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

369

Derjenige Anteil des DruckstoBes, der in den horizontalen Zuleitungsdruckstollen in Abhangigkeit von der Bauweise und Drosselung des Wasserschlosses durchschlagt, betragt somit: hs,stofi=S'hmax [m]

(11.71)

hs,stofi DruckstoBhohe im horizontalen Zuleitungsdruckstollen infolge der Drosselung am WasserschloB [m] Bei hohem (Jbertragungsgrad S wird die Abschatzung ungenau, da die DruckstoBreflexion im wesentlichen an der Speicherseeoberflache der Hochdruckanlage stattfmdet. Durch die weit vergroBerte Drucklauflange (Hochdruckschacht und Druckstollen) andert sich das Druckschwingungsverhalten grundlegend, so daB mit genaueren Methoden, z. B. dem Charakteristikenverfahren (s. Abschnitt 11.4.9.2), gearbeitet werden muB. Physikalische Modellversuche untermauem das angefuhrte Abschatzverfahren und dessen Anwendungsgrenzen. Jungste Forschungsergebnisse und Nachrechnungen in Betrieb befindlicher groBer Wasserkraftanlagen unterstreichen die Notwendigkeit, die bisherigen Berechnungsmethoden fur die Festlegung und Dimensionierung von Wasserschlossem sowie der anschlieBenden oberwasserseitigen StoUen- und unterwasserseitigen Fallrohrleitungen wohl beizubehalten, die hierdurch erlangten Auslegungen des Triebwasserleitungssystems mit WasserschloBeinbindung dann jedoch einer gesamtheitlichen Betrachtung zu unterziehen. Hierfiir konnen bei Festliegen der Maschinengruppen (Turbinentyp, Schwungmassen, Stellzeiten) zur DruckstoBberechnung zwei tibergreifende Berechnungsmethoden zur Anwendung kommen, die auf charakteristische Lastfalle ausgerichtet sind. Derartige Lastfalle sind un allgemeinen die Offiiungs- und SchlieBvorgange von Turbinen und Armaturen (auch im Teillastbereich) und Regelungsvorgange sowie Pumpenabschaltungen bei Pumpspeicherwerken. Die beiden das Gesamttriebwassersystem erfassenden Berechnungsverfahren sind die Frequenzgang- oder Impedanzmethode und die Berechnung im Zeitbereich. Die erstgenannte Methode, die Frequenzgang- oder Impedanzmethode, behandelt samtliche moglichen Eigenschwingungen des Systems in Einzelpunkten innerhalb des interessierenden Frequenzbereiches, die durch periodische Schwankungen an einer ausgewahlten Stelle des Gesamtsystems eingeleitet werden und die Durchflusse und Druckanderungen an einem beliebigen Ort mit einer zur Amplitude der EingangsgroBe proportionalen Amplitude zur Folge haben. Die zweite Methode, die sogenannte Berechnung im Zeitbereich, vermittelt den zeitlichen Druckverlauf entlang des Leitungssystems flir alle Varianten von Steuerungs- und Regulierungsvorgangen der Turbinen und Armaturen. Dazu gehoren Offiiungs- und SchlieBbewegungen, Abschaltungen, Betriebsiibergange, Drehzahl- und Leistungsregelungen. Auch Nichtlinearitaten beliebiger Drosselcharakteristiken, abgestufte Stellgesetze, Turbinenkennfelder usw. lassen sich erfassen. Ausftihrlichere Einzelheiten und Erlauterungen sind von LEIN in verschiedenen Veroffentlichungen festgehalten worden [11.11], [11.12], [11.13]; die Grundlagen fur die gekoppelte Berechnung im Zeitbereich werden im folgenden angegeben.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

370

11.4.9.2 Gekoppelte Berechnung im Zeitbereich Beriicksichtigung der Triebwasserleitung Fiir die vereinfachte, in den meisten Fallen genugend genaue Annahme der tragen Wasserschloi3-Massenschwingung reichte es aus, die Bewegungs- und Kontinuitatsgleichung fur den Zuleitungsdruckstollen als Ganzes - bei Nichtverformbarkeit von Wasser und Stollenwand - aufzustellen. Will man die Interaktion von Druckschwingung und WasserschloBschwingung gemeinsam erfassen, sind die beiden genannten Grundgesetze flir einen beliebigen Stollenabschnitt Ax zu formulieren, so wie es in Kapitel 8.3 fur die Berucksichtigung der DruckstoBphanomene hergeleitet wurde. Die bisher hier getroffene vereinfachende Annahme eines nichtelastischen Systems ist nun aufzugeben. Das darauf aufbauende, in Kapitel 8.3.3 dargelegte Charakteristikenverfahren macht diese transienten Vorgange einer Berechnung zuganglich. Gekoppelte DruckstoB- und WasserschloBschwingungen lassen sich ebenfalls mittels des Charakteristikenverfahrens berechnen, wie im folgenden dargelegt wird. In Erganzung zum Kapitel 8.3 DruckstoB wird zunachst gemaB [11.17] und Abb. 11.12 im Feld ein Rand eingefiihrt. Es sind, wie die Abbildung zeigt, verschiedene Numerierungsschemata gebrauchlich. Die Zusammenstellung der erforderlichen Formeln laBt sich iibersichtlich mittels der 2-Rohr-Numerierung bewerkstelligen, wobei sich ftir die programmiertechnische Ausarbeitung des vorliegenden Anwendungsfalles eine fortlaufende Zahlung der Knoten ... Mn.j, M/,, Mii+], Mii+2 ... als vorteilhaft erwiesen hat. - 2.400 m - 1.714 m -

ds = 2,5 m Qs,0 = 12,25 m³/s ls = 2.400 m

At = 0,171 s a= 1.000 m/s

270 m

1

2

3

4 >.!

5

6 7 Wasserschloß

8

9

Ax = 171,4 m Rückwärts\charakteristik

vom Stausee

Ax zur Turbine

M-1 - Rohr 1 - M

P

1 - Rohr 2 - 2

2-Rohr-Numerierung (theoretische Herleitung) 1-Rohr-Numerierung (Programmrealisierung) Häufige Kennzeichnung zur Darstellung des Charakteristikenverfahrens

Abb. 11.12: Wasserkraftanlagenkonfiguration fur die gekoppelte WasserschloB-Schwingungsberechnung mit den Randbedingungen des Wasserschlosses im Charakteristikenverfahren Die aus Kapitel 8.3.3 bekannten Koeffizienten Cu, CR, BU und BR beriicksichtigen dabei den EinfluB, den Vor- und Nachlauferknoten auf P ausiiben: Cu=hM-i+QM-rB CR=h2-Q2'B

[m]

[m]

(11.72a) (11.72b)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem BU=B

+ R-\QM-I\

BR=B

+ R]Q2\

[s/m']

371 (11.72c)

[SW]

(11.72d)

Cj/Bi Koeffizienten an der Stelle / Qi DurchfluB an der Stelle / [mVs] Die Kompatibilitatsbedingung fiir die piezometrische Druckhohe hp in P ergibt mit den Bezeichnungen von Abb. 11.12 fur den Knoten P aus der Vorwartscharakteristik: hp=Cu-Bu'QM

[m]

(11.73a)

und aus der Rtickwartscharakteristik: hp=CR+BR'Qj

[m]

(11.73b)

Hierzu tritt bei Anordnung eines Wasserschlosses im Punkt P die Kontinuitatsbedingung: QM-QI-QP=0

[mVs]

(11.74)

Im trivialen Fall, daB keine Veranderungen an dem eingefiihrten Rand stattfinden (Qp = 0), stimmt die Berechnung mit dem „randfreien" Fall iiberein. Aus obigen Bedingungsgleichungen errechnen sich die Unbekannten DurchfluB Qi und Piezometerhohe hi an den Randknoten M, P, 1 gemaB: hM

Cu 'BR-\-CR'

BU

= hp=hj

Bu +BR

[m]

[mVs]

QM

(11.75a)

(11.75b)

OR

Qp

= 0 [m'/s]

(11.73c)

Randbedingung „ungedrosseltes Wasserschlofi^^ FUr den tatsachlichen Fall eines zwischengeschalteten Wasserschlosses folgt aus (11.74) in (11.73a) eingesetzt: Q^-^-Qp-^ Bu

[mVs]

(11.76)

Bjj

Diese wiederum in (11.73b) eingesetzt, liefert fiir den Zusammenhang von FuBpunkt - Druckhohe hp und WasserschloBdurchfluB Qp: ^

hp=—

BR'CU

^

^ ,

Qp [m]

(11.77)

Mit den Abktirzungen: ^bb =

Cp +Bp 'Cu/Bu ——— 1 + Bp/Bu

[m]

(11.78a)

372

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Kaa=

^^7—

[s/m']

(11.78b)

1 + BKIBU

liefert die Kompatibiltatsbedingung (11.77) der angeschlossenen Triebwasserleitung: hp=Ku-K^Qp

[m]

(11.79)

Kii Abkurzungen Andererseits ist der Zusammenhang zwischen der piezometrischen Druckhohe hp in der Leitung am WasserschloBeingang und der Wasserspiegellage zp in der Kammer fiir das ungedrosselte, reibungsfreie WasserschloB gegeben durch: hp=ho-\-zp-\-0

[m]

(11.80)

Eine Betrachtung der Volumensanderung dV = Aw-dz=Aw'(zpzs), die im WasserschloB von dem vorangegangenen Zeitpunkt (Index 3) bis zum aktuellen Zeitpunkt (Index P) stattgefiinden hat, liefert: z p - z 3 = ^ - ^ - A r [m] 2'Aw Der zwischen den Zeitpunkten 3 und P in strom ist im Prinzip eine Funktion der Zeit. In Mittelung der Wasserstrome zu Beginn und Qm = (Qp ^ Qs) ^ ^ angenahert. Die aktuelle mitzu:

(11.81a) die Kammer einflieBende Wasser(11.81a) wird er durch die einfache Ende des Zeitintervalls At mittels Wasserspiegellage zp erhalt man da-

zp=zs+-^-Q,+^-Q, [m] 2'Aw 2'Aw Setzt man diese in (11.80) ein, so ergibt sich wieder: hp=ho+zs+^^'Qp+^^'Qs 2'Aw 2'Aw Mit den Definitionen: ^t A,=ho^Z3^-^'Q3 2'Aw Faa=-^

[m]

[m]

[SW]

(11.81b)

(11.82)

(11.83a)

(n.83b)

nimmt (11.82) die Form: hp=Ac+F^-Qp

[m]

(11.84)

an. Die Kombination dieser Gleichung mit (11.79) ergibt: Qp=-^^^

[mVs]

Aj/Fji Abkurzungen

(11.85)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

373

1st Qp fur den aktuellen Zeitschritt bekannt, lassen sich zp aus (11.81b), Zip aus (11.79) Oder (11.80) sowie die Durchflusse 2 M und Qi der Triebwasserleitung aus den Charakteristiken (11.73a) bzw. (11.73b) gewinnen. Fur die piezometrischen Drucke hi mussen die Randbedingungen aus (11.75a) gelten. Damit sind alle Parameter im Zusammenhang mit der Randbedingung „ungedrosseltes WasserschloB" bestimmt. Randbedingung „Gedrosseltes WasserschloB" Im Falle eines gedrosselten Wasserschlosses gelten die Kompatibilitats- und Kontinuitatsbedingungen von (11.72a) bis (11.74) sowie die Formulierung von (11.81b) fur die Wasserspiegellage zp unverandert. Die Gleichung (11.80) fur die piezometrische Druckhohe hp in der Rohrleitung am WasserschloBeinlaB bzw. WasserschloBauslaB ist um den Drosselverlust: KD=±-^^'QI

[m]

(11.86)

2'g'AD hy^D Drosselverlust [m] zu erweitem. Wegen der Quadrierung von Qp geht im Term hy^o die Information uber die FlieBrichtung verloren. Die erweiterte Gleichung (11.80) muB deshalb ftir beide FlieBrichtungen getrennt aufgestellt werden: hp=K+zp± ^\,'Ql [m] (11.87) 2'g'AD Ftir in die WasserschloBkammer einstromendes, positives Qp wird der Drosselverlust /zv.D hinzuaddiert, da sich beztiglich des in der Triebwasserleitung gelegenen FuBpunktes P die Energieverluste in der Drossel zu den Energiehohen im WasserschloB addieren. Ftir aus der Kammer ausstromendes Wasser (negatives Qp) wird der Drosselverlust /ZV,D subtrahiert, da in diesem Fall beztiglich des FuBpunktes P die Drosselverluste von der Energiehohe (= Spiegelhohe) im WasserschloB zu subtrahieren sind. Mit (11.81a), den KenngroBen Ace und Faa und der weiteren Abktirzung: Fee = , ^ \ 2

[S'/"^']

(11-^^)

2'g'AD folgt: hp=Ac+Faa'Qp±Fee'Ql

[m]

(11.89)

wobei fiir in die Kammer einstromendes Wasser (positives Qp) der letzte Term addiert und fiir aus der Kammer ausflieBendes Wasser (negatives Qp) dieser subtrahiert wird. Die tibrigen, linearen Glieder beriicksichtigen eine Anderung der FlieBrichtung wie bisher automatisch. Die Berticksichtigung der angeschlossenen Triebwasserleitung mittels (11.80) behalt auch im Falle des gedrosselten Wasserschlosses uneingeschrankte Gtiltigkeit. Setzt man die Beziehung von (11.80) in (11.89) ein, so folgt: F,,Qi±{F^+K^)Qp±{Ac-K,,) = 0

[m]

(11.90)

374

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

wobei wiederum fur positives, in das WasserschloB einstromendes Wasser addiert und fur negatives subtrahiert wird. Mit den Abkurzungen: Ji

F -\- K

(11.91a)

[m7s]

j^^Ac-K,,

^^6/32j

(11.91b)

gilt: Q^±Jj-Qp±jo=0

[mV]

(11.92)

woraus sich fur positives Qp (Addition) folgende LOsung ergibt: J.^'

Ji

^--7^7

•jo

[mVs]

(11.93)

ji Abkurzungen Fur negatives Qp soil der elementare LOsungsvorgang aufgezeigt werden: Durch quadratische ErgMnzung von (11.92) (Subtraktion) erhalt man: Qp-jj-Qp+('ir]

K2J

= f 4 l +Jo [ m V ]

(11-943)

was der Darstellung: j>^' + jo

JI

[m7s]

(11.94b)

Equivalent ist. Wurzelziehen ergibt:

f-&

Jl

fl^jo

[mVs]

(11.94c)

woraus nach Umstellung die Losung fur negatives Qp gemaB: ep=+y-Jy|

+70

[mVs]

(11.94d)

folgt. Das Argument der Wurzel von (11.93) gibt AufschluB dariiber, ob die Gleichung fur positives oder negatives Qp anzusetzen ist. Ebenso wie im Falle des ungedrosselten Wasserschlosses folgen hp, zp, QM, QU HM und hi durch Rtickeinsetzen von Qp in die weiter oben formulierten Gleichungen. Beispiele zur gekoppelten Wasserschlofi-Schwingungsberechnung Anhand einiger Beispiele seien typische Schwingungsmuster der gekoppelten WasserschloBschwingung aufgezeigt. Die Systemparameter smd Abb. 11.12 zu entnehmen.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

375

Die Turbine wird durch einen Schieber in Punkt 17 simuliert. Dieser wird so eingestellt, daB im stationaren Betriebsfall QT die Triebwasserleitung durchflieBt. Fur die untersuchten Falle von Turbinenabschaltungen wird dieses VerschluBorgan innerhalb einer vorgegebenen Zeit gemaB einem definierten SchlieBgesetz zugefahren. In den folgenden Abbildungen 11.13a sind die piezometrischen Druckhohen tiber der Zeit ftir die Punkte 1 (Talsperre), 5 (Zuleitungsdruckstollen, mittlerer Bereich), 9 (Zuleitungsdruckstollen, hinterer Bereich), 13 (Druckstollen, direkt nach dem WasserschloBfuBpunkt) und 17 (Druckstollen, direkt vor dem Krafthausschieber) aufgetragen. Die Abbildungen 11.13b enthalten die Einhtillenden der maximalen und minimalen Drucke fur das oberwasserseitige Stollensystem to den Betrachtungszeitraum. In Abb. 11.13c ist der zeitliche Verlauf des Wasserspiegels im WasserschloB dokumentiert, Abb. 11.13d zeigt im Zustandsdiagramm den Zusammenhang von Spiegelanderungen und Durchfltissen im WasserschloB. Die Abbildungsserie 11.13 gibt AufschluB tiber das Schwingungsverhalten eines ungedrosselten Schachtwasserschlosses. Wie oben gezeigt wurde, stellt die resultierende Massenschwingung fur den HochdruckstoUen eine zeitlich veranderliche Randbedingung dar. Die nur gering gedampfte DruckstoBschwingung vor dem Schieber (77) erreicht betrachtliche Werte. Die maximale Amplitude des Schachtwasserspiegels betragt beim gewahlten Beispiel ca. 10 m; die weiteren Eingangswerte sind der Tabelle 11.3 zu entnehmen. Durch eine symmetrische, „gtmstige" Drosselung wird dem schwingfahigen System sehr schnell soviel Energie entzogen, daB sowohl die Massen- als auch die Druckschwingung von vome herein geringer ausfallen und rasch abklingen (s. Abb. 11.13 Fall 2). Tabelle 11.3: Eingangswerte fiir die WasserschloBschwingungen in Abb. 11.13 Falll Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5

1 1000 ^ 1000 1000 1000 1000

X 0,018 0,018 0,018 0,018 0,018

Ho 280 280 280 280 280

h 5 5 5 5 5

dK

dj)

SD.e/M

iD,aus

7,0 7,0 7,0 7,0 7,0

7,0 2,5 1,7 2,5 2,5

0 13 13 25 1,8

0 13 13 1,8 25

Wird noch starker gedrosselt, so klingen die Schwingungen zwar noch rascher ab und die Wasserspiegelbewegung im Schacht fallt geringer aus. Man erkauft sich dieses Verhalten jedoch mit einer erhohten anfanglichen DruckstoBphase sowie erhohten Drucken im schwach geneigten Zuleitungsdruckstollen, da nun die Druckwellen nicht mehr ausreichend am Wasserspiegel des Wasserschlosses reflektiert werden, sondem in diesen hinemschlagen (s. auch MOSONYI und SETH [11.2]). Die letztgenannten Effekte lassen sich in Abb. 11.13 Fall 3 ablesen: Die Druckhohen des Punktes 5 im Zuleitungsdruckstollen sind wahrend der ersten 200 s von den charakteristischen hochfrequenten Druckschwingungen uberlagert, die Einhullende der DrUcke weist gegentiber Abb. 11.13 Fall 2 deutlich erhohte Werte auf.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

376 300

300

h[m]

h[m]

295

295

290

290

h9 h5 h1

285

285

A"''\

280

-^^^^ X"'

y^""^^

280

^ ^ ":^^

\~~^"~"'y 275

275

270

270

265

265

Fall 1

260

t[s] 200

0

400

600

260

Fall 2

t[s] 200

800

400

300 300

300

h[m]

h[m]

h[m]

295

295

290

295

13

290

h1

-- h5 285 285

290

//^"'~'"'v\ 280

^^_^^^^^

280

285

275 275 270

280 275

270

Fall 3

t[s] 200

400

265 0

t[s]

Fall 4 200

265

400 260

t[s]

Fall 5 200

400

Abb. 11.13: a) Druckschwingung im SchachtwasserschloB: Fall 1: ungedrosselt; Fall 2: symmetrisch „gunstige" Drosselung: ds = dD\ Fall 3: symmetrisch „ungunstige" Drosselung: do < ds; Fall 4: asymmetrische Drosselung: Cn.em » Cn.aus', Fall 5: symmetrische „gunstige" Drosselung: ^g/„ « Caaus Eine interessante Variante stellt das asymmetrisch gedrosselte WasserschloB dar. Im Fall von Abb. 11.13 Fall 4 ist die Eingangsdrosselung wesentlich groBer als die Ausgangsdrosselung, umgekehrt ist bei Fall 5 die Ausgangsdrosselung starker als diejenige fiir den in das WasserschloB einflieBenden Wasserstrom. ErwartungsgemaB ist eine geringe Eingangsdrosselung bei Maschinenabschaltungen (Lastfall des aufgetragenen Beispiels) mit einer geringeren anfanglichen Dampfung verbunden als der umgekehrte Fall. Die Frage, in welcher Phase es zur Erzielung einer groBtmoglichen betrieblichen Stabilitat am giinstigsten ist, Energie durch asymmetrische Drosselung aus dem Triebwassersystem zu entnehmen, kann nur im Zusammenhang mit typischen und extremen Schaltfallen der jeweiligen Anlage gelost werden.

377

11 Wasserschlosser und Schwallkammem 310

! h[m]

1

!

1

I

!

1

>' 11

1

? m ' m

305 h 300

1 1 1

jB

295 h ^ax,3

290

J-"

—

Pmax^l

S

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285

280

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K.

ix,2

5 ^S:~=sa»««

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h,tat

275 ; "min,3

270 :\^min,4 :

^eo! 265 h

260

m i

i

\i

i

\

i

I [Stati onen] L

J \pmin,2 \

i

i

^niin.l

Zw[m]

> /^" 115 y

^>-^ - . / ^ / Fall 2

J (^ %:>..J!^^"^L^...

•\.:N_^

^^1^--^ / " ' • • •

/Fall 4 10

15

Qw [mVs]

Kp 10

15

Qw [mVs]

Abb. 11.13: b) maximale und minimale Druckhohen; c) Wasserspiegelschwingungen im WasserschloB; d) Zustandsdiagramme 11.4.9.3 Lastvorgaben fiir die Stollenpanzerung Fur eine moglichst wirklichkeitsnahe Bemessung der Stollenpanzerung im Bereich des Wasserschlosses ist es von Vorteil, sich ein Bild xiber die Haufigkeiten und Intensitaten von WasserschloBschwingungen zu verschaffen [11.14]. Auf der Grund-

378

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

lage solcher Lastkollektive ist es moglich, die Dauerfestigkeit der Stollenpanzerung in kritischen Bereichen in die Bemessung einzubinden. 11.4.9.4 WasserschloBiiberwachung mittels Fuzzy Logik Verbesserte und erweiterte Kegel- und Steuerungsmoglichkeiten des Zusammenspiels zwischen der Anpassung der Maschinenleistung an den Verbraucherbedarf, der Druckbeschrankung im Triebwassersystem und der Kontrolle zulassiger Wasserspiegelauslenkungen im WasserschloB sind insbesondere bei der leistungssteigemden Nachriistung alterer Wasserkraftanlagen von groBer Bedeutung. Da sich meist bauliche Veranderungen aus KostengrUnden verbieten, konnen statt dessen neue betriebliche Anforderungen durch die Kombination bewahrter klassischer Regelungssysteme mit fiizzy-basierten Methoden (s. Kapitel 13.2.2) erfiillt werden [11.15]. Die ftizzy-basierte Regelung zielt dabei vor allem darauf ab, eine „gute" KompromiBlosung zwischen - der Sicherheitsanforderung Verhindem des Leerlaufens des Wasserschlosses - und der betrieblichen Maxime moglichst schnelles Nachfahren von verbraucherbedingten Lastanderungen zu finden. Die vorgeschlagene kombinierte Regelungsmethode setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen [11.15]: - grobe Leistungsvorsteuerung (Leitapparat-, Diisennadelstellung etc.) mittels traditionellem PI-Regler; - Einbeziehung des Druckes im Triebwassersystem als RegelgroBe fur den PI-Regler; - ftizzy-kontroUierte Leistungssollwertvorgabe. Im Prinzip wird der Leistungssollwert von einer ubergeordneten Leitzentrale aufgrund der Verbrauchemachfrage vorgegeben. Der sicherheitstechnische Gesichtspunkt maximaler bzw. minimaler Spiegelauslenkungen im WasserschloB erfordert hier jedoch eine auf das vorhandene WasserschloB zugeschnittene Regelung: - Keine fiizzy-angepasste Weitergabe des ubergeordnet vorgegebenen Leistungssollwertes bei Lastabwurf, d. h. die Lastanderungsgeschwindigkeit wird nicht beschrankt. - Fuzzy-basierte Anpassung der Lastanderungsgeschwindigkeit (Sollwerte) bei Lastaufiiahme. Als eine Funktion des Wasserspiegelstands im WasserschloB, dessen Gradienten, der Spiegelhohe im oberwasserseitigen Speicher sowie der Abweichung von Ist und Soil der Gesamtleistung wird der Zuwachs des Sollwerts fiizzy-modifiziert. Die schnellsten Lastaufiiahmegeschwindigkeiten sind bei hohem und ansteigendem Spiegelstand im WasserschloB realisierbar, kombiniert mit kleinen erforderlichen Leistungsanforderungen.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

379

Die Vorteile einer fuzzy-basierten Sollwertvorgabe sind: - sehr flexible und schnelle Regelung der Lastaufhahmegeschwindigkeit; - vergleichmaBigte und stets monotone Anderung der Lastaufhahmegeschwindigkeit gegeniiber konventioneller Regelung; - gUnstige Moglichkeit der Lastverteilung bei Anlagen mit mehreren, in unterschiedlichen Betriebszustanden befindlichen Maschinensatzen; - der Regelungseingriff bleibt auf die Sollwertvorgabe beschrankt und kann somit ohne groBe Anderungen an der Regelungs-Gesamtkonzeption einer Anlage verwh-klicht werden. 11.5

Sonderausfiihrungen

11.5.1

Anordnung bei Mitteldruckanlagen

Bei Speicherkraftwerken mit relativ langen Triebwasserleitungen (Damme mit groBer Basisbreite) und vergleichsweise geringen und stark schwankenden Fallhohen infolge veranderlicher Wasserspiegellagen im Speicher laBt sich der gewtinschte DurchfluB bei schnellem Offhen der Maschinen nur mittels des im WasserschloB bereitgestellten Wasservolumens erzielen. 11.5.2

Geheiztes WasserschloB

Unter kalten Klimabedingungen lauft das Wasser im WasserschloB Gefahr einzufrieren, wodurch dessen Funktion stark eingeschrankt, ja zunichte gemacht werden konnte. Dies zu verhindem, bedient man sich verschiedener Moglichkeiten: - Heizbarer AbschluB des Wasserschlosses am oberen Ende, - Anbringen von Isolationsschichten, - HeizfloBe bei kleinen Durchmessem. 11.5.3

Windkessel-WasserschloB

Einsatz und Bauweisen Bei Deckgebirge, welches entweder schwer zuganglich oder im Vergleich zu den geplanten Drucken nicht ausreichend dick ist, konnen WindkesselWasserschlosser eine wutschaftlich und betrieblich vorteilhafte Alternative zu konventionellen Wasserschlossem darstellen. Es ist dann beispielsweise moglich, statt der Aufteilung in einen schwach geneigten ZuleitungsdruckstoUen und einen steilen HochdruckstoUen einen gleichmaBigen, starker geneigten OberwasserDruckstollen zur Ausfuhrung zu bringen. Auch in der Trinkwasserversorgung wird dieser Typ zur DruckstoBdampfung haufig zum Einsatz gebracht. EntkoppelteWasserschloO-Schwingungsberechnung Die Herleitung der Grunddifferentialgleichung der entkoppelten Schwingungsberechnung fur das Windkessel-WasserschloB folgt - bei entsprechender Anpassung der Variablen - den Ausfuhrungen von MOSONYI [11.1].

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

380

Beim Ansatz der Druckkrafte Fj und F2 (s. Abb. 11.14) auf die StoUenquerschnitte 1 und 2 ist zusatzlich zu den Thermen von Gleichung (11.1a) und (11.1b) die Atmospharendruckhohe iiber dem Speicher: Pamb

[m]

(11.95)

[m]

(11.96)

sowie: kvk =

Pwk

als variabler Druck im Windkessel-WasserschloB zu berucksichtigen. Man erhalt daher mit den Bezeichnungen von Abb. 11.14 und fiir die anzusetzenden Krafte: Fi=9^'g-As'{ho-K,e-Kc-^Kmb)

[N]

F2 = Pw • g• As '{zjvk.o + zwk -^hvk -hy,c) Fr =pw'g-As-

h,r

(11.97a) (11.97b)

[N]

(11.97c)

[N]

und mit der in unveranderter Weise angesetzten Reibungskraft F/. Y^F = F,-F2-Fr [N]

(11.97d)

- 9M> ' g ' As ' (ho + hamb — K,e " Zwk,0 ~ ^Wk "~ hvk " K,r )

amb

Abb. 11.14: Definitionsskizze des Windkessel-Wasserschlosses Fiir die Aufstellung der Differentialgleichung der Spiegelschwingung im Windkessel-WasserschloB ist es vorteilhaft, die folgenden Substitutionen einzufuhren (s. Abb. 11.14): y = k}+hamb- zwk,o - z ^ yS=h-^hamb-Zwk,0 b = ys-ywkfi

[m]

M

[m]

(11.98a) (11.98b) (11.98c)

11 Wasserschlosser und Schwallkammem C = ys-ym.o

381

[m']

(11.98d)

hamb Pamb hwk PiYk zivk

Atmospharendruckhohe [m] Atmospharendruck [N/m^] Druckhohe im Windkessel-WasserschloB [m] Druck im Windkessel-WasserschloB [NW] Koordinate der Wasserspiegelschwingung bezogen auf den Ausgangsruhezustand (s. Abb. 11.14) [m] yj^o Hohe des luftgefullten Teils im Windkessel-WasserschloB in der Ruhelage [m] y/ys Substitutionen [m] b BestimmungsgroBe [m] C BestimmungsgroBe [m^] Somit erhalt man unter Beriicksichtigung von (11.97d) das Newtonsche Grundgesetz mit dem Widerstandsbeiwert p analog zu (11.30) in der Form: ^ - ^ + p . v i = - ^ . ^ [m] (11.99) P'g g dt GemaB dem Boyle-Mariotteschen Gesetz (isotherme Zustandsanderung von Gasen) gilt mit den Indizes 0 flir den Ruhezustand: Pwk'Vwk= Pwk,o ' Vm,o [Nm]

(11.100)

Fpf^ Volumen des luftgefullten Teils im Windkessel-WasserschloB [m^] Hierin laBt sich nun bei konstantem Querschnitt des Windkessel-Wasserschlosses Vjvk ersetzen durch: Vm={ym,o-zwk)-Aic

[m^]

(11.101)

und folglich gilt fur die Luftdruckhohe im Windkessel-WasserschloB:

Pwk _ Pwk.o 9'g

9'g

ym.o {ywk,o-Zwk)

_ y s ' ywk,o {ywkfi-zwk)

[m]

Awk Querschnittsflache im Windkessel-WasserschloB Das Newtonsche Gesetz aus (11.99) erhalt damit die Form: ys-ywi^^o . ^ ^ p . ^ 2 ^ _ / ^ . ^ {ywk,o-Zwk) g dt

[^]

(11.102) [m^] (11103a)

bzw. unter Einbeziehung der BestimmungsgroBen b und C aus (11.98c) bzw. (11.98d): dvs dt

C ^ ^g ^ [m] Is y-^'vl-—

(11.103b)

y-i

Fur den Fall des plotzlichen, vollstandigen SchlieBens des Schiebers jeweils vor den hydraulischen Maschinen lieferte die Kontinuitatsgleichung eine Losung fur v^ (11.32a) bzw. nach Differenzieren fur dvs/dt (11.32b). Dieser Ansatz ist auch hier gultig, da sich gemaB der Substitution (11.98a) dy/dt = - dzwk/dt ergibt (s.

382

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Abb. 11.14). Somit folgt aus (11.103b) unter Einbeziehung der Kontinuitatsgleichung: -p-^-^^-p^ + ^ - ^ - j ; - - ^ - ^ - — ^ =^ h Ale h Avk y-i> \Uldt J

[m/s']

(11.104a)

Diese Gleichung (11.104a) stellt die inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung fflr die Druck- bzw. Wasserspiegelschwankungen in einem Windkessel-WasserschloB bei Annahme isothermer Zustandsandemngen der in der Kammer enthaltenen Druckluft dar. Indem zusatzlich zum Dampfungsbeiwert m (11.35), zu der Winkelgeschwindigkeit co (11.27a) und der Schwingungsperiode T (11.26) der isotherme Kompressionsfaktor ^eingefthrt wird: 8 : = 1 . . _ ^ . C [mW] h Awk erhalt (11.104a) die endgultige Form zu: d^y 2 dt'

m (dy^ j . I ,. I +G> -J^ 2 [dtj

(11.104b)

§ 7 = 0 \^^\ y-b

(11.104c)

5 isothermer Kompressionsfaktor [m^/s^] Nimmt man anstatt isothermer adiabatische bzw. polytrope Zustandsanderungen der in der Kammer eingeschlossenen Druckluft an, so liefert die Gaszustandsgleichung: Y

Pwk _ pwk,o P •^

ywk,o

Y

_

P * ^ yywk.o ~ ^wk )

ys • ywk,o

r -.

^^^ ^Q^X

yywkfi ~ ^wk )

y Exponent Der Exponent ;^ergibt sich aus dem Verhaltnis der spezifischen Warmekapazitaten bei konstantem Druck bzw. konstantem Volumen der Gase. Fur Luft ist der Wert ;^= 1,4 charakteristisch. Bei realen Vorgangen - so auch beim Komprimieren und Dekomprimieren des im Windkessel-WasserschloB eingeschlossenen Luflpolsters - sind jedoch zumeist polytrope Zustandsandemngen zu beobachten, d. h. der Kontrollraum ist weder vollstandig isoliert, noch vollstandig warmedurchlassig. Ein solches Verhalten wird mit dem Ansatz, der aus der Zustandsgleichung der idealen Gase [11.16] folgt, ftir polytrope Zustandsandemngen approximiert: Pi {tj) • Vj {tj y = p2 {t2) • V2 {t2 y = const

[Nm]

(11.106)

p/ti) Druck zum Zeitpunkt tj [N/m^] Vjfti) Volumen zum Zeitpunkt tj [m^] n Polytropenexponent [-] wobei der Polytropenexponent« nahemngsweise konstant sei. Nach HORLACHER und LUDECKE [11.17] stellen brauchbare Losungen fiir Dmckluftwasserkessel Werte von « = 1,2-1,3 dar. GOODALL et al. [11.18] empfehlen fur lang-

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

383

same Anderungen (Stunden bis Tage) n = 1 (isotherm), fiir typische WasserschloBschwingungen von wenigen Minuten n = y= \,4 (adiabatisch). MOSONYI [11.1] zeigt, daB bei Ansatz von (11.103b), d. h. adiabatischer Zustandsanderungen, anstelle von (11.104c) die folgende inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung folgt: d'y '"(dy]\^..y__^^^o

df

2 \dt

[m/s^]

(11.107)

{y-by

wobei der adiabatische Kompressionsfaktor Sa mit der Konstanten Ca zugrunde gelegt wurde: ?>a=—- — -Ca

[mV]

(11.108a)

h An Ca>ys-yln.o W]

(11.108b)

Sa adiabatischer Kompressionsfaktor [m^/s^] [m^] Ca Konstante (adiabatische Zustandsanderung) Die Gleichung (11.104a) beschreibt den zeitlichen Verlauf der Druck- bzw. Wasserspiegelschwingungen hi der Kammer des Windkessel-Wasserschlosses bei plotzlichem vollstandigem SchlieBen des Krafthausschiebers und adiabatischer Zustandsanderung der m der Kammer eingeschlossenen Luft. Weder (11.104c) noch (11.107) lassen sich analytisch losen. Numerische Differenzenverfahren, wie z. B. unter 11.4.4.2 oder bei MOSONYI [ U . l ] , bieten sich wiederum zur entkoppelten Berechnung der Schwingungen un Wmdkessel-WasserschloB an. Gekoppelte Berechnung von WasserschloB- und Druckschwingung Wie bei den gewohnlichen Wasserschlossem werden Bewegungs- und Kontmuitatsgleichung fur einen StoUenabschnitt Ax aufgestellt und die numerisch zu behandehiden Gleichungen nach dem Charakteristikenverfahren formuliert. Die Kompatibilitats- und Kontinuitatsbedingungen der beiden Stollenabschnitte, zwischen die das Windkessel-WasserschloB eingeschaltet ist, sind gleichlautend mit (11.72a) bis (11.74) des Freispiegel-Wasserschlosses. Insbesondere gilt wieder der hi (11.79) formulierte Zusammenhang zwischen der Druckhohe hp in der Triebwasserleitung (FuBpunkt P des Druckluft-Wasserschlosses ui der Triebwasserleitung) und dem WasserschloBzufluB bzw. -abfluB. Mit den Bezeichnungen von Abb. 11.14 ergibt sich andererseits aus den Druckhohen un WasserschloB fur hp. hp = hwk,p + zwk,o + zwk,p [m] (11.109) Die Wasserspiegellage zum Zeitpunkt P ermittelt sich wiederum aus der Wasserspiegellage zum Zeitpunkt 3 plus der Anderung Azwk infolge eines einfach gemittelten Wasserzustromes (s. (11.81a)): zwk,p=zm,3+-——Qs+-z——Qp 2' Awk 2' A^k

M

(11.110)

384

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Mit der Abkiirzung Faa == ^t/(2 -Aw) von (11.83b) liefert die Kombination von (11.79), (11.110) und (11.109): hvk,P =Kbb-Zwk,0-Zwk,3-^—

Q3-{Faa'^Kaa)'Qp

[m]

(11.111)

2' AiYk

Mit den Definitionen: ai=Faa+Kaa

[s/m']

(11.112a)

as=Kbj,-Zwk,o-Zwk,3-{^tl2'Awk)'Q3

[m]

(11.112b)

ciu =pM^ga/

(11.112c)

^33 =9w'g'a3 ergibt(ll.lll): hvk,P=a3-arQp

(11.112d) [m]

(11.113)

und Pwk,p =Pw'g'Ci3-pM^'g'aj'Qp =a33-ajj'Qp

[NW]

(11.114)

aj Abkiirzungen Fiir die Einarbeitung der Gaszustandsgleichung werden, zusatzlich zu den Wasserspiegellagen zu den Zeitpunkten 3 und P, die Volumina Vsfts) bzw. VwkA^p) der druckluftgefiillten Kammer benotigt. Analog zu (11.110) gilt: V3=Avk'{ywk,o-zwk,3)

[m^]

Vwk,P=V3-^^-^'Qp

(11.115a)

[m']

(11.115b)

Setzt man (11.114) und (11.115b) unter Beachtung der Abkiirzungen: bj=^^-^ b2=^

[m']

(11.116a)

[s]

(11.116b)

in die Gaszustandsgleichung/?fpjt,/> • Vm/ = Cwk ein, folgt daraus: {a33-au'Qp)iV3-bi-b2'Qpy

=Cwk [Nm]

(11.117)

hi Abkiirzungen Da die Gleichung (11.117) nichtlinear in Qp ist, wird das Newtonsche Naherungsverfahren zur Berechnung dieser GroBe eingesetzt, wobei diese eine Funktion F(Qp) sei. Fiir zwei Punkte Pi und P2 gilt dann: FiQpj)

,

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

385

wobei: F{Qp,) = {as3-ajj'Qp,)'{Vs-bj-b2'Qp,y-Cjvk

(11.119)

Mit den Abkurzungen: A{Qp,) = as3-an'Qp,

(11.120a)

B{D{Qp,)) = {Vs-bj-b2'QpJ

(11.120b)

nimmt (11.119) die Form: F{Qp,) = A{Qp,)'B{D{Qp,))-Cm

(11.121a)

an. Die Ableitung davon lautet: F\QP,)

= A'{QP,)B{D{QP,))^A{QP,)B'{D{QP,))D'{QP,)

+0

(11.121b)

Mit den oben eingefuhrten, dann abgeleiteten Defmitionen ergibt sich hieraus: F'{Qp^) = {-an)iVs-b,-b2-QpJ ^{ass-au

^^^^^^^^

Qp, y 'liVs

-bj -b2 QP, )'"' -(-fe)

Die Iterationsvorschrift (11.118) wird - nach Umspeicherung von Qp2 auf gp; solange wiederholt, bis: \Qp,-Qp,\
[mVs]

(11.122)

[mVs] s Konvergenzkriterium: i. d. R. 0,0001 < ^ < 0,001 1st dies erflillt, dann sei F(Qp) = 0 und somit Qp = Qp2. Die Ubrigen Parameter (hp, zjvk, Pm, hwk usw.) lassen sich nach Erhalt von Qp wie bisher aus den zuvor aufgestellten Bedingungsgleichungen berechnen. Auch der stationare Ausgangszustand muB iterativ berechnet werden. Die H6henkoordinate z^oi des mit Druckluft gefiillten Volumens uber dem Wasserspiegel berechnet sich im stationaren Ausgangszustand gemaB: Zvoi = ywk,o - zwk,stat [ m ]

(11.123)

Zvo/ Hohenkoordinate [m] Hierin ist zwk positiv angesetzt, z^oi muB stets groBer 0 sein. Es muB fiir die Druckhohen gelten: Ktat =Zwk,0+

Zwk,stat + hvk,stat

[Hl]

(11.124a)

gelten. hstat entspricht dabei der absoluten piezometrischen Druckhohe im FuBpunkt des Windkessel-Wasserschlosses bei stationarem Betrieb. hstm errechnet sich aus ho + hamb abzuglich der stationaren Rohrreibungsverluste. (11.123) in (11.124a) eingesetzt, ergibt nach Umordnen: hstat — hvk,stat ~ ^Wk,0 ~yWk,0

"^ ^vol

—

Haa^z^oi [m]

(11.124b)

Die Gaszustandsgleichung liefert andererseits: hvk

'g'A^'z"oi=

hvk.stat • Hjyb'Zvoi = Cm

[Nm]

(11.125)

386

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

Je nachdem wie schnell Anderungen zwischen stationarem und instationarem Zustand zu erwarten sind, ist der Polytropenexponent mitn= 1-1.4 abzuschatzen. Mit den Ersatzausdrucken Haa, Hbb und Hcc = Haa Hbb kann (11.125) zur Berechnung von z^oi mit Hilfe des Newtonschen Iterationsverfahrens als Funktion F(z^oi) gemaB: F [Zyoi) = Ffbb' Zvo/ + ffcc' Zvoi - Cwk

(11- 126a)

dargestellt werden. Mit der Ableitung: F\z,oi) = {n + iyH,,^zli+n'H,,'z':^/

(11.126b)

erhalt man die Newtonsche Iterationsvorschrift: ^ \^vol,alt ) p ^ T V^\ Zvolmu = Zvol,alt " —} ^ \^vol,alt)

.^ ^ 1 TTX (11.127)

Damit sind auch die stationaren Ausgangswerte z^^stat aus (11.123), hwk,stat aus (11.124a) und: V3 ={ywk,0

-Zwk,stat)Ark

[m^]

(11.128)

unter Beriicksichtigung absoluter Druckhohen bestimmt und fur die sich anschlieBende transiente Berechnung bereitgestellt. Stabilitat Zur Abschatzung der Stabilitat ist es zweckmaBig [11.18], einen aquivalenten Windkessel-WasserschloBquerschnit Awk,aqui gemaB: Awk,.,ui=

^

/

[m']

(11.129a)

l + n'^'Y / ywk,o

Awk,aqui aquivalenter Windkessel-WasserschloBquerschnit [m^] zu definieren und ftir diesen das Thoma-Kriterium von (11.61) sinngemaB anzuwenden. Der Index 0 bezeichnet dabei die Ruhelage. Da Ublicherweise 1/Awk im Nenner in (11.129a) deutlich kleiner als der restliche Teil des Nenners ist, kann man fur Uberschlagsrechnungen diese Gleichung vereinfachen zu: Awk,aqui =

7

=—7—

[m ]

(11.129b)

Betriebserfahrungen in Norwegen haben gezeigt, dal3 bei Windkessel-Wasserschlossem die Stabilitat bei Regelvorgangen im allgemeinen deutlich besser ist als bei konventionellen, offenen Schachtwasserschlossem. Beispiele zum gekoppelten Schwingungsverhalten Fiir das in Abb. 11.15 skizzierte System mit den Eingangswerten aus Tabelle 11.4 seien einige Merkmale des Schwingungsverhaltens von Triebwassersystemen mit Windkessel-Wasserschlossem bei der gekoppelten Betrachtung von Dmck- und Massenschwingungen beispielhaft aufgezeigt. Aufgetragen sind in den folgenden Diagrammen absolute piezometrische Dmckhohen. Bei dem vorliegenden Beispiel

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

387

handelt es sich um ein ungedrosseltes System, deshalb ist die vorhandene Dampfung vergleichsweise gering. Der Veranschaulichung moge die Vorstellung dienen, dai3 das Windkessel-WasserschloB wie eine Feder wirkt. Diese erweist sich harter bei Verkleinerungen des zur Verfugung stehenden Luftraumes in der druckdichten Kammer oder durch die Annahme adiabatischen (keine Energiedissipation) anstatt isothermen Verhaltens. Vergleicht man die Beispielrechnung von Fall 1 (isotherm) mit Fall 2 (adiabatisch) in Abb. 11.16, so lassen sich die folgenden Beobachtungen machen: Im adiabatischen Fall ist die Schwingungsperiode ktirzer, die Einhiillende der Dnicke im Zuleitungsdruckstollen liegt geringfugig hoher, die Druckamplituden im WasserschloBfliBpunkt sind groBer, die Wasserspiegelschwankungen sind jedoch kleiner. Die Druckschwingungsamplituden vor der Maschine sind in beiden Fallen etwa gleich, im adiabatischen Fall iiberlagem sie sich jedoch einer starker oszillierenden Druckschwingung im WasserschloB.

Abb. 11.15: Systembeispiel fur die gekoppelte Berechnung der Massen- und Druckschwingungen in einer Triebwasserleitung mit Windkessel-WasserschloB Von iiberragendem EinfluB auf die Druckschwingung ist bekanntlich die SchlieBzeit des Schiebers. Dies geht emeut aus einem Vergleich von Fall 1 mit Fall 3 in Abb. 11.16 hervor: Eine Verkurzung des SchlieBvorganges von ts= 5 s (Fall 1) auf ts = 3 s (Fall 3) bringt eine deutliche AmplitudenvergroBerung der hochfrequenten Druckschwingung vor dem Schieber mit sich. Die weitaus tragere Massenschwingung, beispielsweise charakterisiert durch die Punkte 5 und 9 im Zuleitungsdruckstollen, wird von diesen kurzfristigen Anderungen weder in der Amplitude noch in der Periode merklich beeinfluBt. Tabelle 11.4: Eingangswerte fiir die WasserschloBschwingungen in Abb. 11.16 Fall 1 (isotherm) Fall 2 (adiabatisch) Fall 3 (isotherm)

a 1000 1000 1000

Ho (relativ) A 0,011 205 0,011 205 0,011 205

ts 5 5 3

dwk

ywk

ZWk,0

23,13 23,13 23,13

10,0 10,0 10,0

15 15 15

n 1,0 1,4 1,0

388

11 Wasserschlosser und Schwallkammem 260 17

h[m]

13

240 h1

/v--\ 220

/''

_7c'--"~-->^

^"KV "sy

200

j^'^"~

^~^V

\^_£^^;^

^^^<^^3y

180 Fall 1

t[s] 200

0

400

600

800

260 \~ 13 h9

-

h[m] 240 \1

220

/C\

^\

r

'K

r'

y^''"~~~A.

/

vH W

200

400

V-"'

200

"^X

\c i ^

/^-^"~~~^\

180 Fall 2

t[s]

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Abb. 11.16: a) Druckschwingung im Windkessel-Wasserschlofi: Fall 1: isothermes Verhalten mit ^5= 5 s; Fall 2: adiabatisches Verhalten mit ^5 = 5 s; Fall 3: isothermes Verhalten mit ^^ = 3 s Beachtung verdient auch der Umstand, daB das Stabilitatskriterium bei adiabatischer Rechnung einen groBeren WasserschloBquerschnitt als im isothermischen Fall erfordert, d. h. der rechnerische Sicherheitsfaktor bezUglich der hydraulischen Stabilitat ist bei konstantem dwk groBer.

11 Wasserschlosser und Schwallkammem ! \

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Abb. 11.16: b) maximale und minimale Druckhohen; c) Wasserspiegelschwingungen im WasserschloB; d) Zustandsdiagramme (Fall 1 und Fall 3) Aufrechterhaltung des erhohten Luftdrucks Der planmaBig erhohte Luftdruck wird mittels Kompressoren hergestellt. In Abhangigkeit von den Revisionsintervallen kann der Luftdruck Monate bis Jahre aufrecht erhalten werden. Je nach Dichtheit des umgebenden Gebirges ist wahrend des Betriebs nur sehr selten ein Nachjustieren des Druckes mit den Kompressoren erforderlich. Gegebenenfalls sind die Felsbereiche um die Kaveme des Windkessel-Wasserschlosses zu verpressen oder mit einem unter Druck gehaltenen Wasservorhang zu versehen. Die Druckverluste durch Losung der Luft in der Kontaktflache mit dem Triebwasser sind minimal. 11.6

Literatur

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390

11 Wasserschlosser und Schwallkammem

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391

12

VerschluB- und Regelorgane bei Rohrleitungen

Die VerschluB- und Regelorgane in Rohrleitungen stellen wichtige Elemente jeder wassemutzenden Anlage dar. Sie regulieren die Zuleitung, Verteilung und Abfxihrung von flieBenden oder ruhenden Wassermassen, die angesichts der standig wachsenden Abmessungen und Betriebsdrucke sowie der zunehmenden Anspruche an moglichst geringem Druckhohenverlust und Funktionstiichtigkeit hochwertige maschinelle Sonderausfuhrungen darstellen. Dire Gestaltung ergibt sich aus den mannigfaltigen Fordemngen hinsichtlich stromungstechnischen Verhaltens, Festigkeit, Korrosionsbestandigkeit, Funktionstiichtigkeit, Betriebseigenschaften und Wirtschaftlichkeit. Zur Gesamtanlage stehen sie daher in enger Wechselwirkung. Als wichtige Elemente der Wasserkraftanlage beherrschen sie den WasserzufluB zu den Turbinen, ermoglichen die Absperrung oder Entleerung einzehier Leitungsabschnitte, geben bei Entnahmeleitungen und Grundablassen einstellbare Wassermengen an die Unterlieger ab und sorgen bei Entlastungsanlagen fur eine wirksame Energieumwandlung der mit groBer Geschwindigkeit in das Unterwasser austretenden Wassermassen. Die Betriebssicherheit einer der wassemutzenden Anlage hangt in auBerordentlichem MaBe von der Zuverlassigkeit der den WasserdurchfluB regehiden und absperrenden Einrichtungen ab. Ihre Aufgabe ist es also auch, bei Schaden an der Rohrleitung oder an den Maschinen die unterhalb der Schadensstelle beflndlichen Anlagenteile und deren weitere Umgebung vor dem unter Umstanden mit katastrophaler Wucht austretenden Wasser zu schutzen. Vielfach werden die VerschluBorgane fiir Fembedienung und automatische Steuerung ausgertistet. Teilweise ubemehmen sie die Aufgaben der Betriebsiiberwachung und schlieBen als SchnellschluBorgane bei Uberschreitung einer vorher als hochstzulassig eingestellten Wassergeschwindigkeit selbsttatig. 12.1

Anordnung und Grundformen von Krafthaus- und GrundablaOschiebern

12.1.1

Aufgaben und Anordnung

Bei VerschluBorganen unterscheidet man zwischen Absperr- und Regulierorganen. Die ersteren sperren in einer Rohrleitung entweder den Wasserstrom ab oder geben ihn vollig frei. Bei letzteren sind un Gegensatz dazu im Dauerbetrieb samtliche Zwischenstellungen bzw. Teiloffhungen moglich, ohne daB eine schadigende Wirkung durch Kavitations- und Schwingungserscheinungen eintritt. Beide Typen konnen auch die Aufgabe haben, den Betrieb zu uberwachen, womit eine Messung der durchstromenden Wassermenge verbunden ist. Triebwasserfuhrungen, die sich aus Druckstollen, WasserschloB und Druckrohrleitung bzw. Druckschacht zusammensetzen, erhalten auBer der Absperrvorrichtung am Einlauf (s. Kapitel 5.3) hinter dem WasserschloB am LFbergang vom Stollen zur Falleitung ein zweites VerschluBorgan. Dieses dient ausschlieBlich zur volligen Absperrung des Wasserzuflusses und ist stets als SchnellschluBsicherheitsorgan ausgebildet.

392

12 VerschluB- und Regelorgane

Absperrorgane sind auch die am unteren Leitungsende direkt vor den Turbinen befmdlichen Verschlusse, da die veranderliche Beaufschlagung der Turbinen, d. h. die Anpassung der zur Energieerzeugung notwendigen Wassermenge an die jeweilige Netzbelastung, durch die von den Reglem gesteuerten Dusennadeln bei Pelton-Turbinen bzw. den Leitapparat bei Francis-Turbinen bzw. den Leitapparat und die Laufradschaufeln bei Kaplan-Turbinen selbst vorgenommen wird. Die Turbinenabsperrorgane miissen in der Lage sein, bei maximaler Turbinenwassermenge jederzeit gefahrlos zu schlieBen, sobald der Regler aus irgendeinem Grund den Leitapparat nicht mehr zu betatigen vermag. Demzufolge soil dieser VerschluB unabhangig von der Druckolversorgung der Turbinenregulierung bedient werden konnen. Im Regelfall werden jedoch die Absperrorgane bei geschlossenem Turbinenleitapparat, d. h. in ruhendem Wasser bei vollem Druckausgleich vor und hinter dem Schieber, geoffhet und geschlossen. In Pumpendruckleitungen, Entnahmeleitungen und Grundablassen ist eine Regelung der geforderten Wassermenge notwendig, weshalb in solchen Leitungen VerschluBorgane zum Einsatz kommen, die neben volligem Offiien und SchlieBen die durchstromenden Wassermengen den Betriebserfordemissen mit Zwischenstellungen angleichen. In Pumpendruckleitungen muB em Drosselorgan vorhanden sein, damit die Pumpe gegen den geschlossenen Schieber angefahren und allmahlich schwingungs- und kavitationsfrei durch sukzessives Offhen des Regulierschiebers in den normalen Betrieb ubergefuhrt werden kann. Ebenso kann bei niedrigen manometrischen Forderhohen ein sogenannter Drosselbetrieb mit dem Regulierschieber fur das kavitationsfreie Arbeiten der Pumpen notwendig werden. Bei Grundablassen und gegebenenfalls auch bei Hochwasserentlastungsanlagen, die das Hochwasser in einem Stollen abfuhren, tritt das Wasser tiber Regulierschieber am Ende der Leitung ins Freie aus. Wenn dort Atmospharendruck herrscht, wu*d das gesamte Rohgefalle abzuglich der verschiedenen Energieverluste in kinetische Energie umgesetzt, so daB hohe Geschwindigkeiten entstehen. AuBerdem kann diese Energieumwandlung durch Auflosen des Wasserstrahles bei zweckmaBiger Schiebergestaltung forciert werden, indem durch Reibung, Luftaufhahme, StoB, Verwu*belung und Zerstaubung ein groBer Teil der Bewegungsenergie schadlos aufgezehrt wird. Je weiter der Wasserstrahl aufgerissen und damit beliiftet wird, desto besser ist die Energieumwandlung. Dem kavitations- und stoBfi-eien Arbeiten der AuslaBschieber ist daher besondere Beachtung zu widmen, da sonst gefahrliche RUckwirkungen auf das gesamte Bauwerk entstehen. Die luftseitige Anordnung des Regulierschiebers ist auBer des leichteren Zuganges gunstiger als der Standort innerhalb der Entlastungsleitung. Im ersteren Fall herrschen auf der Unterwasserseite eindeutige Druckverhaltnisse (Druckhohe des Unterwassers bzw. Atmospharendruck). Bei richtiger Gestaltung des Schiebers liegt dieser Druck auch an der regebiden Spaltoffhung vor, womit die AusfluBmenge durch AusfluBquerschnitt und Fallhohe gegeben ist. Im anderen Fall sind die AbfluBverhaltnisse sehr stark von den jeweiligen Stromungsvorgangen un anschlieBenden Leitungsabschnitt abhangig, sofem nicht durch eine intensive Beliiftung dieses Leitungsteiles der hydraulische Charakter des Endverschlusses erhalten bleibt. Die regebide Wirkung des innerhalb der AbfluBleitung eingebauten Schiebers kommt durch den Ubergang vom einstellbaren geringen SchieberdurchfluBquer-

12 VerschluB- und Regelorgane

393

schnitt zu dem groBen Querschnitt der AbfluBkammer bzw. des Unterwasserstollens zustande, wodurch erhebliche, die Bruttofallhohe abbauende Energieverluste entstehen. Im Gegensatz zu den Turbinenschiebem, die im Normalfall bei Druckausgleich zu bedienen sind, miissen GrundablaBschieber stets in stromendem Wasser gegen den vollen einseitigen Wasserdruck bewegt werden. Im allgemeinen werden in jeden GrundablaB und BetriebsauslaB auBer einem wasserseitigen NotverschluB zwei Verschlusse eingebaut, der luftseitige bildet den RegulierverschluB, der wasserseitige den AbsperrverschluB. Beide mtissen unabhangig voneinander bedienbar sein, wobei das Absperrorgan bei vollem Druckausgleich betatigt wird. Lediglich im Gefahrenfall ist eine Bewegung in stromendem Wasser ahnlich dem in Triebwasserleitungen angeordneten Rohrbruchsicherheitsorgan notig. 12.1.2

Grundtypen

Die Grundformen der Absperr- und Regulierorgane ergeben sich aus den mannigfaltigen Forderungen, die an die Verschlusse gestellt werden: a) moglichst glatter DurchfluB in Offenstellimg, damit geringe Energieverluste und geringe Versandungsgefahr; b) Dauerbetriebsfahigkeit in beliebigen Zwischenstellungen bei Regulierschiebem zur Abgabe bestimmter Wassermengen, ohne daB Kavitation und Schwingungen auftreten, sowie wirksame Energieumwandlung bei Endverschliissen; c) tropfdichter AbschluB; d) sichere Betriebsfahigkeit ohne Druckausgleich vor und hinter dem Schieber; e) leichte und schnelle Bedienungsmoglichkeit; f) leichte Auswechselbarkeit der Telle, die dem VerschleiB unterliegen; g) geringe Wartung; h) kleiner Raumbedarf; i) Aufiiahme bzw. Weiterleitung der statischen und dynamischen Krafte; k) Wirtschaftlichkeit. Samtliche Forderungen konnen nicht von einem VerschluBorgan gleichzeitig befriedigt werden, jedoch sind eine ganze Reihe guter Konstruktionen entwickelt worden, die bei zweckmaBiger Wahl bestimmten Betriebsaufgaben gentigen. In Abb. 12.1 sind die Typen der gebrauchlichsten Absperr- und Regulierschieber dargestellt. Ihre nahere Beschreibung und Untersuchung der hydraulischen Eigenschaften wird in den nachsten Absatzen erfolgen, so daB hier lediglich die charakteristischen Merkmale hervorgehoben werden. Beim Keilschieber bewegt sich der AbschluBkorper senkrecht zur Stromung in der Rohrleitung. Die Drosselklappe enthalt als AbschluBkorper eine um die Mittelachse drehbare Scheibe, die in Offenstellung je nach Scheibenstarke eine nahezu vollstandige Parallelstromung ermoglicht. Einen vollkommen glatten DurchfluB gestattet ahnlich dem Keilschieber der Kugelschieber, auch als Kugelhahn bezeichnet, in Offenlage, dessen Drehkorper eine AbschluBplatte tragt, die durch den Rohrleitungswasserdruck beim SchlieBen gegen einen Dichtungsring gepreBt wird und einen tropfdichten AbschluB gewahrleistet. Diese drei Schiebertypen

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12 VerschluB- und Regelorgane

stellen Absperrorgane dar, da sie sich im allgemeinen nur fiir die Funktionen des volligen SchlieBens bzw. Offiiens eignen.

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Abb. 12.1: Gebrauchliche Typen der Absperr- und Regulierschieber: a) Keilschieber; b) Drosselklappe; c) Kugelschieber; d) Ringschieber; e) Hohlstrahlschieber; f) Kegelstrahlschieber [12.1] Zu den Regulierorganen zahlen die Ring-, Hohlstrahl- und Kegelstrahlschieber, die in alien Zwischenstellungen giinstige Stromungsverhaltnisse gewahren und daher wesentlich geringere Antriebskrafte erfordem. Beim Ring- bzw. Hohlstrahlschieber wird ein im Wasserstrom zentral vorhandener AbschluBkorper langs der Rohrachse in bzw. entgegengesetzt der Stromungsrichtung bewegt. Der Kegelstrahlschieber enthalt einen iiber Schotte an den Schiebermantel angeschlossenen Kegel, wobei der AbfluB zwischen den Mantelflachen des Kegels und des Tragrohres durch ein in Stromungsrichtung verschiebbares Zylinderschiitz geregelt wird. 12.1.3

Gebrauchliche Schieber in Turbinen- und Pumpenleitungen

Als AbschluBorgan am Ubergang vom Stollen zur Rohrleitung unterhalb des Wasserschlosses wird heute nur noch die Drosselklappe verwendet, da sie sich durch Robustheit, einfachen Aufbau, hervorragende SchnellschluBeigenschaften und Betriebssicherheit bei geringem Platzbedarf auszeichnet. Da an dieser Stelle die FlieBgeschwindigkeiten bei etwa 2 bis 3 m/s liegen, sind die durch die Drosselklappe bedingten Druckhohenverluste relativ klein. Anders verhalt es sich jedoch bei vor Turbinen angeordneten Verschliissen. Infolge der hoheren Stromungsgeschwindigkeiten ergeben Drosselklappen groBere Energieverluste, so daB bei Fallhohen bis etwa 100 m eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung iiber die Verwendung der raumsparenden einfachen Drosselklappe oder des wesentlich teureren, aber verlustarmen Kugelschiebers entscheiden muB. Ringschieber werden im Kraftwerksbetrieb nur noch als Regelorgan in Pumpendruckleitungen verwendet. Doch auch hier zeichnet sich eine Entwicklung zum Kugelschieber hin ab. Im Pumpspeicherwerk Glems sudlich von Stuttgart werden Kugelschieber sowohl fUr die Turbinen als auch fur die Speicherpumpen als AbschluBorgan eingesetzt. Die Verlustbeiwerte von Ringschiebem und Drosselklappen sind ungefahr gleich groB und betragen ein Vielfaches des fiir Kugelschieber

12 VerschluB- und Regelorgane

395

gultigen Verlustbeiwertes, der kaum hoher ist als der Reibungsverlust eines Rohrstuckes gleichen Durchmessers und gleicher Baulange. In alteren Kraftwerken ist der Ringschieber noch als Turbinenabsperrorgan zu finden, da seine einwandfreie Regulierfahigkeit ein nahezu erschutterungs- und druckstoBfreies Arbeiten ermoglicht. Auch wurde er haufig als Rohrbruchsicherheitsorgan eingesetzt. 12.1.4

Gebrauchliche Schieber in Grundablassen und Hochwasserentlastungsanlagen

Als EinlaufverschluBorgan gegen die Wasserseite werden vielfach neben Schiitzen und Klapptafeln je nach GroBe der Leitung auch Keilschieber verwendet. Ist die Leitung nur abzusperren oder freizugeben, so wahlt man fiir die weiteren VerschlUsse Keilschieber oder Drosselklappen. Ringschieber, Hohlstrahl- und Kegelstrahlschieber kommen als luftseitiger BetriebsverschluB in Frage, wenn eine Regelung der abzugebenden Wassermengen vorzunehmen ist. Unter Umstanden werden in kleineren Anlagen aus wirtschaftlichen Griinden (geringer Platzbedarf, billige Konstruktion) auch bei veranderlicher Wasserabgabe Drosselklappen eingebaut, obwohl sich bei diesen infolge der Schragstellung des Klappenkorpers ungiinstige Stromungsverhaltnisse einstellen und sie daher wegen der hierbei groBen, auf Klappenscheibe und Antrieb wirkenden hydrodynamischen Momente stark zu bemessen sind. Ebenso kann bei geringem Betriebsdruck und kleinerem Rohrdurchmesser ein Keilschieber als EndverschluB an der Luftseite des Grundablasses eingesetzt werden. Die im allgemeinen in Verbindung mit einer Drosselklappe (als ZweitverschluB) zur Verwendung gelangenden, oben genannten Regulierschieber zeichnen sich durch stromungstechnisch gtinstige Strahlfiihrung und damit fast erschiitterungsfreies Arbeiten aus. Beim Ringschieber flieBt der Wasserstrahl in geschlossener Form ab. Bei freiem Austritt lost er sich erst nach einer gewissen Sprungweite auf. Der kompakte Strahl bildet trotz entsprechender Ausbildung des Tosbeckens oft erne unerwUnscht hohe Flachenbelastung. Besonders bei beschrankten ortlichen Platzverhaltnissen im Unterwasser ist es von Bedeutung, bereits im Schieberinneren einen Abbau der hohen kinetischen Energie einzuleiten und diesen durch Auflockerung des Strahles und der damit verbundenen intensiven Luft- und Wasserreibung zu verstarken. Bei Geschwindigkeiten Uber 4 m/s wird vom Wasser infolge Unterdruckerscheinungen Luft aufgenommen, so daB die Aufspaltung des abflieBenden Strahles in Form eines Hohlstrahles sehr gixnstig ist. Diese Uberlegungen fiihrten zu der Entwicklung des Hohlstrahlschiebers und des Kegelstrahlschiebers, die beide auBer der giinstigeren Strahlbildung auch noch hohere AusfluBleistungen als der Ringschieber aufweisen. 12.1.5

Schnellschlufiorgane

Zum Schutz einer Wasserkraftanlage gegen unzulassigen Wasseraustritt werden SchnellschluBorgane eingesetzt, die nach Auftreten eines Schadens im Rohrleitungssystem oder an der Maschinenanlage automatisch den Wasserstrom absperren. Als SchnellschluBorgane haben sich Drosselklappen und Ringschieber sehr bewahrt. Letzterer wird insbesondere bei Pumpendruckleitungen eingesetzt, wo er

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12 VerschluB- und Regelorgane

die drei Funktionen des Pumpenregelschiebers, des Riickschlagorganes bei Pumpenausfall und des SchnellschluBorganes bei Rohrbruch iibemehmen kann. Drosselklappen werden bevorzugt als Rohrbruchklappen in Triebwasserleitungen am Anfang von Gefalleleitungen hinter Staubecken oder WasserschloB und in Grundablassen eingebaut. Das SchlieBen des Rohrbruchsicherheitsorganes muB durch eine entsprechende Steuerung so erfolgen, daB der Wasserstrom nicht unmittelbar abgebremst sondem mit Riicksicht auf entstehende DruckstoBe allmahlich nach festgelegtem SchlieBgesetz zum Stillstand gebracht wird. Die selbsttatige Auslosung der Rohrbruchsicherungen kann geschwindigkeits-, druck- oder mengenabhangig sein. In den ersten beiden Fallen dienen Staupendelscheiben, Druckdifferenzmessungen in Staurohren, Staublenden, Venturirohre oder andere druckverlusterzeugende Einbauten zur Erfassung der Druckdifferenz, die auf Quecksilberkippwaagen, Druckdifferenzmesser oder Stromungsmesser tibertragen wird. Auslösevorrichtung

Fallgewicht Verriegelung

elektr. betriebene Drosselklappe

Be- und Entlüftungsventil

Stauscheibe

Fallgewicht Drosselklappe

Umlaufleitung

Ölbremse bzw. Druckölantrieb

Abb. 12.2: Apparatekammer mit elektrisch angetriebener (links) und schnellschlieBender Fallgewichtsdrosselklappe (rechts) [12.1] Bei GrundablaBleitungen finden diese Verfahren weniger Anwendung, da durch die Verunreinigungen des Wassers unbeabsichtigt eine Auslosung herbeigefuhrt werden kann und auBerdem bei kurzen Leitungen die Anderungen der Stromungszustande zu schroff sind. Hier wird die Auslosung des Schnellschlusses haufig durch Magnetbetatigung von der Schaltwarte her besorgt, wobei ein unter elektrischer Spannung gesetzter Magnet die Verriegelung eines Fallgewichtes aufhebt (s. Abb. 12.2). Dessen Fall wu-d durch eine Oldruckbremse abgefangen und entsprechend den hydraulischen Anlageverhaltnissen gesteuert. Hierbei werden etwa 60 % des SchlieBweges schnell, der Rest in einem langeren, vorgegebenen Zeitraum zuriickgelegt, wodurch wesentliche DruckstoBe ausgeschaltet werden. SchnellschluBorgane werden auch mit olhydraulischem Antrieb unter Verwendung eines SchlieBservomotors, Oldruck-Gewichtsakkumulators oder Windkessels ausgeftihrt. Dieser kommt insbesondere bei groBen Nennweiten und hohen BetriebsdrUcken anstelle von Fallgewichtsantrieb zum Einsatz. Beim SchlieBservomotor wird die SchlieBseite des Kraftkolbenantriebes direkt mit einer sicheren Druckquelle verbunden, wahrend die Offhungsseite gesteuert wird. Bei Druckausfall auf der Offiiungsseite schlieBt das Absperrorgan selbsttatig.

12 VerschluB-undRegelorgane

397

Die in Abb. 12.2 welters dargestellte elektrisch angetriebene Drosselklappe, die auch von Hand bedient werden kann, dient zum RohrabschluB im Normalfall. 12.1.6

Be- und Entliiftungsventile

Wie Abb. 12.2 zeigt, gehort zur AusrUstung der Schieberkammer fur SchnellschluBorgane auch ein Beliiftungsventil oder ein Luft zufiihrender Steigschacht, die den bei Entleerung der Leitung auftretenden Unterdruck ausgleichen. Erheblicher Unterdruck kann sich vor allem dann ausbilden, wenn infolge der Drosselung der Armatur der ursprungliche AbfluB von der Zulaufseite unter dem bestehenden Druckgefalle nicht mehr allein nachlauft und die AnschluBleitung zu saugen beginnt, um die erforderliche Nachstrommenge zu erhalten. Wegen der hierbei unregelmaBigen Stromungsvorgange entstehen haufig die Rohrleitung gefahrdende Erschtitterungen und Schwingungen. Hochpunkte und Knickpunkte der Rohrleitung sind ebenfalls durch Unterdruckbildung gefahrdet. Aus Stromungsstorungen resultierende, zwischen Uberdruck und Unterdruck wechselnde Druckwellen durchlaufen die Rohrleitung und konnen an diesen Punkten ein AbreiBen der Wassersaule herbeiftihren. Erstreckt sich der hieraus folgende Unterdruck iiber langere Rohrabschnitte, so besteht unter Wirkung des AuBendruckes Einbeulgefahr. Umgekehrt entstehen gefahrliche, steile Druckspitzen beim ZusammenstoBen urspriinglich getrennter Fliissigkeitssaulen. Im heutigen Rohrleitungsbau wird die Festigkeit hochwertiger Bleche voll ausgenutzt, so daB die Rohrstrange beulgefahrdeter als frtiher sind. Damit der Unterdruck hinreichend uber der Beulgrenze liegt, ist eine genaue Ermittlung der zur vollstandigen BelUftung notigen Luftmenge und der Widerstandsbeiwerte des Beliiftungsventiles bzw. des Steigschaftes unumganglich. Als zweite Aufgabe haben die Be- und Entliiftungsventile die in der Rohrleitung vorhandenen Gase (Luft, Kohlensaure etc.) entweichen zu lassen, die durch Ansaugen oder durch Ausscheiden aus dem Wasser im Laufe des Betriebes an besonderen Rohrstellen sich angesammelt haben und den freien Stromungsquerschnitt verringem, sowie Energieverluste und ebenso unerwunschte DruckstoBe verursachen konnen. Auch ftir den Fiill- und Entleerungsvorgang sind die Be- und Entliiftungsventile in der Rohrleitung vorzusehen. Entliiftungen sind normalerweise an geodatischen und - in bezug auf Drucklinie und Leitungsverlauf - hydraulischen Hochpunkten von Rohrleitungsstrangen erforderlich, wo es durch Druckemiedrigung oder Temperaturerhohung zur Ansammlung von Luft kommen kann. Be- und Entluflungseinrichtungen sind an Leitungsknickpunkten und generell im Abstand von ca. 750 m bei langen geneigten Rohrleitungsstrangen vorzusehen. GroBe und Anzahl von Entliiftungsventilen richten sich nach Leitungsdurchmesser, Fiillvolumen und zulassiger Stromungsgeschwindigkeit (ca. 25 m/s) der Luft im kleinsten Stromungsquerschnitt des Ventils. Im Falle hoherer Luftgeschwindigkeit und drohenden Zuschlagens des Schwimmkorpers werden Staudruckbremsen eingebaut. Beliiftungsventile sollen spatestens dann aktiviert werden, wenn 0,2 bar Unterdruck unterschritten werden. Der Lufteintritt soil mit einer Geschwindigkeit von ca. 80 m/s erft)lgen; damit halt sich auch der Larm in Grenzen.

398

12 VerschluB- und Regelorgane

Den Be- und Entliiftungsventilen liegt das Schwimmkorperprinzip ohne und mit Hebelverstarkung zugrunde. Fiir groBere Abmessungen kommen auch federbelastete Tellerventile in Frage. Die kleineren Beliiftungsventile arbeiten unter Verwendung einer schwimmfahigen Hohlkugel aus Hartgummi. Bei Unterdruckbildung sinkt die Kugel in einem Fiihrungskafig bis auf eine untere Schale ab und ermoglicht den Lufteintritt. Beim Fiillvorgang wird die Kugel durch das ansteigende Wasser wieder angehoben, wobei die austretende Luft durch die Schale so um die Kugel herumgeleitet wird, daB sie diese nicht mitreiBen kann und die einwandfreie Entliiftung der Leitung durch einen vorzeitigen VentilabschluB unterbindet. Bei groBeren Rohmennweiten werden die schwimmfahigen Hohlkugeln durch gewichts- Oder federbelastete Ventile ersetzt, die bei Unterdruck ansprechen. Eine Feder oder eine tiber ein Hebelgestange wirkende Gewichtsbelastung ubemimmt die Rolle des Auflriebes, wobei zur Dampfiing des beim AbschluB sich an den Sitz anlegenden Ventiltellers eine Bremse angeordnet ist. Ftir die zum Fiillvorgang notwendige Entliiftung ist als Zusatzeinrichtung ein kleines, mit einer Hohlkugel ausgestattetes Zusatzventil vorhanden.

Abb. 12.3: Be- und Entliiftungsventile: a) Funktionsweise eines Schwimmkorpers mit Ventilhebelfunktion; b) Kombination eines Schwimmerventiles (links) mit einem Tellerventil (rechts, nur Beliiftung) [12.2] Aus Abb. 12.3al-a3 ist die Wirkungsweise eines Be- und Entliiftungsventils mit Schwimmkorper und Ventilhebel ersichtlich. Derfi*eibewegliche Ventilteller ist als Ruckschlagventil zu verstehen, das bei positiver Druckwelle die groBe Diisenoffiiung verschlieBt und die restliche, eingeschlossene Luft nur noch langsam und gesteuert iiber die kleinen Diisenoffiiungen abstromen laBt. Abb. 12.3b zeigt die Kombination eines Be- und Entliiftungsventils mit einem federbelasteten Tellerventil. 12.1.7

Hilfseinrichtungen

Das Fiillen entleerter Rohrleitungsabschnitte sowie die leichte Bedienung der VerschluBorgane nach beiderseitigem Druckausgleich bedingt die Einrichtung von Umlauf- und Entleerungsleitungen kleiner Nennweite einschlieBlich der notwendigen Verschliisse. Die Fiillung der abfluBseitigen Rohrleitung vor Offiien des betreffenden Absperrorganes bzw. die Herstellung des Druckausgleiches bei gefiillter Leitung dient zur Schonung des Antriebes und verhindert beim Offiiungsvorgang sehr groBe Stromungsgeschwindigkeiten, die zu Beginn der Offtiungsbewegung in den noch kleinen Durchtrittsquerschnitten auftreten. Dadurch werden in

12 VerschluB- und Regelorgane

399

den Sitzpartien Kavitationsschaden vermieden. Insbesondere bei Keilschiebem wiirden wechselnde Stromungskrafte den Schieberkeil zum Flattem bringen. 12.2

Hydraulisches Verhalten

12.2.1

Stromungsvorgange

Fiir die Beurteilung der VerschluBorgane spielt deren hydraulisches Verhalten eine ausschlaggebende RoUe, da sie die hydraulische Leistungsfahigkeit einer Rohrleitung beeinflussen. Die Stromungsvorgange in Armaturen werden durch Drticke, Tragheitskrafte und Reibungskrafle bestimmt. Die durch die Zahigkeit des Wassers bedingten Reibungskrafte vermindem die Bewegungsenergie der stromenden Wasserteilchen und verursachen Totwassergebiete. Diese wiederum folgen aus Ablosungen, welche sich aus dem Druckanstieg bei entsprechender Verzogerung der Wasserteilchen in den Grenzschichten der turbulenten Stromung ergeben. Je ausgepragter die Totwassergebiete im Vergleich zur GroBe des umstromten AbschluBkorpers sind, desto schwieriger ist die Vorherbestimmung der vorhandenen Stromungskrafte und der entstehenden Druckverluste. Die sich aus den Totwassergebieten ablosenden Wirbel erzeugen im AbfluBvorgang erhebliche Unstetigkeiten, die zur Unterdruckbildung an ausgezeichneten Stellen unter EinschluB der Kavitationsgefahr fiihren. Ebenso verursachen standig wiederholende Ablosungen Erschiitterungen und Schwingungen. Druckschwankungen entstehen durch Beschleunigung oder Verzogerung von Wassermassen. Sie werden durch VerschluBorgane beim Offiien und SchlieBen verursacht, wobei ihre GroBe aber aufgrund festgelegten Bewegungsablaufes auf ein fiir die Rohrleitung zulassiges MaB beschrankt bleibt. Gefahrliche DruckstoBe konnen dann auftreten, wenn die Steuer- und Bremseinrichtungen nicht richtig arbeiten, konstruktive Mangel (z. B. Flattem eines bewegliches Teiles) vorliegen oder ein Bruch am Absperrorgan aufgetreten ist. Der DurchfluB durch VerschluBorgane von Triebwasserleitungen soil bei Offenstellung des AbschluBkorpers mit Rucksicht auf eine wirkungsvolle Energieausbeute der gesamten Wasserkraftanlage einen moglichst geringen Druck- und Energiehohenverlust haben. Die hydraulischen Verhaltnisse bei Endverschliissen von GrundablaBleitungen unterscheiden sich von den innerhalb der Rohrleitung befindlichen Absperrorganen dadurch, daB der Regulierquerschnitt des Grundablasses jeweils die Rohrmundung bildet und zusammen mit dem zur Verfiigung stehenden Druckgefalle die DurchfluBmenge bestimmt. 12.2.2

Verlusthohen

Charakteristisch fiir die hydraulische Leistungsfahigkeit ernes VerschluBorganes ist der Druckhohenverlust in Abhangigkeit vom DurchfluB oder von der mittleren DurchfluBgeschwindigkeit. Infolge der Verengung des Stromungskanales durch den AbschluBkorper des VerschluBorganes erfahrt der WasserdurchfluB eine Drosselung, wodurch die FlieBgeschwindigkeit im Drosselquerschnitt ansteigt und der Druck gemaB der

400

12 VerschluB- und Regelorgane

Bemoullischen Gleichung (2.6) entsprechend abfallt. Hinter der Drosselstelle erweitert sich der Stromungsquerschnitt wieder. Der in den sich vergroBemden DurchfluBkanal eintretende geschlossene Strahl kann nicht unmittelbar den ganzen Raum ausftillen. Erst nach einer gewissen, von dem Querschnittsverhaltnis und der Form des Stromungshindemisses abhangigen Strecke wird sich die stark ungleichformige Geschwindigkeitsverteilung alhnahlich wieder ausgleichen. Entlang dieser Ausgleichsstrecke ist der DurchfluBstrahl von Totwassergebieten umgeben. Wegen der Verzogerung der Wasserteilchen steigt der Druck wieder stark an. Der turbulente Impulsaustausch benachbarter, ungleich schnell bewegter Flussigkeitsteilchen, die turbulenten Vermischungsvorgange und die Wirbelablosung bewu*ken unter groBen Energieverlusten den alhnahlichen Ausgleich des Geschwindigkeitsprofiles. Durch alhnahliche Querschnittsanderungen konnen die vorgenannten Verlusthohen wesentlich herabgesetzt werden (s. Kapitel 5, 6 und 8). Allmahliche Verengungen verursachen sehr viel kleinere Stromungsverluste als allmahliche Erweiterungen. Im letzten Fall neigt die Stromung infolge Geschwindigkeitsriickgang und Wandreibung immer zu Ablosungen. Bei alhnahlicher Verengung wird die Vorwartsbewegung der Fliissigkeit aufgrund des Druckgefalles auch in wandnahen Schichten durch die Reibung kaum beeinfluBt. Die an Extremfallen gewonnenen Erkenntnisse konnen vorteilhaft auf die stromungstechnisch gute Gestaltung der VerschluBorgane angewendet werden. So ist nach Moglichkeit anzustreben, die FlieBquerschnitte unterhalb des Drosselquerschnittes nicht wieder zu erweitem sondem eher noch weiter zu verjungen. Plotzliche Querschnittsanderungen, scharfe Ecken und vorspringende Kanten sind zu vermeiden. Grundsatzlich muB das Anliegen der Wasserstromung an der Gehausewand in der Offenstellung von Absperrorganen und in samtlichen Zwischenstellungen von Regulierorganen gewahrleistet sein. In Anlehnung an die Gleichung (2.8) wird der Energieverlust in einem Schieber durch das Produkt aus einem Verlustbeiwert ^^ und der Geschwindigkeitshohe ausgedruckt. hn Gegensatz zu dem fur gerade, kreiszylindrische Rohre bestimmbaren Widerstandsbeiwert X zur Ermittlung der Verlusthohe h^r laBt sich ^q^ nicht im voraus berechnen. Der Verlustbeiwert hangt bei vollkommen offenen Absperrorganen nicht wie X nur von der Wandrauheit des DurchfluBkanals und der Reynolds-Zahl Re ab, sondem enthalt als weiteren Parameter die Formgebung der DurchfluBquerschnitte. Bei Regulierschiebem ist auch noch die Gestalt des Stromungskanales zusatzlich veranderlich und wh-d von den durch den Offhungsgrad bzw. Schieberhub s/smca gekennzeichneten Schieberstellungen beeinfluBt. Eine theoretische Berechnung des Widerstandsbeiwertes ^^ ist also nicht moglich. Fur jedes VerschluBorgan ist durch eingehende Versuche der Verlauf von 4^^ in Abhangigkeit von der Reynolds-Zahl, des Durchflusses oder der Schieberstellung zu ermitteln. Die ^^-Werte nehmen in Abhangigkeit von Re einen immer wiederkehrenden charakteristischen Verlauf an und bleiben je nach SchiebergroBe und Schieberart ab einem bestimmten /?^-Wert konstant, der das Minimum von ^^ bei voll geoffiietem Schieber ergibt. Mit weiterer Geschwindigkeitssteigemng nimmt bekanntermaBen die Verlusthohe dann mit v^ bei konstantem ^^ zu.

12 VerschluB- und Regelorgane

401

Um eine Vergleichsgrundlage der DurchfluB- und AbfluBverhaltnisse verschiedener Schiebertypen zu haben, ist es sinnvoll, die Angaben auf die Nennweite der VerschluBorgane zu beziehen. Unter v ist dann die mittlere Stromungsgeschwindigkeit im Nennquerschnitt zu verstehen. Auf diese Weise werden einheitliche Entwurfsgrundlagen geschaffen und eine bessere Beurteilung der hydraulischen Eigenschaften ermoglicht. Jeder Hersteller gibt heute fiir die jeweiligen VerschluB- und Regelorgane die genauen ^^-Werte an. 12.2.3

DurchfluB und AusfluB

Bei bekanntem, auf die Schiebemennweite D bezogenem Widerstandsbeiwert i^qs kann durch Anwendung der Kontinuitatsgleichung auf den DurchfluB von Absperrorganen bzw. AusfluB von Regulierorganen geschlossen werden, denn es ist:

'%,qs

4>^

2g

2g

Q n-D'

2g

(12.1)

vf I '""

id damit: / K D^ Q = -^'^^-^'pg'K,qs hyqs )^qs D As

I =^=-As'^2g-K,qs

Schieberverlust Verlustbeiwert fiir Querschnittsanderung infolge Schieber Schiebemennweite Nennquerschnitt des Schiebers

V V ^ DurchfluBbeiwert

(12.2)

[mVs] [m] H [m] [-]

Bei Regulierorganen in Wasserkraftanlagen ist die Energiehohe HE um ein Vielfaches groBer als die geometrischen Abmessungen des Schiebers. Infolgedessen kann fiir die theoretischen Betrachtungen der AusfluB aus einem Schieber dem AusfluB aus einem GefaB gleichgesetzt werden (s. Abb. 12.4a). Dies ist insbesondere fiir die rechnerischen Untersuchungen der AusfluBverhaltnisse des in seinem Aufbau einfachen und Ubersichtlichen Kegelstrahlschiebers von Bedeutung.

2

6

2

Q [m /sec ] Abb. 12.4: a) Definitionsskizze zum AusfluB aus einem GefaB; b) Drosselgeraden und Rohrleitungsgeraden zur Bestimmung der zusammengehorigen Abflusse Q und Energiehohen /^^je Schieberstellung [12.1]

402

12 VerschluB- und Regelorgane

In Anlehnung an das Toricellische Theorem wird die AusfluBgeschwindigkeit Va durch: Va = cp • yj^g'Kqs

[ni/s]

(12.3)

mit

CP = . F T ^

[-]

(12.4)

Va AusfluBgeschwindigkeit [m/s] (p Geschwindigkeitsbeiwert [-] ausgedriickt. Der Querschnitt des austretenden Strahles stimmt in der Kegel nicht mit dem der GefaBoffhung tiberein. Dies riihrt daher, daB die zu der Offiiung hin konvergierenden Stromlinien nicht plotzlich von der vertikalen Kichtung in die Richtung der Strahlachse einbiegen konnen. Die Folge ist eine Einschnurung des Strahles auf einen Querschnitt Ae, der kleiner als der Austrittsquerschnitt Aa ist. Der AusfluB pro Zeiteinheit betragt dann: Q = Va'A=^'^'Aa'^2g'hE

=ii''A-^2g'hE

[mVs]

(12.5)

wobei Aa'yJ2g-hE Ae Aa y/

Querschnitt des eingeschniirten AusfluBstrahles [m^] AusfluBquerschnitt [m^] Einschnurungs-ZKontraktionsziffer: ifj = Ae/Aa [-] scharfkantige, kreisformige Mundungen IJ/K 0,61-0,634 (auch nicht kreisformige) gut gerundete Mundungen v|i« 1 //' AusfluBziffer, bezogen auf ^^ [-] Bei VerschluBorganen vermittelt der AusfluBbeiwert //' einen Einblick in die Stromungsvorgange des Schiebers. hn idealen Fall milBte //' einen fur samtliche Zwischenstellungen des SchieberabschluBkorpers konstanten Wert annehmen, da mit entsprechender Anderung des Austrittsquerschnittes Aa eine im gleichen Verhaltnis stehende Anderung des Ausflusses Q verbunden sein sollte; jedoch sind Druck- und Geschwindigkeitsverteilung im Schiebermneren sowie Strahlemschntirung von Hub zu Hub verschieden und beeinflussen dementsprechend mehr Oder weniger den /i'-Wert. Bezieht man den AusfluB nicht wie in (12.5) auf den AusfluBquerschnitt Aa sondem ebenso wie in (12.2) auf den Einlaufquerschnitt bzw. auf den Nennquerschnitt^^ des Schiebers gemaB: Q = li'As'yj2g'h,,,s

=li'——'^2g'h,,,s

[mVs]

(12.7)

12 VerschluB-undRegelorgane

403

so lassen sich anhand der zugehorigen Auslaufziffer /i; ^l =

,^

= . r.

^

^s-p-g-K. ^ . 7 2 : 7 : ^

[-]

(12.8)

// Auslaufziffer/AusfluBbeiwert, bezogen auf ^5 [-] die Leistungsfahigkeit und Reguliereigenschaften der einzehien VerschluBorgane gut bewerten. Die AusfluBzahlen ju bzw. //' mtissen durch Versuche bestimmt werden. Fur AusfluBvorgange aus GefaBen einfacher geometrischer Gestalt sind jedoch auch auf theoretischem Wege die AusfluBziffem in guter Annaherung erfaBbar. Nach Detailuntersuchungen von KIRCHHOFF und TREFFTZ veroffentlichte MISES [12.1] erne ausfiihrliche Darlegung der Berechnung von ju bzw. //' fur ebene AusfluBstromungen an Schlitzen unendlich tiefer GefaBe. Es kam hierbei die Theorie der Stromung mit freien Strahlen zur Anwendung, wobei die fur zweidimensionale Stromungen gewonnenen Ergebnisse auf entsprechende dreidimensionale rotationssymmetrische Stromungen ubertragbar sind, wie auch spatere Arbeiten zeigten. Auf dieser Theorie aufbauend konnen fur Kegelstrahlschieber beliebiger Abmessungen die AusfluBziffem, Strahlneigungswinkel und resultierenden Driicke auf den AbschluBkegel ermittelt werden, wobei die theoretischen Ergebnisse uberraschend gut mit Versuchswerten ttbereinstimmen. Zur Beurteilung eines im GrundablaB eingebauten Regulierschiebers ist der zu leistende AbfluB von besonderer Bedeutung. Nach (12.7) ist der AusfluB durch die Fallhohe und den Schieberquerschnitt bestimmt. GieBt der Schieber ins Freie aus, so herrscht an der Unterwasserseite Atmospharendruck und die gesamte Energielinienhohe HE, d. h. die Bruttofallhohe hf^s abzuglich aller Rohrleitungs- und Schieberverluste, wird im engsten Regulierquerschnitt in die Geschwindigkeitshohe he umgewandelt. Die Summe der im Schieber vorhandenen Geschwindigkeitshohe und samtlicher Energieverluste, die im GrundablaB auftreten, z. B. Eintrittsverlust, Rohrreibungsverlust und Schieberverlust muB gleich der Bruttofallhohe hf^B sein. Mit dem Rohrquerschnitt AQ und dem fiir ^^ und v^ giiltigen Schieberbezugsquerschnitt As fur einen bestimmten Hub s/Smax ergibt sich unter Einbeziehung der Kontinuitatsgleichung: [r

J^

hf,B -•

hf,B he

Ao ARS

A2

-] ,,2

' 2g Bruttofallhohe Geschwindigkeitshohe Rohrquerschnitt Regulierquerschnitt de s Schiebers

[m]

(12.9) [m] [m]

K]

404

12 VerschluB- und Regelorgane

Der AusfluB des Grundablasses betragt daher fiir eine vorgegebene Offnungsweite des Regulierschiebers: Q = Ao'V = Ao'

^

'Jh^

[mVs]

(12.10)

Die GroBe AQ • —S^— bezeichnet man auch als GrundablaBcharakteristik. Die nahere Betrachtung der AbfluBgleichung (12.10) zeigt, daB bei konstanter Bruttofallhohe h^B und konstantem Rohrquerschnitt Ao eine Veranderung der Wassermenge nur uber die variierbare, von dem Hubverhaltnis s/s„jax abhangige Schieberverlusthohe hygs erreicht werden kann. Die Widerstandszahl ^^ wachst mit zunehmender Drosselung bzw. Verkleinerung von As. Je ausgepragter der Schieberverlust gegeniiber dem Gesamtverlust hf^s - K ist, desto wirksamer ist die Mengenanderung. Daher spricht eine kurze Rohrleitung auf eine Querschnittsanderung im Regulierschieber eher an als eine lange Rohrleitung. Ein deutlicher Unterschied der abgefuhrten Wassermengen ergibt sich bei groBeren Schiebem, wenn der Strahl nicht frei, sondem ohne Beluftung unter Wasser austritt. Bei fehlender Beliiftung saugt der untertauchende Strahl und fuhrt einen erhohten AbfluB herbei. Nachteilig ist jedoch die Unterdmckbildung im Schiebermneren mit all ihren Folgeerscheinungen bezuglich Ablosung und Kavitation, sofem sie verstarkt auftritt. In Abb. 12.9a ist als Beispiel eines Absperrorganes eine Drosselklappe dargestellt. Vor und hinter der Klappenscheibe herrschen in den Stromungsquerschnitten 1 und 2 die Dmckhohen hi und h2 sowie die FlieBgeschwindigkeiten v; und V2. Damit betragt der Energiehohenverlust hy^qs, vielfach auch mit Ah bezeichnet, im Drosselorgan: ..2 \

= ^h

h

[m]

(12.11a)

Wenn der Durchmesser beidseitig der Klappenscheibe gleich groB ist, d. h. Dj = D2, V] =V2 = V, wird:

hy,,s=hj-h2

[m]

(12.11b)

womit sich mit (2.8) wiedemm ^^^ ergibt. Den Kleinstwert erreicht ^^ bei voU geoffiietem Schieber bzw. fiir a = 0° bei der Drosselklappe (s. Abb. 12.9a). Mit zunehmender SchlieBtendenz wachst ^5 an und strebt bei geschlossenem Schieber bzw. fiir 6ir= 90"^ bei der Drosselklappe gegen Unendlich. Angesichts dieser groBen Werteskala ist die genaue Darstellung von (^gs fur den gesamten Schieberoffiiungsbereich schwierig, falls man nicht fiir groBe ^,-Werte die reziproke Angabe 7/^^ wahlt.

12 VerschluB- und Regelorgane 12.2.4

405

Ermittlung der Energiehohen

Bei DurchfluB- und AusfluBvorgangen in VerschluBorganen sind drei Falle bezuglich des hinter dem AbschluBkorper herrschenden Druckes voneinander zu unterscheiden: - Atmospharendruck, - Unterdruck, - positiver Gegendruck. Bei unterstromseitigem Atmospharendruck tritt das Wasser in Luft aus, und das VerschluBorgan nimmt den Charakter eines Endverschlusses an. Ahnliche Verhaltnisse liegen im zweiten Fall des negativen Druckes vor, wenn die Geschwindigkeit im engsten DurchfluBquerschnitt so anwachst, daB die kinetische Energie groBer wird als die an dieser Stelle herrschende Druckdifferenz und sich Unterdruck bildet. Unterdruck in einem Absperrorgan kann auch durch eine anschlieBende Gefalleleitung entstehen, z. B. bei einer SchnellschluBdrosselklappe, die sich an der tJbergangsstelle vom Druckstollen zur Falleitung befindet. Hierbei ubt bei Nachlassen der Zulaufwassermenge das bestehende Gefalle eine Saugwirkung aus, und der entstehende Unterdruck kann bei Unterschreiten des Verdampfungsdruckes zum AbreiBen der Wassersaule ftihren. In beiden Fallen wird der AusfluB durch (12.7) bestimmt, wobei der jeweihge Offhungsgrad des VerschluBorganes mit der betreffenden Zuordnung von Q und HE TAX beriicksichtigen ist. Bezeichnen hs die am Schieber vorliegende statische Druckhohe und Zh^j die Summe samtlicher Energieverluste zwischen Einlauf und Schieber, so betragt die zur Verfugung stehende Energiehohe: hE=hs-Y,Ki

[m]

(12.12)

hs Druckhohe am Schieber [m] Andererseits ist nach (12.8) mit dem von s/smax abhangigen AusfluBbeiwert: [m]

(12.13)

Wu-d in emem rechtwinkligen Koordinatensystem ^ auf der Abszisse und hg auf der Ordmate abgetragen (s. Abb. 12.4b), so bildet (12.13) eine Geradenschar, die sogenannten Drosselgeraden, und (12.12) die Rohrleitungs- oder Zulaufgerade, deren Schnittpunkte ftir jede Schieberstellung die zusammengehorigen Abflusse Q und Energiehohen HE liefem. Im dritten Fall des abfluBseitigen positiven Gegendruckes ist die anschlieBende Rohrleitung gefullt. Das VerschluBorgan steht unter einem Riickdruck, z. B. beim Einbau hinter einer Pumpe mit ansteigender Forderleitung. Auch herrscht im Normalbetrieb von Turbinenleitungen an den VerschluBorganen ein positiver Gegendruck. Hierbei steht der DurchfluB des Absperrorganes gemaB (12.2) in Abhangigkeit zur Schieberverlusthohe K^qs, wobei hv,qs den Energieunterschied vor und hinter dem Schieber bedeutet.

406

12 VerschluB- und Regelorgane

12.2.5

Kavitation

Die in einem Absperrorgan mogliche FHeBbewegung eines Wasserteilchens erfahrt verschiedene Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse, die aus der schematischen Skizze (Abb. 12.5) hervorgehen. Im Querschnitt 1 herrscht Uberdruck, d. h. der Flussigkeitsdruck hi ist groBer als der Atmospharendruck. Durch die Summe Ihvj werden die bis Schnitt 1 aufgetretenen Druckhohenverluste erfaBt. Langs der Strecke 1-2 erfolgt eine Beschleunigung der Stromung.

groBer Energieverlust durch Kavitation

Kavitationsgrenze (Dampfdruck) Kondensation (Austreten der VerdichtungsstoBe) physikalisch unmoglicher Druckverlauf

Abb. 12.5: Definitionsskizze fur Kavitation [12.1] Mit der Geschwindigkeitssteigerung nimmt der Fltissigkeitsdruck ab und erreicht in dem Punkt 2, dem Schnittpunkt der Drucklinie mit der Rohrachse, den Wert 0. An dieser Stelle ist er gleich dem Luftdruck. Mit weiterem Absinken des Druckes wird zunachst die im Wasser geloste Luft ausgeschieden. Hierbei werden geringe Luftmengen frei, die an der Hohlraumbildung nur wenig Anteil haben. Die Zone des Unterdruckes ist durch den Verlauf der Drucklinie unterhalb der mit der Rohrachse zusammenfallenden Nullinie gekennzeichnet. Erreicht der Druckabfall den fiir die herrschende Temperatur giiltigen absoluten Dampfdruck des Wassers, so verliert das Wasser seine Eigenschaft als Fliissigkeit, es beginnt zu verdampfen bzw. zu sieden. Die Blasenbildung langs der Strecke 4-5 fiihrt zu einem Gemisch aus Wasser- und Wasserdampfteilchen. Durch die Stromung werden die Dampfblasen fortgetragen und gelangen in Schnitt 5 wieder an die Stelle hoheren Druckes, wodurch die Hohlraume schlagartig in sich zusammensturzen und die Dampfblasen wieder kondensieren. Dieser im Bereich der verzogerten Stromung einsetzende Vorgang ist mit starker Gerauschentwicklung (Knattem und Donnem) verbunden. Die Dampfblasen treffen ungedampft auf die Gehausewand und erzeugen enorme VerdichtungsstoBe, die

12 VerschluB-undRegelorgane

407

bei vollkommener Unelastizitat von Wasser und Wand unendlich groB werden muBten. DaB sie sehr groB sind, zeigen die Anfressungen von schwammartiger Struktur an den getroffenen Wandungen, die auch bei hartestem Material, z. B. Edelstahl, zu verzeichnen sind. Die Korrosion bzw. der Materialabtrag ist um so starker, je rauher die Wandoberflache und je grobkomiger und sproder die Beschaffenheit des Werkstoffes sind. Wie aus Abb. 12.5 weiters hervorgeht, erfolgt nach Schnitt 5 der Druckanstieg ziemlich schroff und verursacht groBe Energieverluste. Derlei Vorgange, bei denen dampferfullte Raume im Innem einer stromenden Flussigkeit aufixeten, faBt man unter dem Namen Kavitation zusammen. Starke, bis an die Kavitationsgrenze heranreichende Druckemiedrigungen konnen bei VerschluBorganen durch die konstruktive Gestaltung des DurchfluBkanals bedingt sein und haben in a) Erweiterungen des FlieBquerschnittes, b) krummliniger Wasserbewegung bei abgelenkter Stromung, c) mit Wh-beln durchsetzter Wasserstromung, ihre Ursachen. In Abb. 12.6 sind die Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse bei plotzlicher und allmahlicher Rohrerweiterung einander gegentibergestellt. Da bei allmahlichem Querschnittsiibergang die Energieverluste kleiner als bei plotzlicher Erweiterung smd, kann entweder bei gleicher Druckhohe h2 im Querschnitt A2 eine bestimmte Wassermenge bei niedrigerer Anfangsenergiehohe ho oder bei gleicher Energiehohe ho eine groBere Wassermenge gefordert werden. Wie jedoch Abb. 12.6 zeigt, reicht die Drucklinie im Falle des Diffusors naher an die Kavitationsgrenze heran und die Kavitationsgefahr stellt sich daher leichter als beim plotzlich erweiterten Rohr ein. Dieser Umstand ist fur die richtige Formgebung der DurchfluBquerschnitte im VerschluBorgan von groBer Bedeutung. Die krummlinige Wasserbewegung weist infolge der Zentrifugalwirkung quer zur Stromungsrichtung einen veranderlichen Druck- und Geschwindigkeitsverlauf auf. Nach dem Bemoullischen Gesetz verringert sich die Geschwindigkeit mit der Druckzunahme auf der KriimmungsauBenseite, entsprechend umgekehrt auf der Kriimmungsinnenseite. Die Druckemiedrigung auf der Krlimmungsinnenseite ist um so ausgepragter, je starker die Stromung gekriimmt, d. h. je groBer die Abbzw. Umlenkung der Stromfaden ist. Sind aus einem Totwassergebiet stammende Wirbel in einer Wasserstromung vorhanden, kann im Wirbelkem bei entsprechend groBer Rotationsgeschwindigkeit ein Druckabfall bis auf den Kavitationsdruck auftreten, obwohl im Totwasser des umstromten SchieberverschluBkorpers der Druck noch Uber der Kavitationsgrenze liegt.

12 Verschlufi- und Regelorgane

408

J Energielinie \

2

Energielinie

(v 1 -v2) v,12 , 2g

2

h0

2

. 0 , 2 0 v 1 -v 2

2g

2

2

v2 • 2g

Ablösungsgebiet /(Wirbelfeld)

v2

2g

h2 v1—

A2

h2 v2

v2

h1L/ Drucklinie kav

a

1 Kavitationsgrenze

(1

I 2 Kavitationsgrenze

Abb. 12.6: Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse bei a) plotzlicher und b) allmahlicher Rohrerweiterung [12.1] Die Stellen maximaler Druckemiedrigung sind in der Regel in der Umgebung der groi3ten Querschnittseinschniirung zu finden. Jedes VerschluBorgan bedeutet zumindest bei teilweiser Offiiung eine Querschnittsverengung mit nachfolgender Erweiterung. Hinter dem engsten Spalt muB sich der Fliissigkeitsstrahl auf krummlinigen Bahnen meist unter Ablosungserscheinungen wieder ausdehnen. Kann bei einem GrundablaBschieber der Strahl nicht direkt aus dem Spaltquerschnitt ins Freie oder in das Unterwasser austreten, da ein Rohrstiick sich anschlieBt, muB zur Verhinderung von Kavitation dieses so groB ausgelegt werden, daB der AusfluBstrahl allseits von Luft oder Wasser umgeben und kein fiir die Rohrwand schadlicher Unterdruck mehr wirksam ist. Bei ausreichender Luftzufiihr in die Unterdruckgebiete gelingt es, den Unterdruck geniigend hoch uber die Kavitationsgrenze anzuheben. Die eingesaugten Luftmengen sind relativ groB und verursachen einen Leistungsruckgang des VerschluBorganes. Auch stellt sich infolge der Kompressibilitat angesammelter Luftblasen ein stoBweiser DurchfluB unter starken Druckschwankungen ein, so daB diese MaBnahme im allgemeinen nur bei GrundablaBverschliissen mit nachfolgender geschlossener Unterwasserleitung empfehlenswert ist. Versuche, Wasser anstelle der kompressiblen Luft in Unterdruckzonen einzuleiten, fiihrten zum Erfolg und Wasserschlage konnten dadurch vermieden werden. Besteht die Moglichkeit, daB geringe Luftmengen von auBen her in Unterdruckbereiche gelangen, werden bei Kavitation die Hohh*aume sowohl mit Wasserdampf- als auch mit Luftblasen ausgefiillt. Die ersteren ergeben die gefahrlichen VerdichtungsstoBe, die zweiten den unregehnaBigen DurchfluB. Zur rechnerischen Beurteilung der Kavitationsgefahr hat sich die von THOMA in den Turbinenbau eingefiihrte Kavitationszahl GTH sehr bewahrt (s. Kapitel 14.2.5.1). Man ist damit in der Lage, ftir jedes kavitationsgefahrdete Drosselorgan einen Wert ciTh > (TrhMt festzulegen, ab welchem mit Sicherheit Kavitation aus-

12 VerschluB-undRegelorgane

409

bleibt. Mit zunehmenden Durchflussen sinkt infolge der steigenden Stromungsgeschwindigkeit der Gegendruck h2 hinter dem Drosselorgan ab. Dadurch verkleinert sich die Kavitationszahl (Jrh, d. h. Ablosung und Kavitation verstarken sich und erreichen fur ciTh = 0 ihre groBte Auswirkung. Die Kavitationszahl crrh hat fiir die Durchftihrung von Modellversuchen im Kavitationsbereich und im kavitationsfreien Betrieb eine ahnliche Bedeutung wie das Reynoldssche Ahnlichkeitsgesetz, welches fur mechanisch ahnliche Stromungen unabhangig vom Stromungsmedium und MaBstab der umstromten Korper dasselbe Verhaltnis der Tragheitskrafte zu den Reibungskraften voraussetzt. So liefem Modellversuche an Drosselorganen die gleichen Stromungsbilder und charakterisieren den gleichen Betriebszustand wie die tatsachlichen Ausfuhrungen, wenn dieselben Werte ciTh eingehalten werden. 12.2.6

DruckstoB

Jede Betatigung von VerschluBorganen, sei es SchlieBen, Offiien oder kontinuierliches Regebi, fuhrt als Folge veranderter DurchfluBquerschnitte bzw. DurchfluBgeschwindigkeiten zu einer Stromungsanderung, die mit einer entsprechenden Druckanderung verbunden ist. Die dadurch bedingten nichtstationaren Stromungsverhaltnisse bleiben nicht auf den Bereich des VerschluBorganes beschrankt. Sie wirken sich an jeder Stelle der Rohrleitung beiderseits der Storquelle aus, wobei die Stromungsanderung sich um ein gewisses Zeitintervall spater bemerkbar macht. Daraus ergibt sich fiir die Bemessung eines Rohrleitungssystemes eine sorgfaltige Uberprufiing der dynamischen Druckschwankungen innerhalb des gesamten Systems. Die DruckstoBentwicklung, die durch die SchlieB- bzw. Offnungscharakteristik bestimmt wird, wurde bereits m Kapitel 8.3 erlautert. 12.2.7

Schwingungen

Rhythmische Anderungen des Stromungszustandes in einem VerschluBorgan auBem sich unter dem EinfluB einer Steuerwirkung in Schwingungen des Schieberoder Rohrleitungssystemes, wenn ihre Frequenz in der Nahe der Eigenfrequenz des schwingungsfahigen Teiles liegt. Sie entstehen beispielsweise durch Flattem eines angestromten beweglichen Konstruktionsteiles oder aus periodischen Ablosungen in labilen Stromungsgebieten. Stromungsablosungen treten in Zwischenstellungen des VerschluBkorpers von Drosselklappen, Keil- und Kugelschiebem auf. Auch in Ring-, Hohlstrahl- und Kegelstrahlschiebem, die als Endverschltisse einer Entlastungsleitung eingesetzt sind und sich stets durch ein symmetrisches Stromungsbild auszeichnen, konnen sie innerhalb eines eng begrenzten Hubbereiches vorhanden sein. Dies ist dann der Fall, wenn der AusfluBstrahl bei einer bestimmten Offhungsweite nicht mehr standig an der Schieberwandung anliegt, sondem zwischen Gehause und VerschluBkorper hin- und herpendelt. Den periodischen Wechsel behalt der Strahl bei, bis nach einer weiteren Offiiung oder SchlieBung wieder eindeutige Stromungsverhaltnisse durch einwandfreie Strahlfiihrung geschaffen sind. Eine Schwingungsanfachung kann z. B. der AbschluBkolben eines Hohlstrahlschiebers (s. Abb. 12.1) bewirken, indem er unter dem EinfluB einer frequenz-

410

12 VerschluB- und Regelorgane

ahnlich pulsierenden AusfluBstromung glockenartige Schwingungen ausftihrt, die ihrerseits wieder zu periodischen Druckanderungen langs der umstromten Schieberkopfflache und im Regulierspalt AnlaB geben. Ebenso kann die zufluBseitige Rohrleitung als schwingungsfahiges Steuerorgan wirken, wie dies bereits ausfuhrlich im Kapitel 11 erlautert wurde. Eine durch eine geringfiigige Bewegung in der Regulieroffiiung entstandene Druckwelle wandert infolge der Elastizitat des Wassers und der Rohrleitung stromaufwarts, trifft am Leitungsende auf die Wassermasse im WasserschloB oder in der Talsperre und wird dort reflektiert, wobei sich im Extremfall eine stehende Druckschwingung in der Rohrleitung ausbilden kann. Die Auswirkung der Schwingungen diirfen keinesfalls unterschatzt werden, da sie erhebliche Schadigungen der betroffenen Anlagenteile herbeifiihren konnen. Sofem die aus labilen Stromungszustanden resultierenden Schwingungen nicht von vomherein durch eine verbesserte Konstruktion und Strahlfiihrung ganz zu beseitigen sind, wirkt ihnen eine gute Beliiftung entgegen. 12.3

Gestaltungsgrundsatze

Die Grundsatze fiir eine richtige Gestaltung der VerschluBorgane ergeben sich aus den genannten Aufgaben. Die gewahlte Konstruktion muB den jeweiligen Betriebsanforderungen geniigen, sie soil leistungsfahig, unbedingt betriebssicher und wutschaftlich sein. Zu diesem Ziel fuhren eine vorteilhafte, nach den Einsatzbedingungen getroffene Werkstoffauswahl und eine nach stromungs-, festigkeitsund bearbeitungstechnischen Gesichtspunkten vorgenommene gUnstige Formgebung. Die Forderung nach guter Stromungsfuhrung bei allmahlichem, keine Ablosungen hervorrufendem Querschnittsubergang bedingt Formen, die sich dem Stromungsweg weitgehend anpassen. Hierbei sind aber durch die technologischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe, durch die Konstruktionsmoglichkeit und die Antriebsanordnung Grenzen gesetzt. Kreis- bzw. kreisringformige oder ahnliche Querschnittsausbildung des DurchfluBkanals ermoglichen ein gtinstiges Verhaltnis von QuerschnittsgroBe zum Querschnittsumfang. Die Festigkeitsberechnung hat die statischen und hydrodynamischen Kraftwirkungen (einschlieBlich DruckstoB) sowie die von der Rohrleitung auf das VerschluBorgan ausgetibten Krafte zu berucksichtigen. Mogliche Zusatzbeanspruchungen, z. B. durch eventuelle Schwingungsvorgange, und Stabilitatsfragen sind gleichfalls in die Betrachtungen einzubeziehen. Ftir die Werkstoffauswahl sind neben Festigkeit und Formanderungsvermogen auch Rostgefahr, Korrosionsbestandigkeit, VerschleiBfestigkeit, Widerstandsfahigkeit gegen Kavitation, Bearbeitbarkeit und dergleichen mehr ausschlaggebend. Wichtige Konstruktionsteile der VerschluBorgane stellen die Dichtungen dar, denen besondere Sorgfalt in Anordnung und Ausfuhrung zu widmen ist. Man unterscheidet feste Flanschdichtungen, Stopfbiichsendichtungen fiir drehende und achsiale Bewegungen der abzudichtenden Konstruktionselemente sowie Sitzdichtungen zur Abdichtung der am Gehausemantel aufsitzenden AbschluBkorper. Besonders die Sitzdichtungen smd groBem VerschleiB unterworfen, so daB ein be-

12 VerschluB- und Regelorgane

411

triebssicheres Arbeiten des AbschluBorganes die Moglichkeit des leichten und schnellen Auswechselns abgenutzter Teile voraussetzt. 12.4

Antrieb und Steuerung

Die durch einen Antrieb eines VerschluBorganes zu tiberwindenden Krafte resultieren aus den Kraft- bzw. Momentenwirkungen des stromenden und ruhenden Wassers am VerschluBkorper und den Reibungswiderstanden an Fiihrungselementen, Dichtungen und Antriebsgliedem. FUr die richtige und wirtschaftliche Bemessung der Antriebsvorrichtung ist eine moglichst genaue Kenntnis der beim Offiien und SchlieBen auftretenden Stromungsvorgange und ihrer RUckwirkung sowohl auf den Antriebsmechanismus als auch auf die ganze Anlage notwendig. So wirkt z. B. bei einer Drosselklappe das Stromungsmoment stets im SchlieBsinn und ist unabhangig von der Stromungsrichtung. Bei Offiien gegen den vollen einseitigen Wasserdruck kann das Of&iungsmoment groBer als das SchlieBmoment werden. Andererseits ist beim Offiien und SchlieBen eines AbschluBorganes auf die als Folge jeder Stromungsveranderung entstehenden Druckwellen Rucksicht zu nehmen. Die Antriebsarten lassen sich in die beiden Gruppen der mechanischen und hydraulischen Antriebe aufgliedem. Zu den ersten zahlen Handantrieb, die mit Elektromotoren ausgestatteten Antriebe und der Fallgewichtsantrieb von SchnellschluBorganen. In die zweite Gruppe werden die mit fltissigen oder gasformigen Mitteln arbeitenden Antriebe eingereiht. Zur absoluten Sicherung der Wasserkraftanlagen sind die Antriebsvorrichtungen so aufzubauen, daB sie bei Ausfall jeglicher Fremdenergie fiir Motoren bzw. Pumpen selbsttatig schlieBen und die zum SchlieBen notwendige Arbeit bereits beim Offiien des VerschluBorganes aufgebracht werden muB. Dies kann insbesondere durch Heben eines Fallgewichtes, aber auch durch Spannen einer Feder oder durch Bewegung des Regulierkolbens gegen den Wasserdruck der Rohrleitung geschehen. In alien Fallen, auch bei Turbinenabsperrorganen, ist der Antrieb so zu bemessen, daB die SchlieBbewegung gegen den vollen Wasserdruck moglich ist. Letzteres ist eine zusatzliche SicherheitsmaBnahme. Im Normalfall wird eine abfluBseitig anschlieBende Rohrleitung iiber eine Umfiihrungsleitung geftillt oder tiber diese bei vorhandener FuUung ein Druckausgleich hergestellt, so daB die Antriebskrafte niedrig gehalten werden. Bei AuslaBschiebem und Regulierendverschlussen ist eine Druckentlastung nicht durchfiihrbar, sie schlieBen stets unter vollem einseitigen Druck und mtissen in jeder Zwischenlage feststellbar sein. Elektrische Antriebe werden in der iiblichen Weise ausgefiihrt, wobei die Elektromotoren das Drehmoment tiber Kegelrad-, Stimrad- oder Schneckengetriebe auf die Antriebswelle Ubertragen. Beim Abstellen mtissen die Schwungmassen entweder durch eine Magnetkupplung sofort abgeschaltet oder durch Bremsen angehalten werden, um Nachlaufwege zu vermeiden. Hydraulische Antriebe zeichnen sich durch die Einfachheit der maschinellen Anordnung, Robustheit, Drosselfahigkeit und Anpassungsvermogen an den jeweiligen Kraftbedarf aus. Als fliissige Arbeitsmittel kommen Wasser und Ol in Frage.

412

12 VerschluB- und Regelorgane

Nachteilig ist im wartungsfreien Betrieb, dafi nach langerem Stillstand ein Versagen durch Verschmutzen der Stellglieder, Kolben oder Zylinder moglich ist und Undichtigkeiten auftreten konnen, durch die bei 01 Brandgefahr sowie eine Umweltgefahrdung durch Verunreinigung des Triebwassers besteht. Bei Anlagen mit Gefallen unter 200 m wird fur die Steuerung von Absperrorganen geme Druckol, sonst Druckwasser verwendet, well dadurch die for die Steuerung erforderlichen Druckzylinder oder Servomotoren wirtschafllicher ausgebildet werden konnen. Bei genugendem Betriebsdruck und Reinheit kann das Wasser der Druckleitung, sonst einem besonderen Behalter entnommen werden. Die vom Wasser durchstromten Antriebsteile sind entsprechend korrosionsbestandig auszufuhren. Bei Verwendung von Druckol wird dieses aus besonderen Akkumulatoren einer Druckolanlage oder direkt aus dem Reglerwindkessel zugeleitet. Haufig werden Druckwasser von der Rohrleitung und Druckol von der Reglersteuerung eingesetzt, wobei das Wasser dem SchlieBzylinder und das 01 dem Offiiungszylinder zuflieBt. Die Steuerung erfolgt dann nur Uber den Offhungszylinder, so daB nach Oldruckausfall der Wasserdruck die SchlieBung des Absperrorganes herbeiftihrt. Die Konzentration der Schalt- und Leitwarten setzt die komplette Fembedienung der einzelnen VerschluBorgane voraus. Hierzu eignen sich die elektrischen und die hydraulischen Antriebe. Daneben sind zusatzliche selbsttatige AbschluBvorrichtungen fiir Notfalle, wie Rohrbruch, zu schaffen, die mit Fallgewichtsantrieb oder mit automatisch gesteuerten olhydrauhschem Antrieb ausgeriistet werden. Der Fallgewichtsantrieb bietet die groBte Sicherheit, da er stets schlieBbereit ist (s. Kapitel 12.1.5). Der in der Regel mit streckenweise verschiedenen Geschwindigkeiten ablaufende SchlieB- bzw. Offiiungsvorgang erfordert eine sorgfaltige Ausbildung der Steuerung der einzelnen Bewegungsphasen. Zusatzlich zum Antrieb sind daher als Steuerorgane verschiedene Ventile in Verbindung mit Elektromagneten und Schaltanlagen notwendig. Die automatische Einleitung der SchlieBbewegung nach Uberschreiten der zulassigen Wassergeschwindigkeit erfolgt durch die Staupendelscheibe. Diese lost uber einen elektrischen Impuls eines Stromkreises, der meist durch eine Akkumulatorenbatterie gespeist wird, das Fallgewicht aus. Bei einer Stromstorung schlieBt das AblaBventil ebenfalls die Klappe. Zum Offnen dient die an einen Elektromotor angeschlossene Pumpe, die das Ol aus dem Olbehalter in den Offhungszylinder preBt und damit das Fallgewicht wieder anhebt. 12.5

Typen

12.5.1

Keilschieber und Flachschieber

12.5.1.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich Der in Abb. 12.7a dargestellte Keilschieber besteht hn Prinzip aus Gehause, Haube, Absperrkeil oder Absperrplatten, Spindel und Antrieb. Mit der Spindel wu*d der keilartige oder plattenformige Absperrkorper senkrecht zur Rohrachse bewegt, wobei zur Schonung der Dichtung die Dichtflachen nur in dem Bereich der End-

12 VerschluB- und Regelorgane

413

schlieBlage kurzzeitig aufeinandergleiten. Die Keilneigung betragt im allgemeinen 5°, entsprechend 8,5 % Steigung. Der VerschluBkorper kann den vollen Rohrquerschnitt fiir den DurchfluB freigeben. Heute werden Keilschieber in groBeren Turbinen- und Pumpenleitungen von Wasserkraftwerken kaum mehr verwendet, haufiger dagegen bei Grundablassen und Entnahmeleitungen mittlerer Abmessungen, insbesondere als Absperrorgan des Einlaufes. Auch in Umlaufleitungen werden mit Rticksicht auf die kleine Nennweite Keilschieber eingebaut. Bei Einlaufschiebem kommen sowohl geschlossene, in Schacht oder Schieberkammer befindliche Keilschieber als auch offene, gehauselose Talsperrenschieber mit flachem VerschluBkorper zur Verwendung. Letzterer besteht aus einem mit Fiihrungsleisten ausgestatteten Rahmen, in dem durch ein Gestange ein plattenformiger AbschluBkorper bewegt wird. Er kann senkrecht oder entsprechend der Mauemeigung schrag angeordnet werden. Da die Flachschieber vor dem Mundstiick des Grundablasses angeordnet werden, befmden sich alle Telle einschlieBlich des Antriebs unter Wasser, worin ein grundsatzlicher Unterschied zu den iibrigen VerschluBorganen besteht. s

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Abb. 12.7: Keilschieber: a) Schnitt; b) freigegebener DurchfluBquerschnitt As und Verlustbeiwert Cqs in Abhangigkeit der Offnungsweite s/smax [12.1] 12.5.1.2 Konstruktiver Aufbau Anstelle eines keilformigen, starren AbschluBkorpers werden vielfach zwei beweglich miteinander verbundene Keilplatten verwendet, die in der SchlieBstellung durch das Wasser auf die Dichtflachen gedruckt werden und sich unabhangig auf deren Lage einstellen konnen. Die GehausegroBe richtet sich nach dem VerschluBsttick, das bei Offhung des Schiebers den ganzen DurchfluBquerschnitt fireigibt und vom entsprechend geformten Gehauseoberteil aufgenommen wu*d. Die Verbindung des oberen und unteren Gehauseteiles erfolgt durch Flansche. Fiir die Drehspindelanordnung unterscheidet man Innenspindel und AuBenspindel. Die erstere schraubt sich in den Keil hinein (s. Abb. 12.7a), wahrend die

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12 VerschluB- und Regelorgane

AuBenspindel drehfest und unverschiebbar mit dem Keil verbunden ist und tiber eine an der GehauseauBenseite angeordnete Antriebsmutter nur in achsialer Richtung ohne Drehung bewegt wird. Neben einer Flanschdichtung sind Stopfbuchsen- und Sitzdichtungen notwendig. Die Stopfbuchsendichtung ermoglicht die leckfreie Durchfuhrung der Antriebsspindel nach auBen. Die im Gehause und am Keil erforderlichen Sitzdichtungen mussen ohne Beriicksichtigung eines zusatzlichen Keildruckes eine Flachenpressung erfahren, die etwa dreimal so groB wie der Nenndruck ist. Ein dichter AbschluB setzt allerdings ein ganzflachiges Aufliegen des VerschluBkorpers voraus. Bei starrem VerschluBkorper ist dies kaum zu erreichen, da selbst bei sorgfaltigster Bearbeitung durch den Einbau oder im Laufe des Betriebes der Keihieigungswinkel sich andem kann. Zum Ausgleich sind dann groBere AnpreBkrafte notwendig, die einen erhohten VerschleiB verursachen. Diese Schwierigkeiten entfallen beim Flexikeilschieber, bei dem die vorbeschriebenen Keilplatten sich dem Neigungswinkel der Dichtflachen im Gehause und am Keil anpassen. Die rein metallische Dichtung wird geme durch eine elastische, weitgehend unempfindliche Profilgunmiidichtung ersetzt, da nach langerem Betrieb die Metalldichtung durch Fremdbestandteile des DurchfluBwassers in Mitleidenschaft gezogen werden und keinen dichten AbschluB mehr herbeifuhren kann. Unangenehm ist, daB sich im Schiebersack des Gehauses Verunreinigungen (Sand- und Geroll) ansammeln, die eine besondere Sptileinrichtung notwendig machen. Dies kann man durch elastisch verformbare Dichtungsringe am Absperrkeil, die sich beim AbschluB dichtend gegen die Gehausewandung mit entsprechenden Gegenflachen anlegen, umgehen. Der Antrieb erfolgt in der Kegel elektrisch. Der hydraulische Antrieb scheidet in vielen Fallen aus, besonders dann, wenn es sich um GrundablaBschieber handelt, die bei Druckwasserentnahme aus dem Staubecken mit abgesenktem Wasserspiegel keinen zur Betatigung genugenden Wasserdruck haben und eine eigene Druckolerzeugungsanlage benotigen wtirden. 12.5.1.3 Hydraulisches Verhalten Aus der Form des Schieberkeiles und dem Kreisquerschnitt der Rohrleitung ergibt sich flir den groBten Teil der SchlieBbewegung ein sichelformiger DurchfluBquerschnitt. Die Wasserstromung innerhalb des Schiebers wird durch die Fiihrungsschlitze auf einer der Keilstarke entsprechenden Lange erheblich gestort, was msbesondere bei den hohen FlieBgeschwindigkeiten in Turbinen- und GrundablaBleitungen zur Wirbelbildung und groBem Druckverlust ftihrt. In Abb. 12.7b ist der Verlauf des freigegebenen DurchfluBquerschnittes As und des auf die Schiebernennweite D bezogenen Verlustbeiwertes <^^ fiir einen Keilschieber angegeben. Beide GroBen sind von Gehauseausbildung und Keilform abhangig, so daB die Angaben nur qualitativer Art sein konnen. Auffallend ist der nahezu lineare Verlauf des Querschnittswertes As. Die Widerstandswerte ^^^ zeigen in der Nahe der Offenstellung nur geringe Werte und nehmen mit wachsender SchlieBtendenz zu. Im allgemeinen werden die Keilschieber mit Umlaufleitungen zum Druckausgleich ausgestattet. Ist eine solche Leitung nicht vorhanden oder tritt sie z. B. bei Rohrbruch unterhalb des Schiebers auBer Funktion, so zeigt sich infolge der besonders zu Offtiungsbeginn hohen FlieBgeschwindigkeiten am Schieberkeil ein

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415

standig wechselnder Angriff der Stromungskrafte. Der VerschluBkorper wird zum Flattem angeregt, und die entstehenden Schwingungen tibertragen sich auf das gesamte Bauwerk. Die gleichen ungtinstigen Verhaltnisse stellen sich bei teilweiser Schieberoffhung ein, so daB ein ReguHeren groBerer Wassermengen mit Keilschiebem oder Flachschiebem nicht mogUch ist. Durch sorgfaltige Ausbildung der Keil- bzw. Plattenfuhrung werden die Flattererscheinungen in Schieberzwischenstellungen vermindert. 12.5.1.4 Vor- und Nachteile Der Absperrkorper wird bei Offiien des Schiebers ganz aus dem DurchfluBquerschnitt herausgezogen, so daB keine Verengung den DurchfluB behindert. Jedoch ist die Wasserfuhrung langs der Fiihrungsnische des Gehauses beeintrachtigt, infolgedessen erhebliche Wirbelbildungen mit Druckhohenverlusten nicht ausbleiben. Bei sorgfaltiger Ausftihrung gewahrt der Keilschieber wie auch der Flachschieber einen vollkommen dichten AbschluB. Nachteilig ist der enorme Raumbedarf, der durch Ausziehen und Aufiiahme des VerschluBkorpers im oberen Gehauseteil entsteht. Bei groBen Schiebem sind for den Offiiungs- und SchlieBvorgang lange Bedienungszeiten erforderlich, die nicht beliebig durch steilgangigere Gewindespindeln reduziert werden konnen, da die Gewindesteigung zur Sicherung des Abdichtungsdruckes nicht zu groB werden darf. Von weiterem Nachteil ist die Gefahrdung des dichten Abschlusses durch im Schiebersack eventuell aufgehaufte Verunreinigungen. FUr standige Reguliervorgange kann der Keil- bzw. Flachschieber, wie erlautert, nicht emgesetzt werden. Bei einem AbschluB ohne Gegendruck hinter dem Schieber, der z. B. im Turbinenbetrieb infolge Durchgehens der Turbinen oder im Falle ernes Rohrbruches in einem Leitungssttick notwendig werden kann, sind die Dichtungen hohem spezifischen Druck ausgesetzt und nehmen leicht Schaden. Selbst bei AbschluBvorgangen mit hydraulischer Entlastung und gut ausgebildeten Keilfohrungen ist die Belastung der Dichtflachen von Schiebem groBerer Nennweite und hoheren Betriebsdmckes relativ groB. 12.5.2

Drosselklappen

12.5.2.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich Der Sammelbegriff Drosselklappen schlieBt eine groBere Anzahl verschiedener Klappenkonstmktionen ein. Ihnen alien gemeinsam ist ein scheibenartiger, linsenoder kastenfbrmiger VerschluBkorper mit Kreis- oder EUipsenquerschnitt, der auf einer zur Rohrachse senkrechten Welle oder mit seitlichen Zapfen horizontal im Klappengehause schwenkbar angeordnet ist (s. Abb. 12.8). In der SchlieBlage steht die Rohrachse ganz oder annahemd lotrecht zur Klappenmittelebene, wahrend sie m der Offenstellung mit der Mittelebene zusammenfallt oder auch exzentrisch zu ihr liegt. hi der Offenstellung bietet die Klappenscheibe mit ihrer schmalen Stimseite aufgmnd der stromungstechnisch gunstigen Gestaltung dem flieBenden Wasser den kleinsten Widerstand. Die Drosselklappen einschlieBlich ihrer Sonderausfflhmngen haben in Rohrleitungen mehr und mehr die Keil- und Flachschieber verdrangt. MaBgebend for diese Entwicklung waren in der Hauptsache die im Vergleich zu einem Keilschieber

416

12 VerschluB- und Regelorgane

gleicher Neimweite betrachtliche, bis zu 60 % betragende Platzerspamis, die robuste, einfache Konstruktion, die leichte Betatigung, die kurzen Bedienungszeiten und die hohe Wirtschaftlichkeit. Hingegen verursacht die Drosselklappe in Offenstellung wesentlich groBere Energiehohenverluste als der Keilschieber. Sie laBt sich auch fiir groBe Nennweiten und mittlere Betriebsdriicke vorteilhaft einsetzen.

Abb. 12.8: Drosselklappe: Ansicht und Querschnitt [12.3] Entgegen ihrem Namen werden die Drosselklappen nur in Ausnahmefallen zum Drosseln des Durchflusses eingesetzt. Sie sind mehr als Absperrorgane zum voUkommenen Offhen oder restlosen SchlieBen zu betrachten. Die Verwendung als Regulier- bzw. Drosselorgan im vollen oder auch nur im beschrankten Rahmen muB je nach den Anlageverhaltnissen und den Ruckwirkungen der in Klappenzwischenstellungen ungtinstigen Stromungsvorgange entschieden werden. In Wasserkraftanlagen werden Drosselklappen vorwiegend am Beginn von Turbinenhangleitungen als SchnellschluBorgan und in Entnahme-, Entlastungs- sowie GrundablaBleitungen als Absperrorgan (ZweitverschluB) angewendet. Auch als TurbinenabschluB mit oder ohne besonderer Dichtung kommen sie haufig zum Einsatz. Reparaturarbeiten an Turbinen und Pumpen bedingen oft auch einen AbschluB gegen die Unterwasserseite. Fiir hohere Driicke, wie sie z. B. bei Speicherpumpen auf der Saugseite auftreten, reicht ein DammbalkenabschluB nicht mehr aus. Man greift daher geme zu den platzsparenden, ein Kreisprofil abschlieBenden Drosselklappen. Sollten zudem die Maschinen gegen die Einwirkung des vollen Wasserdruckes auf der Zulaufseite nach Versagen des bergseitigen VerschluBorganes geschiitzt werden, kann die Drosselklappe im Unterwasser so ausgebildet sein, daB sie schon bei geringem Druckunterschied selbsttatig offhet und Wasser abstromen laBt, also als Rtickschlagklappe eingesetzt wird. 12.5.2.2 Konstruktiver Aufbau Das zylindrische Gehause wird besonders bei groBen Nennweiten heute aufgrund seiner einfachen Form anstatt in StahlguB vielfach in SchweiBkonstruktion hergestellt. Beiderseits angeordnete Flanschen fligen die Drosselklappe in die Rohrleitung ein und Ubertragen die im Gehause auftretenden Krafte auf die anschlieBenden Rohrabschnitte. Achsiale Rohrkrafte miissen durch das Gehause weitergeleitet

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werden konnen, Biegekrafte sind jedoch gesondert durch Rohrfundamente aufzunehmen, wobei das Drosselklappengehause als Rohrleitungsfestpunkt nicht eingesetzt werden darf. Zur Ubertragung der groBen Tellerbelastung kann z. B. bei in Felsen einbetonierten Rohrleitungen der feste Eintrittsflansch des Drosselklappengehauses mit Versteifungsrippen und guter Verankerung im Beton herangezogen werden. Die Starke der Klappenscheibe in der Drehachsenebene richtet sich nach dem Klappendurchmesser und der vom Betriebsdruck abhangigen Dicke der Drehachse. Dabei durfen die zunehmenden DurchfluBverluste mit wachsender Tellerstarke infolge der Querschnittschnittsverengung in der Klappenoffenlage und anschUeBender plotzlicher Querschnittserweiterung hinter dem Teller nicht vemachlassigt werden. Um in Ausnahmefallen diese auch bei hohen Driicken unter Vermeidung allzu groBer DurchfluBverluste anwenden zu konnen, wird der Gehausemittelteil gegeniiber der Rohrleitung so erweitert, daB der DurchfluBquerschnitt trotz groBerer Achsendicke etwa gleich dem Rohrquerschnitt bleibt. Der um eine Drehachse schwenkbare Klappenteller muB zur Verminderung der Druckhohenverluste eine moglichst stromungsgunstige Form haben und in der Lage sein, groBe Krafte und Biegemomente aufzunehmen. Bei geringerer Beanspruchung reicht eine ebene, durch Rippen verstarkte Platte aus. Die Drehachse wird tropfenformig vom Deckblech umkleidet. Bei zunehmender Drehachsenstarke werden die Stromungsverhaltnisse ungUnstiger, so daB nur durch einen linsenformigen, d. h. von der Nabe zum Rand hin sich verjungenden, doppelwandigen Hohlkorper Abhilfe geschaffen werden kann. Die Abdichtung erfolgt entweder metallisch oder mit elastischer Dichtung am Klappenumfang und metallischem Sitz im Gehause. Im ersten Fall spricht man allgemein von Drosselklappen, die nur eine annahemde Dichtigkeit aufweisen. Die mit elastischen Dichtungen am Klappenrand ausgestatteten vielfaltigen Sonderkonstruktionen werden unter dem speziellen Namen Abdichtklappen zusammengefaBt und zeichnen sich durch absolute Dichtigkeit aus. Die horizontale Achse wird gegeniiber der vertikalen Lagerung bevorzugt, sofem nicht aus Platzgrunden der an der Achse angreifende Antrieb unmittelbar auf dem Klappengehause anzuordnen ist oder stromungstechnische Gesichtspunkte bei Einbau der Drosselklappe hinter Krummem maBgebend sind. Schwebe- und Sinkstoffe, die sich am Rohrscheitel und an der Rohrsohle ansammeln konnen, beeinflussen die in Ulmenhohe liegenden Lager der horizontalen Achse im Gegensatz zum unteren Spurlager bei vertikaler Achse nicht, da diese bei jedem SchlieB- und Offiiungsvorgang infolge der gegen SchluB erhohten Spaltgeschwindigkeit fortgespult werden. Im Normalfall wird die Achse zentrisch durchgehend durch die Klappenscheibe gefiihrt. Lediglich in Rtickschlagklappen und aus Griinden der vollkommenen Abdichtung wahlt man auch einen exzentrischen Achsenverlauf Die Achsenlagerung erfolgt beidseitig in besonderen Lagereinsatzen aus GuBeisen, wobei das eine flir den Antrieb bestimmte Achsende aus dem Gehause mit einer Stopfbuchsendichtung oder mit Lippenringen herausgeftihrt und das andere durch einen Deckel dicht verschlossen wird. Die Bewegung der Drosselklappenscheibe innerhalb des Winkelbereiches von 0 bis 90° erfolgt durch mechanischen oder hydraulischen Antrieb der Klappen-

418

12 VerschluB- und Regelorgane

welle. Die Antriebsvorrichtung mul3 in der Lage sein, den Klappenteller in jeder Zwischenstellung und in der Endlage zu halten; auBerdem muC gegen den voUen Wasserdruck geschlossen werden konnen. Mit Ausnahme der EndverschluBorgane wird erst nach Druckausgleich beiderseits des Klappentellers geoffiiet. Das SchlieBen der Sicherheitsdrosselklappen erfolgt meist durch ein Fallgewicht und das Offiien mittels des Oldruckes (s. Abb. 12.2). Nach festgelegtem Steuerschema regelt eine Olbremse mit Drosselventilen die SchlieBbewegung. Der Bremszylinder dient gleichzeitig als Arbeitszylinder zum Anheben des Fallgewichtes und damit zum Offiien der Drosselklappe, so daB die Betriebsbereitschaft wieder hergestellt ist. Bei groBen Rohrbruchorganen hatten SchlieBgewichte ungewohnliche Dimensionen, so daB man in solchen Ausnahmefallen auf autarke Servomotoren mit Differentialzylinder, deren Druckol fiir die SchlieBbewegung von einem Gewichtsakkumulator oder Druckluft-Windkessel geliefert wird, ohne daB Hilfsenergie notwendig ist, oder auf eine exzentrische Anordnung der Drehachse ausweicht. Die Fixierung der Klappenscheibe in Offenlage erfolgt entweder durch mechanische Verriegelung oder mit Hilfe des Servomotors, wobei letzteres in Anbetracht der leichteren Storanfalligkeit der mechanischen Sperre vorzuziehen ist. 12.5.2.3 Hydraulisches Verhalten Nach Abb. 12.9a stellt die geoffiiete Drosselklappe einen unter verschiedenen Neigungswinkehi stehenden umstromten Fltigel in einem zylindrischen Rohr dar. Der ankommende Wasserstrom wird in Abhangigkeit der Klappenstellung in zwei ungleich starke Teilstrome aufgespalten, deren groBerer langs der vorderen Flache des Klappentellers durch den oberen Querschnitt // abflieBt, obwohl die DurchfluBquerschnitte / und // gleiche GroBe haben. Der Schnitt / / wirkt wie eine stromungsgiinstig geformte Duse, wahrend im Schnitt / der Wasserstrahl eine schroffe Einschniirung erfahrt. In diesen engsten FlieBquerschnitten herrschen die groBten Stromungsgeschwindigkeiten und damit die niedrigsten Driicke, deren Werte kleiner sind als der Riickdruck h2 im Querschnitt 2. Bei der Erweiterung auf den vollen Rohrquerschnitt AQ tritt eine Verzogerung der Stromung von den Maximalgeschwmdigkeiten v/ bzw. Vn auf die Rohrgeschwindigkeit V2 ein. Bei gleichem Rohrdurchmesser vor und hinter der Klappe ist v^ = V; und infolge der DurchfluBverluste h2< hj. Die kleinste Storung erfahrt die DurchfluBstromung bei ganzlicher Offenlage, d. h.&LY a== 0°. Von einer bestimmten Klappenneigung an lost sich zuerst der untere, kleine Teilwasserstrom von der Scheibenruckseite ab und verursacht ein vom Neigungswinkel a abhangiges Totwassergebiet, das mit der Rohrwandung einen diffiisorartigen Ubergang vom Klappenspalt zum ganzen Rohrquerschnitt 2 herstellt. Die GroBe der Druckemiedrigung im eingeengten Stromungsquerschnitt bestimmt, ob un Totwasserfeld Wirbel entstehen oder einen teilweise bzw. ganz mit Wasserdampf erfullten Hohlraum (Kavitation) darstellt. In beiden Fallen unterliegt die Drosselklappe auf die Dauer schadlichen Beanspruchungen. Die sich ablosenden Wirbel werden von der Stromung fortgetragen und erzeugen auf der TellerrUckseite periodische Druckschwankungen, die schon bei geringster Lockerung des Antriebsmechanismus zu erheblichen Schwingungen fuhren. Bei Kavitation entfallen wohl die Druckanderungen an der Klappenscheibe,

12 VerschluB- und Regelorgane

419

jedoch entstehen im anschlieBenden Rohrstiick starke Anfressungen, Erschiitterungen und gerauschvolle Wasserschlage, die sich auch der Drosselklappe und ihrem Antrieb mitteilen. Druck auf Linsenvorderfläche

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Abb. 12.9: Drosselklappe: a) DurchfluBschema; b) Offnungsverhaltnis AS/AQ, AusfluBbeiwert ju und Verlustbeiwert <^^ in Abhangigkeit des Offnungswinkels a [12.1] Das hydraulische Verhalten der Drosselklappe wird durch die Druckverhaltnisse an der Scheibenrtickseite beeinfluBt, wobei die Einfliisse des positiven Ruckdrukkes, des Atmospharendruckes und des negativen Riickdruckes (einschlieBlich Kavitation) zu unterscheiden sind. GieBt die Drosselklappe als EndverschluB einer Leitung ins Freie aus oder wird die Linsenruckseite ausreichend beluftet, so herrscht Atmospharendruck als Gegendruck und ein Wirbelfeld ist nicht vorhanden. Die Druckflache auf der Vorderseite ist durch die beschleunigte Stromung gegeben. Insbesondere bei Rohrbruchdrosselklappen kann bei nicht ausreichender Beliiftung der negative Gegendruck aus dem positiven Druck entstehen, wenn mit zunehmendem SchlieBen der Klappe der DurchfluB unter der von der AbfluBrohrleitung abgeleiteten Wassermenge liegt und eine Saugwirkung eintritt, wobei sich das vorerwahnte Ablosungs- und Wirbelfeld zeigt. Bei noch groBerem Druckabfall unterhalb des Atmospharendruckes wird schlieBlich die Dampfspannung des Wassers (s. Abb. 12.5) erreicht und Kavitation eingeleitet, so daB die Klappe nach AbreiBen der Wassersaule im AnschluBrohr in ein Vakuum ausgieBt. Den vorteilhaften EinfluB einer ausreichenden Beliiftung macht man sich zunutze, wenn die Drosselklappe auch in an sich unerwtinschten Zwischenstellungen betrieben werden muB und die dabei erhohten Beanspruchungen abzumildem sind. Die stromungstechnischen Betrachtungen fflhren zu Unterscheidungsmerkmalen von Turbinen-, GrundablaB- und SchnellschluBdrosselklappen. Die erstgenannten weisen geringe Stromungsgeschwmdigkeiten, damit geringe Energieverluste und im Normalfall positiven Gegendruck auf. Die Klappenbewegung erfolgt im ruhenden Wasser bei Druckausgleich. Je nach Verwendung als Not- oder EndverschluB heben sich hiervon die GrundablaB- und SchnellschluBdrosselklappen ab. Die Griinde sind hohe FlieBgeschwindigkeiten, niedrige positive und etwaige negative Driicke, groBe Energieverluste und Bewegung in stromendem Wasser gegen vollen einseitigen Druck.

420

12 VerschluB- und Regelorgane

Der Druckhohenverlust ^^ von Drosselklappen ergibt sich als Folge der Umlenkung, Beschleunigung und Verzogerung der Stromung (s. Abb. 12.9a+b). Er ist neben dem Offhungswinkel a abhangig vom Verhaltnis der Linsendicke zum Klappendurchmesser und wird daher stets vom Hersteller detailliert angegeben. In vollkommener Offenstellung wird der freie Rohrquerschnitt je nach Dicke der Klappennabe eingeengt, wodurch das durchstromende Wasser von der Fliei3geschwindigkeit v; im freien Rohrquerschnitt Ai auf die Geschwindigkeit im engsten FlieBquerschnitt As beschleunigt und danach wieder auf V2 im AbfluBquerschnitt A2= Ai= AQ verzogert werden muB. Wie bereits gezeigt, ist die Beschleunigung einer Stromung nahezu verlustfrei, wahrend die RUckwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie stets Verluste mit sich bringt, deren auBeres Kennzeichen das hinter der Linse sich bildende Wirbelgebiet ist. Diese Verluste verstarken sich, wenn durch den Ubergang von der Offenlage in die SchlieBlage sich das Ablosungsgebiet vergroBert. Sie steigen ebenfalls in der Umgebung der Drehachsenlager und bei Klappentellem, bei denen dieser infolge der wachsenden Betriebsdriicke zum Ausgleich der groBeren Nabendicke starker ausgebildet ist, an. Bei Verwendung der Drosselklappe als luftseitiges Absperrorgan eines Grundablasses, das die Wassermenge direkt ins Freie abgibt, wechselt der DurchfluB in einen AusfluB iiber. Anstelle des Verlustbeiwertes <^^ tritt der AusfluBbeiwert // bzw. //' nach (12.8) bzw. (12.6), wobei ftir /i die Nennweite AQ und fiir //' der freie Spaltquerschnitt Aa = As maBgebend ist. Dies gilt, solange an der ganzen Klappenriickseite der Luftdruck wirken kann, auch wenn an die Drosselklappe abfluBseitig ein kurzes Rohrstuck anschlieBen soUte. Ist jedoch dieser RohrschuB mit Wasser gefullt, so bleibt ^^ maBgebend. Der tJbergang vom DurchfluB zum AusfluB macht sich durch eine plotzliche Anderung der Wassermenge und der Momentenverteilung an der Klappenlinse bemerkbar. Werden zwei Drosselklappen hintereinander angeordnet, so kann der gesamte Druckhohenverlust mit etwa 80 % der Sunmie der Einzelklappen-Verluste angesetzt werden. 12.5.2.4 Vor- und Nachteile Drosselklappen sind die leichtesten und am wenigsten Platz beanspruchenden Absperrorgane. Im Vergleich mit Keilschiebem desselben Durchmessers ergibt sich fur Drosselklappen groBer Nennweiten eine Platzerspamis von bis zu 60 %, wobei dies vor allem bei unterirdischen Anlagen von Bedeutung ist. Der Umfang dieser VerschluBorgane einschlieBlich ihrer Antriebe ist nicht viel groBer als der AnschluBflansch, so daB eine ubersichtliche Anordnung moglich ist. Der einfache konstruktive Aufbau erlaubt eine Zusammensetzung aus unkomplizierten, der Festigkeitsberechnung leicht zuganglichen Elementen. Die kreisformige Querschnittsausbildung fugt dabei die Drosselklappe ohne konstruktive Schwierigkeiten in die Rohrleitung ein. Infolge der kleineren Gewichte und der kleineren Reibungskrafte sind die Antriebskrafte geringer als beun Keilschieber gleicher Nennweite. Da bei Drosselklappen zum Offiien und SchlieBen nur eine Drehung der Klappenlinse um 90° erforderlich ist, ergeben sich viel kurzere Bedienungszeiten. Selbst bei groBen Klappen betragen diese etwa ein Fiinftel derjenigen des Keilschiebers. Der SchlieBvorgang kann den Erfordemissen hinsichtlich

12 VerschluB- und Regelorgane

421

der DruckstoBentwicklung durch abgestufte SchlieBgesetze angepaBt werden. Zur Ausbildung als SchnellschluBorgan bei kleinen und mittleren Gefallen eignen sich die Drosselklappen hervorragend, wobei die guten SchnellschluBeigenschaften auf das hydraulische, stets im SchlieBsinne wirkende Moment zuriickzufiihren sind. Da keine empfindlichen Telle im DurchfluBquerschnitt sich befmden, ist ein Einsatz auch bei starker verunreinigtem Wasser moglich. Schwemmsand und sonstige Fremdstoffe konnen sich wegen der geschlossenen Gehauseform nicht ansammeln. Ablagerungen im Sitzquerschnitt werden infolge der beim Offhen und SchlieBen erhohten FHeBgeschwindigkeiten fortgespiilt. Das ringfbrmige Gehause bildet keine Unterbrechung der Rohrleitung wie z. B. der Keilschieber. Von ihm werden die Langskrafte in der Druckleitung und der voile auf den Klappenteller wirkende Wasserdruck aufgenommen und weitergeleitet. Es ermoglicht den glatten Durchgang der Stromung und fiihrt zu relativ geringen Druckhohenverlusten, die jedoch wesentlich hoher als die des Keilschiebers ausfallen. Der DurchfluBquerschnitt des Rohres wird durch die Klappenlinse je nach Nennweite und Druckhohe um 25-40 % verringert. Zwischenstellungen der Drosselklappenlinse fuhren zu ungiinstigen Stromungsverhaltnissen, Schwingungen und mechanischen Beanspruchungen, die eine allgemeine Verwendung als Regelorgan ausschlieBen. Teiloffiiungen sind daher schnell zu durchfahren. 12.5.3

Kugelschieber

12.5.3.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich Zum AbschluB der Triebwasserleitungen vor den Turbinen wurden anfangs ausschlieBlich Keilschieber, spater Drosselklappen eingesetzt. Diese wurden hemach wegen der hohen Druckhohenverluste durch den Kugelschieber, der auch als Kugelhahn bezeichnet wird, ersetzt (s. Abb. 12.10). Bei diesem ist in einem kugelformigen Gehause em um zwei kraftige Zapfen schwenkbares Rohrstuck vom gleichen Durchmesser der Rohrleitung eingebaut. Die Langsachse des Drehkorpers fallt in Offenstellung mit der des anschlieBenden Rohrstranges zusammen, so daB ein vollstandig glatter DurchfluB ohne Querschnittseinschnurung mit nahezu vollkommen verlustfreier Stromung moglich ist. In der in Abb. 12.10b dargestellten SchlieBstellung steht die Achse des AbschluBstiickes auf der Rohrachse senkrecht. Eine auf dem Drehkorper angebrachte, achsial verschiebliche Abdichtplatte Oder Kugelkalotte wird mit ihrer im allgemeinen metallischen, aber auch mit Thermoplasten und Elastomeren ausgefuUten Dichtung durch den Wasserdruck der Rohrleitung in Stromungsrichtung gegen einen eingelassenen Dichtungsring im Gehause gepreBt. Der eine durch das Gehause hindurchgefiihrte Zapfen des Rohrstuckes stellt den AnschluB zum Antrieb Uber ein Zahnsegment oder einen Hebel her. Man kann den Kugelschieber so bemessen, daB er m Notfallen bei Versagen des Turbinenreglers oder Turbinenleitapparates die Vollastwassermenge oder sogar bei Rohrbruch die erhohten Auslaufwassermengen abzusperren vermag. AuBer der SchnellschluBdrosselklappe am Anfang der Triebwasserleitung bildet er damit ein weiteres Sicherheitsorgan am Ende der jeweiligen Verteilleitung. Ahnlich wie bei Drosselklappen fiihren Zwischenstellungen durchstromter Kugelschieber zu Kavitationserscheinungen, die die Verwendung als Regulierorgan ausschlieBen.

12 VerschluB- und Regelorgane

422 Dichtplatte

,Gehäuse 'Abschlußplatte k

Drehkörper 1,0

10

0,10

0,8

8

0,08

Drehachse

a

^^P

0,6

6

0,06

0,4

4

0,04

0,2

2

0,02

c ^ Drehkörper

' '\

qs / \

1^

l/c q s

\ \ \

\

/

0

10

20

\

\

/ //

\

^. x

30

40

50

60

^^

70

80 cc[°]

Dichtungsplatte

Abb. 12.10: Kugelschieber: a) geoffnet; b) geschlossen; c) AusfluBbeiwert ju und Verlustbeiwert Cqs in Abhangigkeit des Offnungswinkels 6ir [12.1]

Kugelschieber sind aufgrund ihres konstruktiven Aufbaues erheblich teurer und besitzen eine groBere Baulange als Drosselklappen. Andererseits sind sie diesen durch den tropfdichten AbschluB in SchlieBlage und durch die sehr geringen Stromungsverluste in offener Stellung iiberlegen. Letzteres fallt insbesondere bei den hoheren FlieBgeschwindigkeiten in den Verteilleitungen kurz vor den Turbinen bzw. Pumpen ins Gewicht. Die Entscheidung zwischen Drosselklappe und Kugelschieber bleibt einer Wirtschaftlichkeitsuntersuchung vorbehalten. 12.5.3.2 Konstruktiver Aufbau Die kugelformige Ausbildung des Gehauses eines Kugelschiebers ist platz- und festigkeitsmaBig sehr giinstig. Bei mittlerem Betriebsdruck und groBen Dimensionen treten anstelle der ublichen gegossenen Ausfuhrung die vollstandig geschweiBten Konstruktionen in den Vordergrund, die betrachtliche Gewichtseinsparungen ergeben. Reparaturbedurftige Telle konnen nach Entfemen eines dem Kugelschieber nachfolgenden Zwischenrohres ausgebaut werden. Zur weiteren Entlastung des Kugelschiebergehauses wird vielfach der Servomotor nicht mehr dem Gehause aufgesetzt. Die asymmetrische Belastung des Drehkorpers durch die Abdichtplatte wu-d durch ein Gegengewicht auf der gegeniiberliegenden Seite ausgeglichen. Die beiden Zapfen des Drehkorpers iibertragen den auf ihm lastenden Wasserdruck auf das Gehause, wobei mit der Dimensionierung der Konstruktionsteile und Verankerungen die Betriebsaufgaben des Kugelschiebers zu beachten sind (Kegel- oder Sicherheitsorgan). Fiir die Abdichtung des VerschluBkorpers von Kugelschiebem sind drei Moglichkeiten entwickelt worden: - Verschieben einer beweglichen Platte im Drehkorper, - Verschieben eines im Gehause sitzenden Ringkolbens, - Verschieben des ganzen Drehkorpers.

12 VerschluB-undRegelorgane

423

Bei der erstgenannten Konstruktionsform weist der zweite Lagerungszapfen eine Durchbohrung auf, die den Raum zwischen der Dichttingsplatte und dem Rohrmantel, den sogenannten Plattenraum, mit dem abfluBseitigen Rohrstrang verbindet und fur die leichte Bewegung des Drehkorpers den Druckausgleich beiderseits der Platte ermoglicht. Sobald der Absperrkorper in Schliefilage gebracht ist, wird diese Entlasttingsleitting durch einen Hilfsschieber unterbrochen. Durch eine weitere Offhung steht jetzt der Plattenraum mit dem Druckwasser der abzusperrenden Hauptleitung in Verbindung, so daB der voile hydrostatische Druck wirkt und den Dichttingsring der Platte fest auf die Dichttmgsflache des Gehauses driickt. Beim Offiien wird ein Druckausgleich zu beiden Seiten der Abdichtplatte hergestellt, wodurch sich der Drehkorper mit geringerem Kraftaufwand drehen laBt. Bei der an zweiter Stelle genannten Dichtungsart wird der in SchlieBstellung senkrecht zur Rohrachse stehende Drehkorper durch einen im Gehause achsial verschieblichen Ringkolben, den der Wasserdruck anpreBt, abgedichtet. Zur Offnung des Kugelschiebers werden der Ringraum entlastet und gleichzeitig die Druckseite belastet, was ein Zurtickgehen des Ringkolbens zur Folge hat. Nachteilig sind die verschiedenen Zusatzdichtungen, die das Ringkolbensystem gegenuber der Abdichtplatte in den Hintergrund treten laBt. Bei wechselnder Stromungsrichtung erhalten die Kugelschieber je nach den betrieblichen Belangen eine oder zwei Abdichtplatten. Die Verwendung nur einer Abdichtplatte setzt voraus, daB der Drehkorper um 180° gedreht und sie durch den Wasserdruck stets an der Austrittsseite in achsialer Richtung an den Gehausesitzring angedrtickt werden kann. Werden zwei Abdichtplatten gewahlt, braucht der VerschluBkorper nur um 90° drehbar zu sein. Die zusatzlich mit einem Neben- bzw. RevisionsverschluB ausgestatteten Kugelschieber besitzen auf der Oberwasserseite einen in achsialer Richtung beweglichen metallischen Ring, der durch den Wasserdruck der Rohrleitung oder durch Verstellspindeln auf den entsprechend ausgebildeten Drehkorperansatz gepreBt wird und eine Abdichtung herbeifuhrt. Bei zu groBem Sandgehalt des Betriebswassers wird auf jeden Fall ein zweiter vorgeschalteter Kugelschieber oder eine zusatzliche Drosselklappe notwendig, damit zur Wartung nicht nur die Dichtungselemente sondem auch der ganze Drehkorper des Betriebskugelschiebers ausgebaut werden konnen. Die SchlieOzeit des Kugelschieberdrehkorpers betragt in der Regel 60-80 s und ist durch die zulassige DruckstoBentwicklung festgelegt. Aus Griinden der einfacheren Steuerung wird der Offhungsbewegung die gleiche Zeitspanne zugeordnet. Zur Erhohung der Betriebssicherheit kommt oft fiir das Offhen des Kugelschiebers Druckol und zum SchlieBen ungesteuertes Druckwasser zur Anwendung. Die Hilfsschieber werden durch Druckol geoffiiet und durch starke Fedem geschlossen. Da der Offiiungsvorgang des Kugelschiebers dem der Turbine vorausgeht, kann bei nicht zu groBem Bedarf das notwendige Druckol von den Olpumpen des Turbinenreglers geliefert werden. Damit schlieBt bei Ausfall des Oldruckes nicht nur die Turbine sondem auch der Schieber. Eine eigene Druckolversorgung ist nur bei groBen, unter hohem Druck stehenden Kugelschiebem notwendig.

424

12 VerschluB- und Regelorgane

12.5.3.3 Hydraulisches Verhalten Im offenen Kugelschieber befindet sich die DurchfluBrohre des Drehkorpers mit der beiderseits anschlieBenden Rohrleitung in gleicher Flucht. Da die Durchmesser gleich sind, ist eine praktisch storungsfreie DurchfluBstromung ohne Querschnittseinschntirung moglich. Lediglich kleine Wirbel konnen am Ringspalt des tJberganges vom Drehkorper zur Rohrleitung sich bilden, die einen vemachlassigbaren Stromungsverlust verursachen. Die Verlustbeiwerte (^^ sind kaum hoher als der Reibungsverlust eines gleich langen Rohrstuckes. Sehr ungunstige hydraulische Verhaltnisse stellen sich jedoch bei Teiloffiiungen des Kugelschiebers ein, bei denen die Stromung beim Durchgang durch den Schieber mehrmals umgelenkt wird und sich mehrfach von der Wandung ablost. Diese Stellen entsprechen Uberdruckgebieten. Unterdruckzonen stellen dagegen die in den Totwasserraumen vorhandenen Wasserwalzen dar. Die unterschiedlichen Druckverhaltnisse dieser Bereiche iiben eine resultierende Drehwh-kung auf den VerschluBkorper aus, die vom Antriebsmechanismus aufzunehmen ist. Die mit Walzen erfullten Unterdruckgebiete sind nicht formbestandig. Hinsichtlich ihrer Ausdehnung und Druckverhaltnisse erfahren sie einen standigen Wechsel, so daB auch die sich bildenden Strahlen fortwahrenden Schwankungen unterliegen und zu einer pendelnden Verschiebung der Aufprallstellen fuhren. Aus dem Wechselspiel der hier auftretenden Krafte ergeben sich lebhafte Schwingungen der beweglichen Konstruktionsteile, die sich mit zunehmender DurchfluBgeschwindigkeit verstarken und langerfristig Ermtidungsbruche verursachen konnen. Gefahrliche Stromungszustande ergeben sich, wenn der Druckabfall in den zahlreichen Unterdruckgebieten im Gehause, im Drehkorper und in der anschlieBenden Rohrleitung die Kavitationsgrenze unterschreitet. Zu den durch Schwingungen verursachten Gerauschen tritt dann noch die bei Kavitation einsetzende Larmentwicklung hinzu. Zur Beurteilung des hydraulischen Verhaltens von Kugelschiebem sind verschiedene Betriebszustande zu beachten. Im Normalbetrieb hat der Kugelschieber die Aufgabe, bei Reparatur und Wartungsarbeiten an der Turbine die Triebwasserleitung abzusperren, wobei das SchlieBen nach Herstellung des Druckausgleiches beiderseits der Abdichtplatte in ruhendem Wasser vollzogen wird. Bei Versagen des Leitapparates oder der dazugehorigen Regeleinrichtung muB der Kugelschieber die stromende Turbinenwassermenge abschlieBen, die auch beim etwaigen Durchgehen der Turbine infolge Netzabschaltung normalerweise nicht groBer als die Turbinenvollastmenge wird. In manchen Anlagen soil der Kugelschieber bei Rohrbruch oder freiem Auslauf des Wassers aus der Rohrleitung infolge Turbinenschaden sicher schlieBbar sein. Der hierfur maBgebende DurchfluB kann ein Mehrfaches der Turbinenvollastmenge betragen, so daB hier die Kavitation am groBten ist und die Kennlinien fur die StromungsgroBen DurchfluB, Drehkorperkraft und hydraulisches Moment stark von der Kavitationszahl (Trh abhangen. Die entsprechenden AusfluBbeiwerte // eines Kugelschiebers in Abhangigkeit des Offiiungswinkels a bei freiem Auslauf des Wassers smd in Abb. 12.10c enthalten.

12 VerschluB-undRegelorgane

425

12.5.3.4 Vor- und Nachteile Die Vorziige des Kugelschiebers liegen in den einfachen und ubersichtlichen Konstruktionsgrundlagen, die sich aus der klaren Trennung der Funktionen DurchfluB in Offenstellung, Abdichtung und Aufiiahme des Wasserdruckes in SchlieBstellung ahnlich der Drosselklappe ergeben. Betriebliche Vorteile liegen in der Beherrschung hoher Drticke und FlieBgeschwindigkeiten sowie in der uneingeschrankten Molchbarkeit. Den auBerst guten hydraulischen Eigenschaften in Offenstellung - den besten aller VerschluBorgane - stehen jene bei Teiloffhungen infolge der erheblichen Wasserwalzenbildung gegenuber, die noch wesentlich schlechter als bei Drosselklappen sind, so daB Zwischenstellungen rasch zu durchfahren sind. Im Normalfall werden die in Turbinenleitungen eingebauten Kugelschieber daher nur in ruhendem Wasser geschlossen und erst nach Druckausgleich beiderseits der Abdichtplatte wieder geoffiiet. In Notfallen ist der gewohnliche Kugelschieber auch in der Lage, den vollen Turbinenwasserstrom abzusperren. Bei entsprechender kraftigerer und robusterer Ausfuhrung kann der Kugelschieber als zweites, vor der Turbine angeordnetes Rohrbruchsicherheitsorgan neben der SchnellschluBdrosselklappe am Leitungsanfang eingesetzt werden. Bin weiterer Vorteil ist, daB der Kugelschieber zusatzlich zu dem auf der Austrittsseite befindlichen BetriebsverschluB, der eine vollkommene metallische Abdichtung erlaubt, auf der Eintrittsseite mit einer zweiten Dichtung, der Revisionsoder Montagedichtung, versehen werden kann, wodurch so je nach den Umstanden ein zweites Absperrorgan eingespart werden kann. Verglichen mit dem Keilschieber ist die Bauhohe des Kugelschiebers erheblich kleiner, seine Vorteile haben ihn an die Stelle des Keilschiebers als Turbinen- und Pumpenabsperrorgan treten lassen. Die Entscheidung zwischen der Verwendung einer Drosselklappe oder des wesentlich teureren, aber in seinen Eigenschaften tiberlegenen Kugelschiebers ist von der Hohe des Betriebsdruckes, dem noch vertretbaren Energieverlust und der geforderten Dichtigkeit abhangig. 12.5.4

Ringschieber und Hohlstrahlschieber

12.5.4.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich Die bisher betrachteten VerschluBorgane Keilschieber, Drosselklappe und Kugelschieber sind keine geeigneten Regelorgane, da bei diesen in Zwischenstellungen ungiinstige Stromungsverhaltnisse herrschen. Die Ubemahme der Nadelform der Dusennadel einer Freistrahlturbine auf einen im Rohrquerschnitt achsial verschieblichen, zentral angeordneten VerschluBkolben, auch Plunger genannt, fuhrte in einer langeren Entwicklungsperiode zu der heutigen Ausbildung des Ringschiebers, wie er in Abb. 12.11 dargestellt ist. Hiemach besteht der Ringschieber aus drei Hauptteilen: Schiebergehause, AbschluBkorpergehSuse und Tauchkolben. Hinzu kommt die Antriebsvorrichtung.

426

12 VerschluB- und Regelorgane

Abb. 12.11: Ringschieber (mit Schaufelkranz) [12.3]

Das Schiebergehause stellt eine Erweiterung der Rohrleitung dar und halt durch radial angeordnete Rippen das konzentrisch eingesetzte, eiformige AbschluBkorpergehause. Durch diese Formgebung wird der Kreisquerschnitt der Rohrleitung in einen kreisringformigen, zur FlieBrichtung achsialsymmetrischen Stromungsquerschnitt iibergefiihrt, wodurch eine ventilahnliche Konstruktion zustande kommt. Der im AbschluBkorpergehause gelagerte und m Richtung der Rohrachse verschiebbare AbschluBkorper setzt sich aus einem zylindrischen und einem konischen, in eine Spitze auslaufenden Teil zusammen. Durch seine hydraulisch gunstige Ausbildung kann der Ringschieber fur samtliche Regelzwecke eingesetzt werden, ohne daC Wirbelbildung oder Strahlablosung eintreten. In fruheren Jahren wurde der Ringschieber als Sicherheits- und Absperrorgan in Turbinenleitungen vor den Maschinen eingebaut. Heute konkurriert er hier mit dem Kugelschieber, da sein Widerstandsbeiwert vergleichsweise groBer ist, obwohl er gegentiber Drosselklappe und Kugelschieber den Vorteil der geringeren sowie gleichmaBigeren Antriebskrafte hat. Er ist der SchnellschluBdrosselklappe dort iiberlegen, wo hohe Driicke bei groBen Abmessungen aufzunehmen sind und wo es auf einen tropfdichten AbschluB ankommt. Mit Vorliebe werden Ringschieber aufgrund ihrer einwandfreien Regulierfahigkeit als luftseitige Endverschliisse in GrundablaB- und Entlastungsleitungen eingesetzt. Hinter dem Gehausedichtungsrmg schlieBt der Auslaufteil des Schiebergehauses an ein Betonrohr an, dessen Durchmesser groBer als der des Schieberaustrittsquerschnittes ist, wodurch der Strahl ohne Wandberiihrung bei allseitiger Beliiftung frei austreten kann. Die Beliiftung geschieht entweder durch den ungehin-

12 VerschluB- und Regelorgane

427

derten Zutritt der Luft von der Unterwasserseite her oder durch eine abfluBseitige Luftzufuhr durch die Hohlrippen des Schiebers. Der Strahl selbst tritt mit hoher Geschwindigkeit geschlossen aus, und die Umwandlung der kinetischen Energie findet erst im Tosbecken statt, das entsprechend der hohen Flachenbelastung ausgebildet werden muB. Angesichts des iibermaBigen Angriffes des Tosbeckens wurde der Hohlstrahlschieber, auch Dusenringschieber genannt (s. Abb. 12.12a), entwickelt, bei dem schon beim Austritt aus dem Schieber eine moglichst intensive Energievemichtung durch Luft- oder Wasserreibung auch im Strahlinneren ohne Beeintrachtigung des Schieberwu-kungsgrades veranlaBt wird. Bei diesem ist der AbschluBkolben im Unterschied zum Ringschieber nicht stromabwarts sondem stromaufwarts gerichtet. Das Lmengehause liegt im Innem des Hohlstrahles und wird von ihm nicht beriihrt. Der Strahldurchmesser andert sich nicht mit der Schieberstellung. Kolben und Wandung des AuBengehauses, an die sich der Strahl anlegt, erfahren nur positiven Wasserdruck, so daB Ablosungen und Kavitation nicht auftreten. Die Ringform des Austrittsstrahles ermoglicht eine groBe, der Luft- bzw. Wasserreibung ausgesetzte Innen- und AuBenflache, wodurch ein Teil der Bewegungsenergie aufgebraucht und die vom Beruhigungsbecken restlich umzuwandelnde Energie pro Flacheneinheit des Strahles betrachtlich reduziert werden. Durch Schragstellung der Tragrippen kann dartiber hinaus dem Strahl ein auflokkemder Drall erteilt werden. Ein weiteres bedeutsames Anwendungsgebiet erschlieBt sich dem Ringschieber in Pumpenanlagen. Hier wird er als Drossel- und Absperrorgan oberhalb einer Pumpe, vomehmlich einer Speicherpumpe, eingesetzt, die beim Anfahren zunachst gegen den geschlossenen Ringschieber arbeitet, bis sie die Betriebsdrehzahl erreicht hat und durch den alhnahlich sich offiienden Schieber ohne Schwingungen und Kavitation in den normalen Betrieb ixbergefiihrt werden kann. Bei niedrigem Oberwasser dient der nachgeschaltete Ringschieber zum Drosseln der Pumpe, um Kavitation zu verhiiten; oft wird er gleichzeitig als Ruckschlagorgan bei Pumpenausfall ausgebildet. Kann infolge der DruckstoBentwicklung ein schneller AbschluB des Riickschlagorganes nicht erfolgen, so ist es moglich, durch einen NebenauslaB unter Umgehung der Pumpen die rtickstromende Wassermenge abzufuhren und die Absperrung der Rohrleitung nach einer vorbestimmten, den Druckverhaltnissen angepaBten Zeitkurve durch einen Ringschieber vorzunehmen. Er kann auch zur Wassermengenbestimmung nach dem Venturiprinzip herangezogen werden, wobei in diesem Fall hinter dem Schieber ein Difftisor als Ubergang von dem verringerten Austrittsdurchmesser auf die Nennweite der Rohrleitung vorzusehen ist. Der MeBrmgschieber erfiillt also gleichzeitig die Aufgaben eines MeB-, Absperr- und Regelorganes. Des weiteren kann eine Ringschieberkonstruktion zur Druckmmderung in Frage kommen, bei der der axial verschiebliche VerschluBkorper an der Spitze mit einem Lochzylinder ausgestattet ist (s. Abb. 12.12b), durch dessen radiale Bohrungen im Zylinder der DurchfluB in eine Vielzahl von Einzelstrahlen aufgespalten wird und eine wirkungsvoUe Energieumwandlung stattfindet.

428

12 VerschluB- und Regelorgane Schraubenspindel und Kegelrad ^

"Antrieb ,Plunger

Lochblendenzylinder (Chromstahlguß)

S/Smax

1,0

Abb. 12.12: a) Ringschieber mit Lochzylinder [12.4]; b) Hohlstrahlschieber [12.1]; c) Verlustbeiwert Cqs und AusfluBbeiwert ju eines Ringschiebers sowie AusfluBbeiwert /u eines Hohlstrahlschiebers in Abhangigkeit des Offnungsverhaltnisses s/s^ax [12.1]

12.5.4.2 Konstruktiver Aufbau Die Entwicklung des regulierfahigen Ringschiebers geht auf die Diisennadel einer Pelton-Turbine zuriick, weshalb der Ringschieber urspriinglich Nadelschieber genannt wurde. In seiner Endform erhielt er erheblich verkiirzte, das Innen- und AuBengehause verbindende Tragrippen. Der in Stromungsrichtung absperrende VerschluBkolben gleitet entlang der AuBenflache des Linengehauses, wodurch bessere Stromungsbedingungen und kleinere Abmessungen erzielt werden. Fiir den Ringschieber kommen die iiblichen Antriebe in Betracht. Bevorzugt wird der olhydraulische Antrieb mit innenliegendem Druckolservomotor; moglich ist auch ein mechanischer Antrieb. Zum nahezu vollstandigen Druckausgleich zwischen der hinenseite und AuBenseite ist die Wandung des Schieberkopfes mit einer groBeren Anzahl von Bohrungen ausgestattet, daher sind im wesentlichen nur Reibungswiderstande zu iiberwinden. Der VerschluBkolben wird durch den Mantel des Innengehauses und durch die Gehauseverbindungsrippen gefiihrt. Seine Bewegung erfolgt bei dem in Abb. 12.13 dargestellten Beispiel durch eine Gewindespindel, die uber ein Kegelradgetriebe mit einer nach auBen fuhrenden An-

12 VerschluB- und Regelorgane

429

triebsspindel in Verbindung steht. Da der Hub klein ist, ergeben sich kurze SchlieB- und Offiiungszeiten.

Abb. 12.13: Ringschieber: a) geschlossen; b) geoffnet [12.1] In SchlieBstellung legt sich der Kolben mit dem am Zylindermantel angeordneten Dichtungsring an einen entsprechend ausgebildeten Gegenring im Gehause an. Der eine der beiden, z. B. aus Bronze gefertigten Dichtungsringe kann flir eine vollkommene Abdichtung noch mit einer Gummizwischenlage versehen werden, die sich beim Anpressen elastisch dehnt und vor den Ringspalt legt. Die Dichtungsflachen nutzen sich sehr wenig ab, da sie sich erst in SchlieBstellung beriihren. Zur Abdichtung der zylindrischen Laufflache des SchlieBkolbens gegen das Innengehause dient eine Manschettendichtung. 12.5.4.3 Hydraulisches Verhalten Die Stromung durch einen Ringschieber ist rotationssymmetrisch. Durch die Kappe des Innengehauses wird der ankommende Strahl vom vollen Kreisquerschnitt in einen Ringquerschnitt aufgeteilt, der sich hinter dem konisch ausgebildeten AbschluBkorper im Auslaufgehause wieder zum Vollkreis schlieBt. Das an der Eintrittsseite angestromte Innengehause, welches bei eingezogenem Kolben in Langsrichtung einen etwa elliptischen Rotationskorper bildet, erfahrt einen Staudruck, dessen Maximum in Rohrachshohe liegt. In diesem Punkt ist die Geschwindigkeit null, von da steigt sie bis zu einem Maximum an der Stelle der starksten Einlaufkrummung an, vermindert sich wieder ttber den ringzylindrischen Teil und wird schlieBlich an der starksten Konkavkriimmung des Kolbens am groBten. Langs der Kolbenspitze nimmt sie nahezu stetig bis auf den Wert der Austrittsgeschwindigkeit ab. Entsprechend dem Geschwindigkeitsverlauf entstehen die groBten Druckminderungen an der konkaven Kolbenausrundung nach dem Dichtungssitz. Dagegen steigt der Druck im gegentiberliegenden Bereich des AuBengehauses infolge der Fliehkrafte an, so daB das Maximum der Geschwindigkeitsverteilung iiber den Querschnitt des ringformigen DurchfluBkanals aus der Mitte zur Innenwandung hin verschoben wird. Die uber den Stromungsweg veranderlichen Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse ergeben insbesondere bei niedrigen Drticken leichte Ablosungen. In

430

12 VerschluB- und Regelorgane

solchen Fallen wird der Auslaufquerschnitt gegeniiber dem Einlaufquerschnitt verkleinert, um durch die Einschnurung eine gleichmaBig beschleunigte Stromung zu erhalten. Allerdings verursacht diese MaBnahme einen hoheren DurchfluBverlust und damit eine Verminderung des Durchflusses. In Wasserkraftanlagen liegen im allgemeinen immer hohere Driicke vor, so daB bei eingebauten Ringschiebem auf eine Einschntirung der FlieBquerschnitte zur Beseitigung der Kavitationsgefahr verzichtet werden kann. Beim GrundablaBhohlstrahlschieber (s. Abb. 12.12b) herrschen gunstige Druckverhaltnisse am angestromten Schieberkopf. Als besonders gunstig envies sich eine pilzfbrmige, flache Kopfausbildung. Wesentlich ungtinstigere Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse stellen sich bei bedecktem, d. h. unbeltiftet unter Wasser austretendem Strahl ein. Hierbei entsteht im Strahlkem Unterdruck, wodurch dieser Unterdruck den Hohlstrahl nach Verlassen des Schiebers wieder zu einem Vollstrahl zusammenpreBt. Der sich einstellende Gleichgewichtszustand bewu-kt, daB die vom Strahl mitgerissene FlUssigkeit durch erne RUckstromung aus dem Strahl selbst ersetzt wh-d, wobei der Unterdruck im Strahlinneren erhalten bleibt. Durch eine intensive BelUftung kann der Unterdruckbildung im Schiebergehause nicht nur begegnet sondem auch die Energieumwandlung im Beruhigungsbekken gunstig beeinfluBt werden. Andererseits konnte bei Katastrophenhochwasser durch Abstellen der fur den Normalfall vorgesehenen BelUftung und durch Ausnutzung der hierdurch bedingten Saugwh*kung der SchieberabfluB fiir eine eng begrenzte Dauer gesteigert werden. Eine solche selten zu nutzende Leistungsreserve erscheint trotz etwaiger Kavitationsschaden wirtschaftlicher als eine kostspielige, zu Uppige Dimensionierung der Entlastungsanlage. Der die DurchfluBeigenschaften eines normalen Ringschiebers kennzeichnende Verlustbeiwert ^^ ist m Abhangigkeit vom Offiiungsverhaltnis s/Smax aus Abb. 12.12c zu entnehmen. Hiemach wirkt sich im Bereich s/Smca^^A die Gestaltung des Ringschiebers bzw. die Form des DurchfluBkanals auf die Hohe der Stromungsverluste aus. Bei AusfluBvorgangen, d. h. wenn der Ringschieber am Ende einer Rohrleitung angeordnet ist und der Schieberregulierquerschnitt die AusfluBoffiiung bildet, wird der AbfluB durch den AusfluBbeiwert ju (s. Abb. 12.12c) gemaB (12.7) bestimmt. Dabei zeigen Ringschieber nahezu unabhangig vom jeweiligen Austrittsdurchmesser ein allgemein gleiches AusfluBverhalten. Bei GrundablaBringschiebem wird // haufig auf den engsten Auslaufdurchmesser hinter dem Dichtungssitz bezogen, da dieser die ubrigen Schieberabmessungen festlegt und nicht durch die AnschluBverhaltnisse an die oberwasserseitige Rohrleitung beeinfluBt wird. Bei Hohlstrahlschiebem ist der Einlaufdurchmesser die BezugsgroBe (s. Abb. 12.12c). Der Einsatz von Ringschiebem zur Reguliemng der Wassermengenabgabe ftihrte anfangs zu bosen Uberraschungen. GroBe Kavitationsschaden und starke Erschiittemngen traten am Schieber und in der AnschluBleitung auf, die selbst durch nachtraglich eingebaute, kostspielige Beluftungseinrichtungen nicht restlos beseitigt werden konnten. Zum einen wurde der ringformige DurchfluBkanal so gestaltet, daB zur Erzielung einer gleichmaBig beschleunigten Stromung die FlieBquerschnitte in Stro-

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mungsrichtung sich standig verkleinem und unabhangig vom Offhungshub stets am Schieberaustritt ihren Minimalwert erreichen. AuBerdem wurde der Auslaufquerschnitt gegeniiber dem Einlaufquerschnitt um 9,0 % eingeschniirt. Die unveranderliche Lage der kleinsten DurchfluBflache muBte durch Wahl einer scharfkantigen AuslaBoffiiung gesichert werden. Des weiteren war die gegenseitige Abstimmung der Neigungswinkel von Auslaufgehause und AbschluBkegel notwendig, wobei die Neigung des Gehauses nicht kleiner als die des VerschluBkorpers sein darf. Dariiber hinaus stellte man fest, daB der Dichtungsring des SchlieBkolbens nicht auf dem Kegelmantel sondem am Ubergang offen vom zylindrischen zum kegeligen Teil, eingelassen in eine Ringnut, anzuordnen ist. 12.5.4.4 Vor- und Nachteile Ringschieber lassen sich in vielfaltiger Weise zugleich als Absperr-, Regulier-, Rtickschlag-, SchnellschluB- und MeBorgan einsetzen. Die Ring- und Hohlstrahlschieber arbeiten bei richtiger Formgebung und etwa notwendiger Beluftung in beliebigen Zwischenstellungen vollkommen erschiitterungsfrei. Ablosungen und Wirbelbildung treten bei keiner Drosselstellung auf. Von Nachteil sind jedoch die mehrfachen Umlenkungen der DurchflUsse, die beim Ringschieber etwa den gleichen Energieverlust wie bei einer offenen Drosselklappe derselben Nennweite ausmachen. Auch bei groBen Durchmessem und hohen Betriebsdrucken gewahrleisten Ringschieber mit metallischen Sitzringen und einer einfachen Gummihilfsdichtung in jahrelangem Betrieb eine absolute Dichtigkeit. Beim Offiien und SchlieBen bewegen sich die Sitzflachen des VerschluBkorpers und AuBengehauses senkrecht zueinander, so daB in keiner Phase ein Aufeinandergleiten stattfindet, die Dichtungen also auBerst geschont werden. Das gtinstige, rotationssymmetrische Gehause bietet bei geringem Werkstoffaufwand eine groBe Festigkeit. Beim Ringschieber iibertragt es groBe Langskrafte der Rohrleitung. Es ist verhaltnismaBig leicht herzustellen und zu bearbeiten. Nachteilig ist die groBe Baulange des Ringschiebers, obwohl der Raumbedarf senkrecht zur Rohrachse gering bleibt. Die SchlieB- und Offiiungsbewegung erfordert auch unter vollem einseitigen Druck erheblich geringere, gleichmaBigere Antriebskrafte als bei Keilschieber, Drosselklappe und Kugelschieber. Es ist nur ein Verschieben des AbschluBkolbens in achsialer Richtung bei standig symmetrischen Stromungsverhaltnissen notwendig. Der VerschluBkorper kann voUstandig entlastet werden, und der geringe Hub bedingt kurze Bewegungszeiten. GroBe Wassermengen lassen sich daher leicht steuem, so daB sich der Ringschieber mit Fallgewichts- und Kurbelantrieb besonders bei groBem Betriebsdruck als SchnellschluBorgan in hervorragender Weise eignet. Der ringfbrmige AusfluBstrahl des Hohlstrahlschiebers ermoglicht langs der AuBen- und Innenflache eine gute Verwirbelung mit der umgebenden Luft oder dem Wasser. Zerstaubung und Reibung fiihren eine im Vergleich zum Vollstrahl des Ringschiebers erhohte Energieumwandlung herbei, so daB die auf das Tosbekken entfallende, zu „vemichtende" Energie daher kleiner ist.

432

12 VerschluB- und Regelorgane

12.5.5

Kegelstrahlschieber

12.5.5.1 Wirkungsweise und Anwendungsbereich Der Kegelstrahlschieber stellt die ideale Form eines konstruktiv einfachen, leicht zu betatigenden, sehr wirtschaftlichen und hydraulisch auBerst wirksamen Regulierverschlusses am Ende eines Grundablasses oder einer sonstigen Entlastungsleitung dar. Die Entwicklung dieses jtingsten Regulierorganes setzte vor etwa fiinf Jahrzehnten ein. Nach Abb. 12.14a ist er im Grunde genommen ein horizontal verlegtes Zylinderschiitz, das als Verlangerung iiber das Ende einer verankerten Rohrleitung ins Freie hinausragt. Die einzelnen Konstruktionselemente des Kegelstrahlschiebers sind das tragende Rohr, der Prallkegel, die Rippen, das Zylmderschiitz und der Antrieb. Der kegelformige AbschluBkorper ist in achsialer Richtung durch die radial angeordneten Verbindungsschotte fest an das Tragrohr angeschlossen und bildet mit diesem eine ringformige Offhung. hi offener Schieberstellung trifft der Wasserstrahl auf den Kegel und wird ahnlich wie beim Hohlstrahlschieber je nach Kegelneigungswinkel schirmartig zu einem sehr breiten, groBflachig zerstaubenden Hohlstrahl aufgeteilt, wodurch eine intensive Beruhrung mit der AuBenluft bei hoher Reibung und Verwirbelung mit der Folge betrachtlicher Energieumwandlung zustande kommt. Die Regulierung des AusfluBquerschnittes zwischen Kegelflache und Mantelflache erfolgt durch ein das Tragrohr umschlieBendes Zylinderschiitz, das in Langsrichtung auf dem Hauptrohr und den Rippen gleitet und durch Gewindespindehi, Kardanwellen, Hebelgestange oder dergleichen angetrieben wird. Es kann als einzig beweglicher Schieberteil in jeder beliebigen Zwischenstellung zur Freigabe einer bestimmten Ringoffiiung mit festgelegter Wasserabgabe gehalten werden. Die aufzuwendenden Antriebskrafte sind sehr gering, da das Gleitschutz nicht dem Wasserdruck unterliegt und fur den SchlieB- bzw. Offiiungsvorgang im wesentlichen nur Reibungskrafte langs der Gleitbahn und innerhalb des Antriebes zu iiberwinden sind, deren GroBe im ganzen Bewegungsbereich sich kaum andert. Zylinderschütz geschlossen

a

1,0T-

0,8 S/Smax

Abb. 12.14: Kegelstrahlschieber: a) Schnitt: oben geschlossen - unten geoffnet [12.4]; b) AusfluBbeiwert // eines Kegelstrahlschiebers in Abhangigkeit des Offnungsverhaltnisses s/smax fur cir = 45°, b = Q und Smax = 0,5 D[12A]

12 VerschluB-undRegelorgane

433

In manchen Fallen wird dem Kegelstrahlschieber an der AbfluBseite noch ein groBeres, die Ringoffhung umhiillendes tJberzugsrohr aufgesetzt, das dem konischen Austrittsstrahl eine Fuhrung gibt und ihn in seiner Ausdehnung begrenzt. Da der Kegelstrahlschieber mit beliebiger Nennweite auch to hohe Betriebsdrticke ausgelegt werden kann, fmdet er als anspruchslosestes Regulierorgan zum AbschluB von Druckrohrleitungen in Grundablassen, Hochwasserentlastungsanlagen, Bewasserungsanlagen und dergleichen mehr Verwendung. 12.5.5.2 Konstruktiver Aufbau Die sichere Abfiihrung groBer, regulierbarer Wassermengen unter hohem Druck setzt eine sorgfaltige Konstruktion und Ausfiihrung voraus. Da die Kegelstrahlschieber uber eine Flanschverbindung an die im Beton oder Felsen verankerte Rohrleitung angeschlossen sind und im allgemeinen unmittelbar ins Freie hinausragen, muB auBer der ortlichen Lage und den AbfluBverhaltnissen die Wirkung klimatischer Einfliisse auf die Betriebsbedingungen ganz besonders beachtet werden. GieBt der Kegelschieber zum Schutze der Umgebung vor Spritzwasser und nebelartigem Wasserschleier oder aus sonstigen technischen Grunden in ein Rohr, einen Stollen oder eine Unterwasserkammer aus, so muB eine ausreichende Beliiftung Unterdruckbildung und etwaiges Zuruckschlagen des Wassers auf die hmteren Schieberpartien verhindem. Des weiteren muB die Begrenzung einen gentigend groBen Durchmesser besitzen, damit die Energieumwandlung nicht beeintrachtigt wird. In geschlossener Schieberstellung Ubertragt der AbschluBkegel den gesamten wirksamen statischen Wasserdruck achsial tiber die Schotte und das unter Innendruck stehende Tragrohr auf dessen Verankerung, zu dem grundsatzlich noch die erheblichen Biegemomente aus Eigengewicht und Wasserlast des auskragenden Kegelschiebers hinzukommen. Der bei teilweiser oder voller Offhung des Schiebers auftretende dynamische Stromungsdruck liegt in der Regel wesentlich unter dem vollen statischen Wasserdruck, und seine GroBe ist von der Kegekieigung und dem Offiiungshub abhangig. Regulierschieber in Grundablassen sind infolge des moglichen Geschiebetransportes Zusatzbeanspruchungen ausgesetzt. Besonders gefahrdet sind die den Wasserstrahl umlenkenden bzw. aufteilenden VerschluBkorper, die punktformige Belastungen durch die mit hohen Geschwindigkeiten aufschlagenden Gesteinsteile erfahren. Eine weitere zusatzliche Beeintrachtigung der an sich symmetrischen, aus der normalen AbfluBstromung resultierenden Belastung des Prallkegels sowie der Rippen kann durch Wirbel auftreten, die aufgrund irgend einer oberhalb liegenden Stoning bereits in der Zulaufstromung entstanden sind, wodurch ein entsprechender Sicherheitszuschlag notwendig wh-d. Die hohen Austrittsgeschwindigkeiten, die in der GroBenordnung von etwa 30 m/s bzw. 110 km/h bei 100 m Stauhohe liegen, bedingen eine hydraulisch einwandfreie Formgebung. Diese erstreckt sich neben einer sorgfaltigen Bearbeitung der Anstromkanten und SchweiBnahte auf eine gute Strahlfuhrung in jeder beliebigen Schieberoffhungslage, bei der keine Ablosungen und Schwingungen verursacht werden. Dies wird durch einen gleich groBen Querschnitt der vollen Ringoffiiung wie der Nennquerschnitt der Rohrleitung erreicht. AuBerdem muB zur gu-

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ten Strahlfiihrung der Ubergang von der Vorderkante des Tragrohres zu jener des Zylinderschiitzes so ausgebildet sein, daB der Strahl mit Sicherheit erst an der SchUtzenstimflache abreiBt. Die groBte Offiiungsweite und der Kegebieigungswinkel werden durch die hydraulischen Anforderungen bestimmt. Die Leistungsfahigkeit des Schiebers ist von der Neigung des konischen Sitztellers abhangig und nhnmt fiir einen Offnungswinkel von ca. 2 - a= 120° einen maximalen Wert an. Der VerschluB muB stets betriebssicher arbeiten. Hierzu sind die Telle, die einem VerschleiB unterliegen, leicht auswechselbar und moglichst wartungsfrei auszubilden. In vortrefflicher Weise kann wie bei keinem der anderen Absperr- und Regulierorgane den die Konstruktion betreffenden Anforderungen durch die SchweiBtechnik Rechnung getragen werden, ohne daB kostspielige und schwere GuBkonstruktionen notwendig sind. Die Dichtigkeit des Kegelstrahlschiebers in der SchlieBstellung wird durch einen metallischen Dichtungsring mit elastischer Zusatzdichtung auf dem Kegelmantel und einer elastischen Dichtung an der Stimseite des Schiltzes hergestellt. Den Dichtungsdruck am Sitzteller tibertragt im allgemeinen ein gesonderter, abschraubbarer Randtrager, der hinter dem AbschluBkegel angeordnet ist und ein Auswechseln einer schadhaften Dichtung, sowie im Bedarfsfall ein Herausnehmen des Zylinderschiitzes erlaubt. Zur Verhinderung einer Wasserstromung zwischen Tragrohr und Zylinderschiitz dient z. B. eine ringformige Lippendichtung, welche durch das infolge Innendruck sich weitende Tragrohr zusatzlich angepreBt wird. Die Fuhrung des Zylinderschutzes iibemehmen bei groBen und hoher beanspruchten Schiebem achsiale Fiihrungsleisten auf dem Umfang des Tragrohres und auf den Kanten der Verbindungsschotte, die leicht abzuschrauben und auszuwechsehi sind. Der VerschluBzylinder konnte auch direkt iiber 50 bis 100 mm breite Dichtungsringe auf dem Tragrohr an seinem vorderen und hinteren Ende aufsitzen, ohne daB besondere Fiihrungsleisten notwendig waren. Der Antrieb erfolgt diametral am Umfang des Schiitzes und ist moglichst robust auszufuhren. Um ein Verkanten und Verklemmen auszuschalten, ist auf eine gleichmaBige Bewegung der beiden Antriebsglieder zu achten. Bei einer abgewandelten Konstruktion des Kegelstrahlschiebers ist der bewegliche AbschluBzylinder in das Innere des Tragrohres verlegt, wodurch eine direkte Lagerung des Schiebers moglich wird. Das Tragrohr wird so zum auBen liegenden Schiebergehause. Kraftige, achsial angeordnete Langsrippen verstarken es und halten iiber die Ringoffhung hinweg die kegelformige Prallplatte. Der Gleitzylinder im Schieberinneren wird durch ein zentral gelegenes Kegeh*ad- oder Schubspindelgetriebe betatigt. 12.5.5.3 Hydraulisches Verhalten Fiir den Betrieb des Kegelstrahlschiebers sind drei AbfluBmoglichkeiten zu unterscheiden: - freier AbfluB, - AbfluB in eine Toskammer mit anschlieBender Rohr- oder Stollenleitung, - gestauter AbfluB.

12 VerschluB- und Regelorgane

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Der AbfluB ins Freie stellt allgemein die gunstigste Abflufiform dar. Das unbehindert in die Luft austretende Wasser reiBt groBe Luftmengen mit sich, und der Querschnitt des Strahlkonusses wachst sehr schnell an. In gleichem MaBe muBte die Strahlgeschwindigkeit nach dem Kontinuitatsprinzip zuriickgehen. Da dies in Anbetracht der groBen kinetischen Energie innerhalb der kurzen Strecke nicht moglich ist, zerstaubt der Strahl unter Verwu-belung mit der Luft, wodurch eine rasche Energieumwandlung herbeigefuhrt wird, da die kinetische Energie mit der vierten Potenz des Strahldurchmessers abnimmt. Durch ein am besten konisch ausgebildetes Hullrohr kann der Strahl in seiner Ausdehnung begrenzt und dartiber hinaus durch eine geeignete Toskammer aufgefangen werden. Hierfur konnen technische und wirtschaftliche Grtinde wie geologische Verhaltnisse, Lange der unter Druck stehenden Zufiihrungsleitung, Zuganglichkeit, Wasserableitung, Umgebungstemperatur etc. maBgebend sein. Die Verwendung einer Toskammer setzt eine gut ftmktionierende Beliiftaing voraus, deren erforderliche Menge mittels Modelluntersuchungen festgestellt werden muB, da sie sehr stark von der Ausbildung des Tosbeckens und der Wasserabgabe des Schiebers abhangig ist. Das Hiillrohr dient auch zum besseren Schutz der hinteren Schieberteile (insbesondere der Steuer- und Antriebsorgane) vor dem Zuruckschlagen des Austrittswassers. Diese Abdeckhaube sollte nicht fest mit dem beweglichen Zylinderschtitz verbunden sein, da sonst eine Motorzusatzkraft aufgebracht werden muB. Der gestaute AbfluB, bei dem der Schieber durch das Unterwasser ilberstaut ist, stellt die dritte AbfluBmoglichkeit dar. Zur Behebung von Hohlsog und Kavitation muB auch hier geniigend beltiftet werden. Das Leistungsvermogen des Kegelstrahlschiebers wird durch die Betriebsart kaum beeinfluBt. Es ist lediglich von der zur Verfiigung stehenden Energiehohe, der GroBe des Austrittsquerschnittes sowie dem BelUftungsgrad abhangig. Mit Hilfe der im Kapitel 12.2.3 bereits erwahnten, auf HELMHOLTZ und KIRCHHOFF [12.1] zuriickgehenden Theorie der freien Strahlen ist tiber einen mathematisch-physikalischen Rechengang mit geschlossenen Losungen eine wirklichkeitsnahe Ermittlung von AusfluBzahlen, Strahlneigungswinkel und resultierenden Driicken moglich [12.5]. Die Ausfiihrung der Kegelstrahlschieber mit einer Prallkegelverlangerung b = 0 ilber den SchlieBpunkt des Zylinderschiltzes hinaus ist die gebrauchlichste (s. Abb. 12.14a). Bei b>0 geht das Leistungsvermogen zurUck, wahrend es sich bei Z? < 0 naturgemaB erhoht. Der Vorteil des mit Uberstand ausgefuhrten Kegelschiebers liegt jedoch in der langeren Strahlftihrung und der damit erzielbaren groBeren Streubreite mit erhohter Energieumwandlung. Der EinfluB des Kegebieigungswinkels a auf den AusfluBbeiwert // ist bei kleinen 6-Werten erkennbar, besonders im Bereich kleiner a-Werte. Der ftir optimalen AbfluB gunstigste Winkel liegt bei cir=60°. Dies zeigt sich noch deutlicher, wenn anstelle von a der AusfluBbeiwert ju oder der Offiiungsgrad als Kurvenparameter gewahlt werden; auffallend ist die groBe Abhangigkeit des Wertes // von a bei festgelegter Schieberoffiiung s/d. Ein Kegelstrahlschieber mit einem Kegeloffnungswinkel 2 • a= 120° hat im Vergleich zu 2 • a = 90° den Vorteil der kUr-

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zeren Baulange und der groBeren Streubreite des Hohlstrahles, daher einer wirksamen Energieumwandlung vereint mit bestem AbfluBvermogen. Bei samtlichen im Modell und in der Praxis untersuchten Kegelschiebem wurde die Beobachtung gemacht, daB bei Uberschreiten eines bestimmten Offiiungshubes einmal die /i-Kurve trotz groBer werdenden Austrittsquerschnittes plotzlich abfiel und zum anderen unvermittelt Schwingungen und Vibrationen auftraten. Letztere lieBen wieder nach, sobald das Zylinderschutz noch weiter zuruckgezogen wurde. Diese plotzlichen Schwingungen sind mit Ablosungen des Austrittsstrahles zu erklaren. Solange die Stimseite des Zylinderschutzes gentigend weit iiber die Stimflache des Tragrohres vorsteht, wird der Wasserstrahl zwischen den Innenflachen von Innen- und AuBenrohr und der Mantelflache des AbschluBkegels einwandfrei gefiihrt, so daB er uberall anliegt. Wird jedoch mit zunehmender Freigabe der Schieberoffiiung die Entfemung zwischen den Stimseiten beider Rohre (Tragrohr und Gleitrohr) zu klein, so reiBt der Strahl wechselweise am Mundstuck des Zylinderschutzes und an der Vorderkante des Innenrohres ab. Das hierdurch entstehende Flattem halt so lange an, bis wieder eindeutige AbfluBverhaltnisse geschaffen sind. Auch die Hohe der AusfluBgeschwindigkeit ist hierbei von Bedeutung. Der tatsachliche GroBthub s^ax des Zylinderschutzes soUte daher stets kleiner als die maximale Offiiungsweite s zwischen Kegel und Vorderkante Tragrohr sein, wobei der Unterschied etwa das Vierfache der Durchmesserdifferenz zwischen Tragrohr und Gleitrohr betragen sollte. Die prozentuale GroBe des Offiiungshubes s/smax, an welchem sich das wechselweise Ablosen des Wasserstrahles einstellt, liegt bei etwa 90-95 %. Das groBte AbfluBvermogen des Schiebers wird dadurch kaum beeintrachtigt, da die Mindemng weniger als ein Prozent ausmacht. Zu den allenfalls erforderlichen Zusatzeinrichtungen von Kegelstrahlschiebem zahlen Beliiftungsleitungen bei Einbau des Schiebers in eine Schieberkammer, d. h. bei Beschrankung der Strahlausbreitung. Die richtige Bemessung der zuzuleitenden Luftmengen bildet ein besonderes Problem, da der Luftbedarf sehr stark von den ortlichen Verhaltnissen abhangig ist. Strahlablenker und Strahlaufi-eiBer, die geme in Schieberkammem an den Auftreffstellen des Wasserstrahles zur wirksameren Energieumwandlung eingebaut werden, erhohen den Luftverbrauch betrachtlich. Auch wird infolge der hohen AusfluBgeschwindigkeiten Luft mitgerissen und im Unterwasser abgeflihrt. ZahlenmaBige Angaben lassen sich daher nur aufgmnd von Nahemngsberechnungen und Modellversuchen machen, die dann durch spatere Erfahmngen an der ausgefuhrten Anlage zu erganzen sind. Als Anhaltswert legt man eine Querschnittsflache der Beliiftungsleitung, die etwa gleich dem Quadrat des Schieberdurchmessers ist, zugmnde. Die Beobachtungen an Modell und Schieber zeigten, daB das Spritzwasser allmahlich einen Wasserschleier oberstromseitig der Schieberaustrittsoffiiung erzeugt und so die Luftzufiihr von dieser Seite her beeintrachtigt und eine zusatzliche Beanspmchung der hinteren Schieberteile erzeugt. Auch bei besonders extremen Betriebsbedingungen haben sich Kegelstrahlschieber als Regulierorgan glanzend bewahrt. Besonders in Klimazonen, in denen in den Wintermonaten die AuBentemperaturen iiber langere Zeit durchweg deut-

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lich unter dem Gefrierpunkt liegen, sind GegenmaBnahmen gegen Vereisung notwendig. Da die Vereisung des Zylinderschtitzes durch die feine Verspriihung des Wassers begiinstigt wird, kann beispielsweise die Strahlauflockerungszone durch Anordnung eines die Ringofftiung umgebenden Konusses vom Schieber weiter weg in die eigentliche AbfluBkammer verlegt werden. Um die Vereisung aber voUstandig zu unterbinden, ist entweder die Beheizung des Gleitschiitzes und der Gleitbahn oder die Erwarmung der den Schieber umgebenden Luft auf ca. O^C notwendig. Die elektrische Beheizung ist kostenmaBig nur vertretbar, wenn der elektrische Strom in unmittelbarer Nahe der Anlage erzeugt wird. Dagegen laBt sich die Lufterwarmung oft mit bescheidenen Mitteln erreichen, indem z. B. die Luft Uber eine langere Strecke entlang der Rohrleitung gefiihrt und so auf tiber 0°C erwarmt wird. Nebenbei wird hierbei das entstehende Schwitzwasser abgefiihrt. Um das notwendige Druckgefalle zwischen Anfang und Ende der Leitung zur Deckung des Luftbedarfes zu iiberpriifen, sollte em Modellversuch durchgeftihrt werden. Sinnvollerweise wird auBer der Hauptbeliiftungsleitung eine HilfsbelUfl:ung unterhalb der AbfluBkammerdecke vorgesehen. 12.5.5.4 Vor- und Nachteile Die bisher gesammelten Erfahrungen mit Kegelstrahlschiebem zeigen, daB diesem Typ von Regulierorganen eine besondere Bedeutung zukommt. Die einfache, unkomplizierte Konstruktion ermoglicht billige Herstellungsverfahren und einen nahezu wartungsfi*eien Betrieb selbst unter hartesten Einsatzbedingungen. Der Kegelschieber zeichnet sich durch das groBte AbfluBvermogen aller Regulierorgane aus, da der AusfluBbeiwert je nach GroBe der Austrittsoffiiung bis zu 95 % betragen kann. Jeder gewtinschte Offiiungshub laBt sich ahnlich dem Ringschieber erschtitterungsfrei einstellen. Da das Zylinderschutz nur den radial angreifenden dynamischen Stromungskraften und dem Druck an der schmalen Stimflache ausgesetzt ist, sind beim Offiien und SchlieBen lediglich die geringen Reibungskrafte durch den Antrieb zu uberwinden. Steuerung, Antrieb und Getriebe befinden sich im Gegensatz zum Ring- und Hohlstrahlschieber auBerhalb des Schiebergehauses und sind daher leicht einer Inspektion und Wartung zuganglich. Die Wartung ist nur in langeren Zeitabschnitten notwendig, womit der anspruchslose Kegelschieber auch in entlegenen, nur durch Fembedienung gesteuerten Entlastungsanlagen ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden kann. Sehr vorteilhaft ist der Preis, der etwa halb so hoch als wie fiir eine Drosselklappe liegt. Der hohlfbrmige Austrittsstrahl, der bei unbehindertem Austritt rasch einen groBen Ringdurchmesser annimmt, lost sich unter heftiger Verwirbelung und Durchmischung mit der Luft auf, wodurch die kinetische Energie weitgehend aufgezehrt und ein besonderes Tosbecken entbehrlich werden. Die flxr die Umgebung nachteilige Weitraumigkeit des AusfluBstrahles kann durch eine im allgemeinen konische Haube tiber der Austrittsoffiiung oder durch eine mit Prallwanden und Strahlaufi*eiBem ausgestattete AbfluBkammer eingeschrankt werden. AUerdings konnen dann von Fall zu Fall zusatzliche Beluflxingseinrichtungen erforderlich werden. Die durch die feine Wasserversprtihung geforderte Nebel und Wasserdampfl^ildung ist nicht nur fiir die Anlieger lastig, sondem verandert oft auch die

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12 VerschluB- und Regelorgane

Vegetation, gefahrdet die elektrischen Maschinen und Gerate und begtinstigt in der kalten Jahreszeit die Vereisung der Schieberanlage. 12.6

Literatur

[12.1] Giesecke, J.: Krafthaus- und GrundablaBschieber unter besonderer Berucksichtigung ihrer hydraulischen Wirkungsweise. In: Schriftenreihe des Otto-Graf-Instituts der Universitat Stuttgart, Heft 27, Hab., 1966 [12.2] Altenbrandt. E.: Problemlosungen fur das Be- und Entliiften von Wasserleitungen. In: 3R mtemational 31 (1992), Heft 1/2, Seite 33-38 [12.3] Erhard-Armaturen, Heidenheim: Personliche Auskunft. 1996 [12.4] Giesecke, J.: Verschlusse in Grundablassen - Funktion und Ausftihrung. In: Wasserwirtschaft 72 (1982), Heft 3, Seite 97-104 [12.5] Giesecke, J.: Berechnung von AusfluBzahlen fur Kegelstrahlschiebem. In: Wasserwhtschaft 56 (1966), Heft 10, Seite 315-323

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13

Krafthaus

Beim Krafthaus handelt es sich um jenen Ort einer Wasserkraftanlage, der der Stromerzeugung im eigentlichen Sinne dient. Die hierzu notwendigen Maschinen und Anlagenteile (hydraulische Maschine, Generator und Transformator etc.), die Einrichtungen zur Zu- und Ableitung des Triebwassers (hydraulische VerschluBund Regelorgane, gegebenenfalls Emlaufspirale und Saugschlauch etc.), femer die maschinellen und elektrischen Hilfseinrichtungen (Steuer- und Regleraggregate, Schaltungen etc.), die Montagevorrichtungen (Kran, Werkstatten etc.) sowie Nebenraume (Schaltwarte, Betriebs- und Soziah*aume etc.) sind im Krafthaus selbst bzw. im dh-ekten AnschluB daran angeordnet. Die Anlagenteile eines Krafthauses lassen sich grundsatzlich in die drei wesentlichen Bereiche Mechanik, elektrotechnische Ausrustung sowie Regelungs- und Leittechnik unterteilen (s. Abb. 13.1). Mit Hilfe mechanischer bzw. maschinentechnischer Einrichtungen (s. Kapitel 14 und 15) wird das Triebwasser durch das Krafthaus geflihrt und ihm dort seine Energie entzogen. Durch die elektrotechnischen Einrichtungen (s. Kapitel 16) wird die Energie des Wassers letztlich in Strom umgewandelt, der bei vorgegebener Netzfi-equenz in der Transft)rmatorenund Schaltanlage auf die gewiinschte Netzspannung gebracht und anschlieBend in das Verbrauchemetz eingespeist wird. Die Regelungs- und Leittechnik (s. Abschnitt 13.2) dient der Steuerung und Regelung der Anlage. Regelungs- und Leittechnik

Richtfunk, Kabel, Lichtleiter

Fernwirkeinrichtung

n

n

Befehle

Automatik

n

ET

IT

Rückmeldebild, Zähler, Messung

Gefahrenmeldung

ZU

n Kabelrangierung n 3

E

Elektrotechnische Ausrüstung

Oberwasser

Hausgenerator o. Dieselnotaggr. Batterieanlage

NS-Eigenbedarf

EigenbedarfsTransformator

Erregung

ErregerTransformator

IZuflußl

NiederpannungsSchaltanlage 30/20/10 kV

XX Generator (Stator, Rotor)

Generatorzelle

Maschinen- — HochspannungsSchaltanlage Transformator 220 kV, 400 kV

Netz

Mechanik Absperrorgan (Schütz, Klappe, Kugelschieber, Drosselklappe)

Hydraulische Maschine

XX ggf. Saugrohr

Abb. 13.1:

Unterwasser Absperrorgan (Schütz, Dammtafel)

^ Auslaufbauwerk Abfluß

Schematische Bereichsunterteilung eines Krafthauses [nach 13.1]

440

13 Krafthaus

13.1

Krafthaustypen

Neben der grundsatzlichen Klassifizierung der Wasserkraftanlagen, die bereits im Kapitel 4.1 vorgenommen wurde, konnen auch die Krafthaustypen deutlich unterschieden werden. Zusatzlich zur Unterteilung entsprechend der Fallhohe und dem DurchfluB (s. Tabelle 4.1) kann man die Bauweisen vor allem nach der relativen Lage des Krafthauses zur Wasserfassung und der Ausgestaltung des Gebaudes selbst in folgende wesentliche Gruppen aufteilen: A Freiluftkrafthaus (s. a. Kapitel 4 und Kapitel 21 sowie Abb. 15.8): Al getrenntes/freistehendes Krafthaus, bei dem das Triebwasser durch einen Freispiegelkanal zugefiihrt wird; getrenntes/fi-eistehendes Krafthaus, bei dem das Triebwasser durch A2 eine Druckrohrleitung bzw. -stollen zugeftihrt wird; Krafthaus integriert in das Sperrenbauwerk, wobei samtliche AnlaA3 gen im Gebaude untergebracht sind (Hallenbauweise); Krafthaus integriert in das Sperrenbauwerk, wobei die MaschinenA4 einrichtungen im Gebaude und der Portalkran auBerhalb des Gebaudes untergebracht sind (Flachbauweise); Pfeilerkraftwerk, bei dem die einzelnen Maschinensatze in den PfeiA5 lem untergebracht sind; Krafthaus an DammftiB oder an ein kurzes Druckrohr anschlieBend, A6 wobei die Maschinensatze und sonstigen Anlagen vollkommen oder teilweise in das Gebaude integriert sein konnen; B Unterirdisches Krafthaus (s. Abb. 13.2 sowie Kapitel 21): B1 Kavemenkrafthaus; B2 Schachtkrafthaus, ein unterirdisches Krafthaus mit keiner bzw. geringer tJberdeckung, das in offener Bauweise erstellt wurde.

Abb. 13.2: Schematische Darstellung der unterirdischen Krafthaustypen: Bl) Kavemenkrafthaus (Sackingen); B2) Schachtkrafthaus (Ronkhausen) [13.2]

13 Krafthaus

441

Die enge Verkniipfiing des Krafthauses mit den jeweiligen hydraulischen Maschinen und dazugehorenden Generatoren, die die Anordnung aller weiteren Anlagenteile entscheidend beeinflussen, ermoglicht eine weitere Einteilung in die beiden Gruppen: C Krafthaus mit liegender/horizontaler Turbinenwelle und D Krafthaus mit stehender/vertikaler Turbinenwelle. Im Prinzip konnen alle Turbinentypen sowohl mit horizontaler als auch mit vertikaler Welle angeordnet werden. Ausgenommen sind davon die beiden speziellen horizontalachsigen Maschinen Durchstrom- und Rohrturbme, wobei letztere auch schwach geneigt sein kann, sowie die Wasserrader und Wasserkraftschnecken. Die weiteren Details und Voraussetzungen der einzehien Typen von hydraulischen Maschinen, die zur Entscheidung fur eine Anordnungsart fiihren, werden in den nachfolgenden Kapitehi 14 und 15 genauer erlautert, so daB an dieser Stelle nicht darauf eingegangen werden muB. 13.1.1

Grundlegende Unterscheidungsmerkmale der Krafthaustypen

Eine wesentliche RoUe bei der Konzeption des Krafthauses spielt die Grundregel, daB der Wasserweg zwischen Wasserfassung und Krafthaus so kurz wie moglich sein sollte. Vor allem aber sind die wirtschaftlichen Aspekte, wie bereits im Kapitel 3.3 neben den weiteren Planungsgrundlagen erlautert, im Rahmen der Konzeption eines Krafthauses von besonderer Bedeutung und bei der Wahl der auszufuhrenden Variante haufig ausschlaggebend. Im Rahmen der Planung emer Wasserkraftanlage werden konsequenterweise zahlreiche Varianten untersucht, um alien gestellten Anforderungen nachzukommen, zu denen auch eine groBere Anzahl von unterschiedlichen Krafthaustypen gehoren. In vielen Fallen kann der Planungsaufwand durch einen Vergleich der zu realisierenden Anlage mit bereits existierenden deutlich reduziert werden. Einige Beispiele hierzu sind nachfolgend und insbesondere im Kapitel 21 aufge^hrt. Grundsatzlich ist der Aufwand infolge des Variantenstudiums gerechtfertigt, da schon geringe Abweichungen von euier optimalen Losung sich im Laufe der jahrzehntelangen Betriebsdauer sehr schnell zu unyerhaltnismaBig hohen Kapitalverlusten aufsummieren konnen, durch die die anfangs hoch erscheinenden Planungskosten bei weitem gerechtfertigt werden. Die raumliche Dimensionierung des Krafthauses hangt im wesentlichen davon ab, welcher Bautyp zur Ausfiihrung kommt. Dabei stehen die festgelegten hydraulischen Maschinen und Generatoren sowie deren Anzahl im Vordergrund, die gemaB ihrer Funktionalitat und entsprechend der auBeren Bedingungen (Topographic, Baugrund etc.) gruppiert werden miissen. Die hierfiir notwendigen turbinenspezifischen Auswahlkriterien sowie die konstruktionsbedingten Einfltisse auf das Krafthaus werden aus systematischen Grunden in den nachfolgenden Kapitehi 14 und 15 un Zusammenhang mit den hydraulischen Maschinen genauer beschrieben werden. Normalerweise ist man bestrebt, die hydraulischen Maschmen am tiefstmoglichen Punkt im Krafthaus anzuordnen, um eine optunale Kavitationssicherheit zu

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13 Krafthaus

erzielen. Hiemach richten sich Anordnung und Hohenlage von Einlaufschacht bzw. Einlaufspirale zur Triebwasserzufuhrung und ebenso von Unterwasserschacht bzw. Saugrohr zur Triebwasserableitung. Wie diese werden VerschluBund Regelorgane tunlichst innerhalb des Krafthauses untergebracht. Gleiches gilt fiir die daruber hinaus notwendigen Anlagenteile wie insbesondere: - Turbinenregler, - Generator, - Schalt- und Regeleinrichtungen, - Kabelkanale, - eventuell Transformatoren etc., - Drainagesysteme, BelUfliings- und KUhlanlagen, - Krane, - Steuereinrichtungen incl. Notstromversorgung fur die Gesamtanlage. Der Raumbedarf fur: - Werkstatten, - Lagerraume, - Sozialraume, Erste-Hilfe-Raume, BUros, - Gange, Treppen, Aufzuge etc. bestimmt zusatzlich die Abmessungen des Krafthausgebaudes. Von besonderer Bedeutung bei der Krafthausplanung ist die Berucksichtigung der guten und gefahrlosen Zuganglichkeit aller Anlagenteile fur Montage und Wartungsarbeiten, da nach der Erstmontage vor allem wahrend des Betriebes regelmaBige Inspektionen bzw. Revisionen in vorgegebenen Intervallen eine komplette Demontage der Maschineneinrichtungen notwendig machen. Die hierzu notwendigen Hebevorrichtungen (Flaschenztige, Krane mit Kranbahnen etc.), die normalerweise dauerhaft im Krafthaus installiert werden und die fur die Bauwerkshohe bei geschlossenen Bauwerken ausschlaggebend sind, miissen bereits bei der Planung mit ihren eigenen Abmessungen sowie denen der zu bewegenden Lasten berucksichtigt werden. Stets wird die Hohe der Krane durch die Abmessungen der zu hebenden Maschinen- oder VerschluBteile bestimmt, wobei jedoch durch ein Umgreifen oder spezielle Hilfseinrichtungen ftir einen tieferen Angriffspunkt die Bauhohe verringert werden kann. Dariiber hinaus sind die notwendigen aufzunehmenden Krafte und deren Ableitung zu beachten und miissen bei der Bauwerksplanung einkalkuliert werden. Die im Kapitel 16 naher beschriebenen Transformatoren und Hochspannungsschaltanlagen werden nicht zuletzt aus Kostengriinden geme auBerhalb des Krafthauses im Freien aufgestellt. Dies gilt auch ftir Kavemenkraftwerke, wobei in einigen Fallen eine unterirdische Anordnung der Transformatoren etc. aus technischen, energetischen oder wirtschaftlichen Zwangen notwendig wird. In diesem Fall werden diese Hochspannungsanlagen zur Sicherheit jedoch in einer separaten Kaveme oder emem abgeschlossenen Kavementeil angeordnet. Der hierzu notwendige Platzbedarf ist zu berucksichtigen. Die Freiluftkrafthauser werden heute nahezu ausschlieBlich aus wasserdichtem Stahlbeton, zum Teil mit Vorspannung - darunter auch in Skelettbauweise -, hergestellt, wobei einzelne Bauelemente auch als Fertigteile vorgefertigt werden konnen (z. B. Wehrbrticken etc.). Betonbauten bedurfen bei einer fachgerechten Her-

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stellung nahezu keiner laufenden Unterhaltung und besitzen eine hohe Dauerhaftigkeit. Bauteile aus Stahl hingegen mussen infolge des andauemden direkten oder indirekten Wasserkontaktes permanent unterhalten und z. B. durch Anstriche, Aus- und Umkleidungen geschutzt werden, um ein Rosten zu vermeiden und so die Haltbarkeit zu gewahrleisten, sofem nicht teure, gleichzeitig aber pflegearme Edelstahlsorten zum Einsatz gelangen. Vorrangige Verwendung finden Stable unterschiedlicher Legierungen im maschinentechnischen Bereich sowie im Rohrleitungs-, Druckstollen- und Druckschachtbau, wo die Vorteile dieses Werkstoffes angesichts der hohen Beanspruchungen (Druckverhaltnisse, Stromungsgeschwindigkeiten etc.) besonders wichtig sind. Heute spielt eine gute Einfiigung des Bauwerkes in die Landschaft und dessen Umgebung eine wichtigere Rolle denn je, so daB bereits bei der Planung auf die asthetischen Anforderungen Rticksicht genommen werden muB (s. Kapitel 18). Im Rahmen der Planungsarbeiten kommt der moglichst genauen Erfassung der statischen, dynamischen und hydraulischen Belastungen der Bau- und Maschinenelemente eine wichtige Rolle zu, da diese die Bemessung und Auslegung des Krafthauses letztlich bestimmen. Die resultierenden statischen und dynamischen Lasten der Maschinen- und Anlagenteile smd heute sehr einfach bei den entsprechenden Herstellem und Lieferfirmen in Erfahrung zu bringen. Die hydraulische Belastung, d. h. die auf die Bauelemente der Triebwasserzu- und -ableitung wirkenden hydrodynamischen und hydrostatischen Krafte des Triebwassers in den unterschiedlichen Betriebsphasen (Anfahren, Betrieb, Abschalten, plotzliche Leistungsanderungen etc.), erfordert eine sehr sorgfaltige, alle moglichen Betriebszustande beriicksichtigende Untersuchung. Dabei spielen eventuelle Schwingungsvorgange bis hin zu Resonanzschwingungen flir die baustatischen Bemessungen eines Krafthauses eine bedeutende Rolle. Typische, periodisch auftretende Ursachen sind vor allem folgende: - DruckstoBe in Druckrohrleitungen als Folge rasch sich andemder Stromungsvorgange (s. Abschnitt 8.3). - Schwall- und Sunkvorgange in Saugrohren von Turbinen. - Druckanderungen als Folge unausgewogener LFberlagerung von TurbinenkenngroBen wie vor allem Umdrehungsgeschwindigkeit, Anzahl der Stutz-, Leitrad- und Laufradschaufeln, Ausbildung des Saugrohres sowie Lange der Triebwasserzuflihrung. Allgemein gUltige Aussagen liber die hieraus jeweils resultierenden Schwingungsfrequenzen sind kaum moglich. - Periodische Bewegungs- und Krafteablaufe aufgrund von Exzentrizitaten rotierender Maschinenkomponenten, speziell der Turbinen- oder Pumpenlaufrader, der Rotoren von Generatoren oder nicht korrekt ausgebildeter bzw. beschadigter Lager. Auch durch Nebeneinrichtungen, wie beispielsweise Kompressoren, konnen Krafthausschwingungen ausgelost werden. - Schwingungen der Laufradschaufebi insbesondere bei groBen Abmessungen, woftir Wirbelbildungen in der Abstrom- bzw. Ablosezone hinter den jeweiligen Turbinenschaufeln maBgebend sind. Deren Frequenzen wurden zwischen 50 und 170 Hz gemessen. Die durch Schwingungen an Maschineneinbauten auf das Bauwerk ausgelosten Krafte auBem sich durch induzierte Verformungen. Entspricht dabei die Anreger-

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frequenz der Eigenfrequenz des Bauwerks, so entstehen Resonanzschwingungen, die zu bedeutenden Beschadigungen bis hin zum Versagen der Tragwerksstrukturen fuhren konnen. SchlieBlich ist entsprechend der geologischen Zone, in der die Bauwerke errichtet werden, auch auf eine ausreichende Sicherheit gegeniiber tektonischen Storungen und naturlichen Erbeben zu achten (s. a. Kapitel 18.5). Um dementsprechend derartigen Beschadigungen vorzubeugen, erhalten die ermittelten Lasten und Beanspruchungen einen Sicherheitszuschlag, dessen GroBe sich nach der Exaktheit der rechnerischen Untersuchungen der Krafte und Spannungen ergibt. Beispielsweise werden fur den dynamischen Sicherheitsbeiwert bei exakt erfaBten Maschinenlasten Werte von 1,2-1,5 verwandt. Kontruktiv haben derartige Balastungen beispielsweise bei Krafthausem groBere Bauwerksmassen Oder bei Rohrleitungen den Einbau von aufgelosten Rohrverbindungen als Dampfimgselement bzw. zur Unterbrechung der Fortpflanzung von Schwingungen zur Folge. Infolge des meist relativ komplexen Aufbaues mit zahheichen, groBeren Durchdringungen und Hohlraumen wird das Krafthaus bei der statischen Berechnung geme in abgegrenzte Bereiche mit spezifischen Konstruktionsmerkmalen unterteilt. Mittels der modemen Finite-Element-Methode (FE-Methode) lassen sich vielfaltige Konfigurationen von Lastfallen fiir Statik und Konstruktion, aber auch fur Stromungsablaufe und schwierige Untergrundverhaltnisse erfassen und einer numerischen Weiterverarbeitung zufllhren. Da es sich beim Einlaufbereich ebenso wie beim Auslaufbereich (Saugrohr bzw. Saugschlauch etc.) in der Regel um ein Rechteck- bzw. Kreisprofil mit kontinuierlich abnehmenden bzw. zunehmenden Abmessungen der Stromungsberandung in FlieBrichtung handelt, bietet es sich an, diesen als geschlossenen Rahmen bzw. als rotationssymmetrisches Schalentragwerk auszubilden und zu berechnen. Bei groBeren Querschnitten mussen eventuell achsial angeordnete, biegesteife Zwischenwande zur Versteifung eingezogen werden (s. Kapitel 14.3). Beim Einsatz von Turbinen wird deren direktes Umfeld, also insbesondere die Einlaufspirale und die Maschinenhausdecke, als quer zur FlieBrichtung gespannte Platte Oder als Tragerrost ausgebildet, wobei die aus dem Maschinenbetrieb herriihrenden Massenschwingungen hier von besonderer Bedeutung sind. Bei der Kraftubertragung auf das Fundament konnen bei Francis- und Kaplan-Turbinen mit vertikaler Wellenanordnung je nach Turbinentyp die festen Stiitzschaufehi mit einbezogen werden. Grundsatzlich sollte auf Schwachungen der tragenden Querschnitte durch Leitungsoffiiungen nach Moglichkeit verzichtet werden. Im Ubrigen folgt die statisch-konstruktive Durchbildung des Krafthauses den bekannten Grundsatzen von Stahl- bzw. Betonbauwerken. Um die Bauwerkslasten und die beachtlichen dynamischen Krafte sicher auf den Baugrund ubertragen zu konnen, sind genaueste Bodenuntersuchungen als Voraussetzung fur eine standortgerechte und risikolose Griindung erforderlich. Die statischen Berechnungen zur Grundung des Krafthauskorpers erstrecken sich dabei vor allem auf Bodenpressungen sowie Gleit- und Kippsicherheit. Fiir die Gleitsicherheit sind jene Lasten zu ermittehi, die einerseits die groBten horizontalen Krafte in einer Richtung und andererseits hierbei den Minimalwert der vertikalen Belastung erfassen. Der letztgenannte Belastungsfall ergibt sich bei-

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spielsweise, wenn die Turbinenkammer und der Einlaufschlauch und Saugschlauch mit Dammbalken auf der Ober- und Unterwasserseite abgesperrt und leergepumpt sind. Weiter tragt zur Minimierung der vertikalen Belastung der vortibergehende Ausbau und die seitliche Lagerung des Maschinensatzes far Uberholungsarbeiten bei. Die groBte horizontale Kraftwirkung tritt bei hochstem Stauspiegel auf der Oberwasserseite und kleinster Wasserfuhrung ein, da sich dann der groBte Spiegelunterschied zwischen Ober- und Unterwasser einstellt. Wind- und Eislasten sind fallweise auftretende Zusatzkrafte in horizontaler Richtung. Die Kippsicherheit ergibt sich aus der Gegeniiberstellung der links- und rechtsdrehenden Momente um einen beliebig wahlbaren Momentenbezugspunkt unter Einbindung aller relevanten vertikalen und horizontalen Krafte bzw. deren Komponenten. Der Nachweis der zulassigen Bodenpressungen ist anhand der Kraftebilder und der maBgebenden bodenmechanischen Eigenschaften des Baugrundes zu fuhren. Von groBer Bedeutung ist dabei der Auftrieb, der einerseits durch eine langs der Oberwasserseite eingebrachte Dichtungsschurze und andererseits durch ein System von Entlastungsdranagen betrachtlich herabgesetzt werden kann. Zur Grtindung bieten sch insbesondere folgende Bauweisen an: - Die Flachgriindung als Flachengrundung auf Fundamentplatten mit begrenzter Einbindetiefe ohne Einspannwirkung, die am weitesten verbreitet ist, wie beispielsweise beim Rheinkraftwerk Iffezheim (s. Abb. 13.3a). - Die Troggriindung, bei der durch Injektionen eine wasserdichte Wanne bzw. ein derartiger Trog erstellt wird, in dessen Schutz der Aushub und die Bauwerksgriindung im Trockenen erfolgen. Das Gewicht des Bauwerkes erhoht sich durch das Gewicht der im Trog eingeschlossenen Bodenmassen. - Der Einsatz von Senkkasten, die vor allem bei nicht standfestem Untergrund, wie beispielsweise FluBsand, gentitzt werden, bei denen tragfahige Bodenschichten durch anderweitige Griindungen, wie z. B. Pfahlgriindungen, nicht erreichbar sind, wie beispielsweise beim Wehr des Hochrheinkraftwerks Augst-Whylen. - Die Tiefgriindung auf standfestem, nicht flieBempfmdlichem Untergrund, wie z. B. beun Hochrheinkraftwerk Albbruck-Dogem (s. Abb. 13.3b). - Die Pfahlgriindung, bei der die Lasten entweder in eine tragfahige Schicht abgeleitet oder bei schwebenden Pfahlen tiber die Manteheibung in den Untergrund abgefiihrt werden. Damit vor allem Setzungen, Verschiebungen, Verdrehungen, Grundbruch und Auftrieb auch bei auBergewohnlichen Lastfallen und Griindungsbedingungen zuverlassig verhindert werden, kann zusatzlich eine Verfestigung und Abdichtung des Baugrundes mit beispielsweise Zementinjektionen notwendig werden. Die Tiefe der Griindung ist auBer von der Baugrundbeschaffenheit und den zu ubertragenden Lasten auch vom Maschinentyp abhangig; so liegen beispielsweise Maschinensatze mit Propeller- und Pumpturbinen als Uberdruckturbinen mit erforderlichem Gegendruck oft deutlich unter dem Unterwasserspiegel.

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® Abb. 13.3: Grtindungsbeispiele: a) Flachgrundung: Rheinkraftwerk Iffezheim [13.3]; b) Tiefgrundung: Hochrheinkraftwerk Albbruck-Dogem [13.4] Bei groBeren Abmessungen des Krafthauses erfolgt eine Unterteilung mittels Dehnungs- bzw. Trennfugen zur Beschrankung der Abmessungen der einzebien Bauwerksteile sowie der Bauwerksmassen, letztere zur besseren Beherrschung der abzuleitenden Krafte und Biegemomente. Auf die sorgfaltige Ausbildung der Dichtungen im Bereich dieser Bauwerksfugen und Anschlusse ist ein besonderes Augenmerk zu legen. In den meisten Fallen wird der Einbau von Kontrollschachten Oder anderweitigen Kontrolhnoglichkeiten (Sickerrohre etc.) sinnvoll sein, um Dichtungsschaden fruhzeitig erkennen und beheben zu konnen. Eine ausreichende Klimatisierung des Krafthauses und seiner Einrichtungen, das heiBt vor allem Beluftiing, Beheizung oder Kuhlung, ist die Voraussetzung fiir eine gleichmaBige Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit. Zum einen werden dadurch Schaden vor allem infolge Schwitzwasserbildung an metallischen Anlagen-

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teilen und Beeintrachtigungen elektrischer Einrichtungen vermieden sowie gleichzeitig bessere Arbeitsbedingungen fur das Bedienungspersonal geschaffen. Zum anderen muB die im Bereich der hydraulischen Maschinen und Generatoren entstehende Warme abgefuhrt werden, wobei diese in der kalteren Jahreszeit gleichzeitig zur Beheizung des Krafthauses herangezogen werden kann. Dies geschieht meist mittels einer Luft- oder Wasserkiihlung, lediglich im Bereich der Maschinenlagerungen mit hoher Abwarme kann auf die sonst aus Umweltschutzgrtinden nur ausnahmsweise angewandte Olkiihlung in der Kegel nicht verzichtet werden. Des weiteren miissen Sammelschachte mit Pumpen ftir Sicker- und Leckagewasser vorgesehen werden. Unterirdische Kraftwerke besitzen hier den Vorteil der gleichmaBigen atmospharischen Bedingungen Uber das ganze Jahr hinweg, der besonders in kalteren Gegenden mit ausschlaggebend ftir die Wahl des Krafthaustypes sein kann. Die FUhrung der elektrischen Leitungen und die Positionierung der elektrischen Einrichtungen sind ebenfalls bereits im Planungsstadium zu berticksichtigen, da diese unter Umstanden beachtenswerte AusmaBe annehmen konnen. Aus Grlinden der Arbeitssicherheit miissen die Leitungen in separaten Schachten und Kabelkanalen verlegt werden. Zugleich ist erne ausreichende, gleichmaBige und nicht blendende Beleuchtung des gesamten Gebaudes zu beriicksichtigen. Des weiteren muB im Bereich des Krafthauses die Moglichkeit der nachfolgend genannten hydrographischen Beobachtungen und Messungen als wesentliche EingangsgroBen fur die Anlagensteuerung (s. Kapitel 13.2) gesichert sein: - laufende tJberprufung aller relevanten Betriebsdaten; - laufende Registrierung der hydrologischen Ausgangsdaten; - tJberprufiing der hydraulischen und leistungsspezifischen KenngroBen; - regelmaBige Funktionspriifung der VerschluB- und Regelorgane einschlieBlich der Stauanlage. Zu diesem Zweck werden MeBeinrichtungen zur Wasserstandsbestimmung (Pegelanlagen etc.) und DurchfluBmessung (Druckunterschieds-, Stromungswiderstands-, FlieBgeschwindigkeitsmessung, magnetisch-induktive DurchfluBmessung etc.) installiert, die permanent diese hydrologischen und hydraulischen Daten an die Steuer- und Leitzentrale ubermitteln, wo sie aufgezeichnet und direkt ausgewertet werden. Gleiches gilt ftir samtliche Leistungsdaten der Maschinengruppen und der elektrotechnischen Anlagenteile. SoUte je nach Standort der Wasserkraftanlage ein AnschluB an ein offentliches Versorgungsnetz nicht moglich sein, miissen eine eigene Wasseraufbereitungsanlage (Trink- und Kiihlwasser etc.) erstellt und eine entsprechende Abwasserentsorgung sichergestellt werden. Die Datenfemiibertragimg sowohl ftir Kommunikations- als auch ftir Steuerungszwecke wird vielfach bereits nicht mehr iiber Leitungen sondem je nach Topographic des Gelandes und Entfemung iiber Richtfunk Oder gar uber Satellitenanlagen abgewickelt.

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Zusammenfassend lai3t sich eine vereinfachte, schrittweise Ermittlung der erforderlichen Bauwerksdimensionen angeben, die in Abb. 13.4 anhand eines Beispieles verdeutlicht wird und folgende Gesichtspunkte einschlieBt: 1. Ermitteln der Abmessungen der hydraulischen Maschine und der Triebwasserzufiihrung (s. Kapitel 15 und 14.3); 2. Bestimmen der Ausdehnung der Triebwasserableitung (s. Kapitel 14.3); 3. Entwickeln der Betonkonstruktion zur Auflagerung der Maschinengruppe und der Zusatzeinrichtungen, mit: - Einberechnung einer Einbautoleranz von ca. 0,5-1,0 m im Bereich der Turbinenspirale bei Stahlspiralen im Falle von Propeller-, Kaplan- und Francis-Turbinen; - Beriicksichtigung notwendiger Durchlasse fur Versorgungsleitungen, Dehnungsausgleichem, VerschluBorgane etc.; Triebwasserleitung

/Turbine

3Rohrleitungs- v paßstück |

Rohbeton^ Durchlaß ^ Füllbeton' Stahlkrümmer' 3 (falls notwendig)

~|_ Maschinenlager °^^"""^ ^ Rohre und - Kabel

Saugschlauchstützpfeiler (falls notwendig)

Zufahrtsfläche für Transformatorenaustausch Transformator Stromschiene Generatorenschutzeinrichtungen

• • Oberbau

Durchgang^ TV^

--Q

Unterbau

Abb. 13.4: Schematische, schrittweise Ermittlung der Krafthausabmessungen am Beispiel eines Freiluftkrafthauses mit stehender Turbinenwelle 4. Errechnen der Abmessungen der gesamten Maschinenanlagen (incl. Generator und Turbinenwelle), mit Beriicksichtigung beidseitiger ca. 2-3 m breiter Durchgange fiir Rohrleitungen, mechanische und elektrische Steueremrichtungen sowie fiir ausreichende Verkehrs- und Abstellflachen; 5. Anordnen der Transformatoren und Schaltanlagen etc. und der notwendigen Zwischenwande;

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6. Berechnen der Mindesttraglast, der notwendigen Hubhohe, der Lauflange und des Schwenkbereichs des Kranes und Anordnen desselben mit alien Zusatzeinrichtungen incl. Zwischenlagerungs- und Abstellflachen; 7. Ermittebi der Hohenlage der Triebwasserzuflihrung einschlieBlich der Verzweigungssysteme mit Armaturen und Triebwasserableitung, in Abhangigkeit vom Maschinentyp und Unterwasserstand; 8. Konzipieren der Betriebsraume, Werkstatten, Zugangsflachen etc.; 9. Konstruktive Durchbildung und architektonische Gestaltung des gesamten Kraftwerksgebaudes; 10. Einplanen auBenseitiger Lager- und Montageflachen mit direkter Zufahrtsmoglichkeit von offentlichen Verkehrswegen, Parkflachen, Informationsstandorten etc. 13.1.2

Besondere Aspekte bei unterschiedlichen Wasserkraftanlagentypen

Die grundsatzHchen Anordnungsmoglichkeiten des Krafthauses im Zusammenhang mit dem genutzten Gewasser wurden bereits im Kapitel 4 erlautert, so daB an dieser Stelle hauptsachlich auf das Bauwerk selbst eingegangen werden soil. Neben der Unterscheidung der Wasserkraftanlage nach Fallhohe und DurchfluB spielt bei der Gestaltung des Krafthauses die bereits genannte Anordnung der Turbinenwelle (Gruppe C und D) eine bedeutende Rolle. Die bei vertikaler Wellenanordnung grundsatzlich vertikale Gliederung des Krafthauses stellt sich folgendermaBen dar: 1. unterer Teil mit Unterwasserschlauch und -stoUen bzw. -schacht; 2. mittlerer Teil mit Turbineneinlaufspu*ale bzw. Turbinenkammer und Turbine; 3. oberer Teil mit Generatoren und den meisten Steuer-, Kegel- und Versorgungseinrichtungen. Bei horizontaler Wellenanordnung fallen die obengenannten Teilbereiche 2 und 3 prinzipiell zu einem zusammen. Die weiteren Unterschiede und die daraus folgenden Auswahlkriterien zwischen horizontaler und vertikaler Anordnung der Turbinenwelle werden im Zusammenhang mit den Maschinentypen in den nachstehenden Kapiteln abgehandelt werden. Bei den Niederdruckanlagen wu*d in der Regel eine enge Verbindung der Stauhaltung mit dem Krafthaus angestrebt, wobei es sich fast ausschlieBlich um Freiluftkraftwerke handelt, bei denen sowohl hydraulische Maschinen mit horizontaler bzw. leicht geneigter als auch mit vertikaler Turbinenwelle je nach Hohe der Staustufe zum Einsatz kommen (Gruppe A3-A5). In diesen Krafthausem fligen sich die oben bereits erwahnten Bauteile zu einem einheitlichen Bauwerk zusammen (s. Abb. 13.2): 1. Wasserfassung: je ein Einlaufschlauch pro Maschinensatz, zu dem folgende zusatzlichen Bau- bzw. Maschinenteile gehoren: Einlaufschwelle, Rechen und Turbinen- bzw. Einlaufschtttze; 2. Turbineneinlaufspirale bzw. Turbinenkammer mit der Turbine; 3. Saugrohr bzw. Saugschlauch im AnschluB an die Turbine; 4. Maschinenhaus mit den dazugehorigen Bauten.

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Wurden in frUheren Jahrzehnten vor allem vertikale Francis- und KaplanTurbinen in derartigen Wasserkraftanlagen eingebaut, so wurden in den letzten Jahren neben den reinen, schwach geneigten Rohrturbinen mit gleichachsigem Kapselgenerator vermehrt auch Rohrturbinen mit AuBenkranzgenerator, den sogenannten Straight-Flow- bzw. kurz Straflo-Turbinen, eingesetzt. Bei FluBkraftwerken (A3 bzw. A4) und Pfeilerkraftwerken (A5) empfiehlt sich meist ein AuBenkran, da dieser auBer zu Montagearbeiten an den Maschinensatzen auch zum Setzen der NotverschlUsse vor den Turbineneinlaufen sowie zu Montagearbeiten an den Wehrfeldem herangezogen werden kann (s. Abb. 13.2). Des weiteren kann die Rechenreinigungsmaschine mit dem Kran zu einer Betriebseinheit kombiniert werden. Infolge des hierdurch wegfallenden Hallenbaues und des damit germger aufragenden Bauvolumens, unter Umstanden noch durch den Einsatz von Rohrturbinen verstarkt, wirken derartige Krafthauser in Flachbauweise weitaus weniger storend und konnen besser in die FluBlandschaft eingebunden werden. Bei der extrem flachen Ausfuhrung dieses Bauwerkstyps mit AuBenkran miissen dann jeder Maschinensatz mit einem abnehmbaren Dach versehen und ein separater Montageraum, der in seinen Abmessungen mindestens der GroBe eines Maschinensatzes entsprechen und befahrbar sein sollte, vorgehalten werden. Nachteilig ist die sich dadurch ergebende Wetterabhangigkeit bei Reparaturarbeiten, bei denen der Einsatz des Kranes und damit das Abheben des Daches notwendig wird. Andererseits ist jedoch auch eine Flachbauweise mit Innenkran moglich, die im Vergleich zur klassischen Bauweise mit vertikalen Kaplan-Turbinen (z. B. Moselkraftwerk Koblenz) bei Verwendung von Rohrturbinen bedeutend germgere Bauwerksabmessungen ermoglicht (z. B. Moselkraftwerk Trier). Bei nahezu gleichen auBeren Bedingungen (DurchfluB, Fallhohe etc.) ergibt sich bei den genannten Moselkraftwerken beispielsweise eine Betonerspamis von 3 1 % , eine Verkleinerung der Krafthausgrundflache um 38 % sowie eine Verringerung des Hohenunterschiedes zwischen Krafthausdach und Oberwasserspiegel um 44 % [13.5]. Die Hochbauweise (Al) wurde in fmheren Jahren, z. B. am Hochrhein, deshalb geme gebaut, da vor allem Maschinen mit senkrechter Turbinenwelle montiert wurden und die Herstellung eines groBeren Gebaudes infolge der geringen Lohnkosten nicht sehr kostenmtensiv war und dariiber hinaus diese Ingenieurbauwerke damals nicht als storend angesehen wurden. Auch hier ist wiederum ein Montageraum vorzusehen, dessen Anordnung sich an einem der beiden Ufer in gerader Verlangerung des restlichen Krafthauses anbietet. Als typisches Beispiel fiir ein Umleitungskraftwerk in Hochbauweise ist nachfolgend das Hochrheinkraftwerk Rheinau gezeigt (s. Abb. 13.5), das die Rheinschleife bei Rheinau durch einen StoUen abkurzt und in Verbindung mit einem aus vier Wehrfeldem mit Sektorwehren bestehenden Stauwehr eine Fallhohe von 8,012,4 mje nach WasserMimng des Rheins nutzt. Das Maschinenhaus ist in direkter Verlangemng des Stauwehres am linksrheinischen Ufer angeordnet. Die beiden vertikalen Kaplan-Turbinen konnen bei emem AusbaudurchfluB von 400 m^/s je 18,15 MW erzeugen, so daB die mittlere Jahresproduktion der Anlage bei ca. 237 Mio. kWh/a liegt. In der Ausleitungsstrecke, m die stets eine MindestwasserabfluB von 5 w?/s abgegeben werden muB, sind zur Aufrechterhaltung der Kleinschiffahrt zwei Hilfswehre angeordnet.

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Schnitt A-A

Schnitt B-B

Abb. 13.5: Rheinkraftwerk Rheinau: l)Einlauf; 2) Dammbalkenschlitze; 3)Einlaufrechen; 4) Rechenreinigungsmaschine; 5) Geschwemmselrinne; 6) Zwischenwande; 7) Einlaufspirale; 8) Saugrohr; 9) Entwasserung; 10) Stollen; 11) Schwallraum; 12) Stollenbeluftung; 13)unterw. Schtitz; 14) Kaplan-Turbine; 15) Generator; 16) Reguliereinrichtung; 17)01kuhler; 18) Erreger-Umformer-Gruppe; 19) Druckluftbehalter; 20) Zufahrtsebene; 21) Montageplatz; 22) Hauptkran; 23) Generatorschaltanlage; 24) Haupttransformatoren; 25) 50kV-Schaltanlage; 26) Eigenbedarfstransformatoren; 27) Leitwarte; 28) Werkstatt; 29) Dienst- und Sozialraume [13.6] Die hohere Fallhohe (15-50 m) fiihrt bei Stauhaltungen von Mitteldruckanlagen in FluBlaufen bereits zu Betonstaumauem oder Erdstaudammen, bei denen das Krafthaus meist als sogenanntes Speicher- bzw. Talsperrenkraftwerk unmittelbar im AnschluB daran oder seitlich davon angeordnet ist (s. Abb. 4.10 bzw. 13.6).

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Bei Betonstaumauern ist das Krafthaus entweder direkt am SperrenftiB angeordnet und somit in das Bauwerk integriert oder mit einem kurzen Druckrohrstuck mit dieser verbunden (A6). In engen Talem kann es bei geeignetem Baugrund (Felsformationen) auch in einer seitlichen Krafthauskaveme (Bl) angeordnet werden, um vor allem die Hochwasserabfiihr im Talquerschnitt ohne Beeintrachtigung der Anlage zu ermoglichen, oder die Hochwasserabfiihr muB liber das der Talsperre vorgelagerte Krafthaus mittels einer SchuBrinne mit Sprungschanze selbst moglich sein. Bei Hochdruckanlagen ist das Krafthaus hingegen in den meisten Fallen von der Talsperre getrennt angeordnet, wobei zur VergroBerung der Fallhohe dessen Standort unabhangig von der Entfemung optimiert sein kann. Bei beiden Anlagentypen (Mittel- und Hochdruckanlagen) kommen sowohl Freiluftkrafthauser (Gruppe A) als auch unterirdische Krafthauser (Gruppe B) zur Ausftihrung, wobei mit zunehmender Fallhohe je nach Einbeziehung von Druckstollen und Fallschachten vermehrt unterirdische Anlagen anzutreffen sind. Diese sind hinsichtlich Sicherheit und Landschaftsschutz, oft auch wegen verkiirzter Triebwasserwege und optimaler Anordnung in bezug auf die Talsperre vorteilhafter. Die bisher genannten Kriterien ftir Freiluftkrafthauser sind bei alien Anlagentypen gleichermaBen relevant. Das in Abb. 13.6 gezeigte Krafthaus Chatelot an der Doubs (fi-anzosischschweizerische Grenze) stellt ein reprasentatives Freiluftkrafthaus einer Hochdruckanlage dar, das getrennt vom 3 km entfemten Stauraum mit Bogenstaumauer angeordnet ist. Die Verbindung wh-d durch einen knapp 3 km langen horizontalen DruckstoUen mit zwischengeschaltetem SchachtwasserschloB mit einer Oberkammer sowie einer Apparatekammer und einem anschlieBenden schragen Druckschacht hergestellt. Im Krafthaus befinden sich zwei horizontale Maschinensatze mit je zwei fliegend montierten Francis-Turbinen und dazwischen liegendem Generator. Die Turbinen erreichen bei einer Fallhohe von 67-97 m je nach Staukote und einem DurchfluB von jeweils 10 m^/s eine Leistung von 8,1 MW. D o u b s —>• Freiluftschaltanlage 150 kV

j yInnenraumschaltalnlage 60 kV j

m

2 Transformatoren Ji^ "' [8/60/150 kV I ^ 625,20

'^n\\4,80

Abb. 13.6: Krafthaus Chatelot, Doubs, franzosisch-schweizerische Grenze [13.6] Schachtkrafthauser (B2) sind bereits bei geringerer Fallhohe anzutreffen (s. Abb. 13.2). Wie schon der Name dh-ekt zum Ausdruck bringt, sind die Anlagenteile dieses unterirdischen Krafthauses in einem in offener Bauweise erstellten Schacht angeordnet, wobei aus bautechnischen GrUnden normalerweise Turbinen mit stehender Welle zum Einsatz gelangen. Diese Sonderform kam bisher fast

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ausschlieBlich bei Pumpspeicheranlagen infolge des erforderlichen hohen Pumpenzulaufdruckes und damit der verhaltnismaBig tiefen Lage gegenuber dem Unterwasserspiegel zum Einsatz. Im meist aus statischen Griinden kreisrunden Schacht befinden sich tiber den Maschinensatzen die Hilfseinrichtungen, es folgen die Betriebsraume und Zugangswege, ebenso die Hubeinrichtungen. Ein Hallenbau fiir die Krananlage und die Montageplatze schlieBt das Schachtkrafthaus nach oben ab. Kavernenkrafthauser (Bl) werden heute insbesondere aus betrieblichen, wirtschaftlichen sowie den Landschaftsschutz und die Sicherheit betreffenden Griinden gebaut (s. Abb. 13.2 und 13.7 sowie Kapitel 21). Bei geeigneten geologischen Verhaltnissen ermoglicht die unterirdische Trassierung die kurzeste, eventuell sogar die geradlinige Verbindung zwischen Wasserfassung bzw. Einlaufbecken, Krafthaus und Unterwasserauslauf. Die sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage auswirkenden Faktoren sind vor allem: - Verzicht auf auBeren Einfliissen ausgesetzte oberirdische Druckrohrleitungen (Hangrohrleitungen); - Verkiirzung des Triebwasserweges und damit geringere Energieverluste; - Verzicht auf ein WasserschloB infolge verkiirzter Triebwasserwege und geringerer Wassermassen; - Verringerung der DruckstoUenwandung infolge geringerer statischer und dynamischer Beanspruchungen; - Unabhangigkeit von Witterungseinfliissen bei der Durchfuhrung der BaumaBnahmen und beim Betrieb der Anlage. Die dagegen aufzuwiegenden Nachteile sind insbesondere die Mehrkosten des Kavemenbauwerkes mit Zugangs-, Beluftungs- und Kabel- bzw. EnergieableitungsstoUen sowie die Aufwendungen fiir eine eventuell notwendige zweite Kaveme fiir VerschluBorgane und Transformatoren. Beim abschlieBenden Whtschaftlichkeitsvergleich mtissen jedoch die - in der Regel giinstigeren - Betriebskosten bei einer viele Jahrzehnte betragenden Lebensdauer der Wasserkraftanlage der hohen Investition derselben gegenubergestellt werden, woraus sich eine giinstigere Relation zwischen beiden Kostenarten ergeben kann. Der heutige Stand der Technik erlaubt normalerweise den groBmaschinellen Vortrieb der StoUen und Kavemen, wodurch der zeitliche und vor allem fmanzielle Aufwand fiir Kavemenkrafitwerke im Vergleich zu Freiluftkraftwerken weitgehend ausgeglichen werden kann. Wurden in filiheren Jahren neben den meist senkrechten Energieableitungs-, Kabel- und gegebenenfalls BeliiftungsstoUen auch senkrechte Zugangsstollen gebaut, so ist man heute dazu ubergegangen, letztere fast immer horizontal oder leicht geneigt vorzutreiben, damit ein direkter Zugang ohne weitere Hilfseinrichtungen und so eine Zufahrt mit Fahrzeugen moglich ist. Das beim Vortrieb anfallende Ausbruchsmaterial sollte nach Moglichkeit in der direkten Umgebung sinnvoll eingebaut werden, wobei es sich anbietet, mit diesem z. B. einen Damm fiir ein Unter- oder Ausgleichsbecken aufzuschiitten. Eine Begriinung desselben gleichermaBen wie der wahrend der Bauphase benotigten Flachen fiir die Baustellenemrichtungen gilt heute als selbstverstandlich.

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Grundsatzlich konnen in den Kavemen alle Maschinentypen entsprechend deren Betriebsweisen zum Einsatz gelangen, wobei aus Kostengriinden meist die Wahl auf platzsparende Altemativen mit dem geringeren notwendigen Ausbruchsvolumen bzw. -querschnitt unter Beachtung der Felsbeschaffenheit fallen wird, ohne daO energiewirtschaftliche Einbui3en hingenommen werden miissen. Neben dem tragenden Gewolbe und den Krafthauswanden, die je nach vorhandenem Bergdruck und der ortlichen Gesteinsstabilitat von einer einfachen Spritzbetonschicht bis hin zur massiven Betonauskleidung sowie zu Verankerungen reichen konnen, wird oftmals eine Zwischendecke bzw. -wand zum Schutz vor aus der Decke bzw. den Wanden austretendem Sickerwasser sowie sich bildendem Schwitzasser notwendig. Zur Unterbindung von Schwitzwasser wird die erwarmte Abluft bevorzugt durch diese Zwischenraume gefiihrt, wahrend ftir das Sickerwasser entsprechende Sammehinnen und -systeme mit MeBeinrichtungen zur Beobachtung vorgesehen werden miissen. Dabei kann das Wasser unter Umstanden durch geloste Mineralien und Schadstoffe etc. auBerst aggressiv sein und spezielle Abdichtungsmaterialien notwendig machen.

Verteilrohrleitimg Transformatorenkaveme

Abb. 13.7: Kavemenkrafthaus Bieudron, Grande Dixence, Schweiz [13.7] Beispielhaft sei das neue Kavemenkrafthaus Bieudron, Grande Dixence, Schweiz, genannt, das 1998 in Betrieb ging und die Energieausbeute aus dem Dixence-Stausee durch die drei Kraftwerke Chandoline, Fionnay und Nendaz erganzt. Das neue Krafthaus im Rhone-Tal (s. Abb. 13.7) ist mit dem Stausee durch einen 15,9 km langen horizontalen Druckstollen und einem anschlieBenden, 4,2 km langen, geneigten Druckschacht verbunden. Am Ubergang vom Druckstollen zum Druckschacht ist ein 300 m hohes WasserschloB angeordnet. Die drei vertikalen Pelton-Turbinen erzeugen bei einer Bruttofallhohe von 1883 m bzw. einer nutzbaren Fallhohe von 1.869 mjeweils 423 MW (s. auch Kapitel 15.3.1). Infolge des Bruchs einer SchweiBnaht der Panzerung der Druckrohrleitung, der offensichtlich durch Kaltrisse initiiert wurde, und einem anschlieBenden bedeutenden Wasserverlust mit enormen Schaden steht die Anlage seit Dezember 2000. Nach einer

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aufwendigen Sanierung, die voraussichtlich aus einer zusatzlichen Panzerung innerhalb des existierenden Rohres (Relinig) bestehen wird, wird die Anlage voraussichtlich Anfang 2008 wieder in Betrieb gehen. Bei Mitteldruckanlagen und Hochdruckanlagen erfolgt die Triebwasserzufuhr zur Turbine fast immer durch Rohrleitungen oder Druckstollen, die sich vor dem Krafthaus in die der Turbinenanzahl entsprechende Anzahl von Verteilrohrleitungen (s. Kapitel 10) aufgliedem. hi diesen Verteihohrleitungen smd vor der Turbine stets VerschluBorgane angeordnet (s. Kapitel 12). Da im Regelfall der FlieBquerschnitt nur vollstandig zu offhen bzw. zu schliei3en ist, eignen sich am besten Drosselklappen oder Kugelschieber. In groBeren Krafthausem werden die Verteilrohrleitungen und vor allem die Verschltisse vom Turbinenraum getrennt in eigenstandigen Apparatekammem oder -stollen untergebracht. Bei Kleinwasserkraftanlagen (s. v. a. Kapitel 4.3.2), die letztlich in alien Fallhohenbereichen und in samtlichen Bauweisen anzutreffen sind, gelten grundsatzlich alle genannten Kriterien gleichermaBen. Aufgrund der normalerweise jedoch geringeren Dimensionen vor allem hinsichtlich der Durchfltisse und der daraus resultierenden Belastungen sowie der Energieerzeugung und damit auch des Ertrages werden diese Anlagen in der Regel so einfach und kostengiinstig wie moglich errichtet. Hinzu kommt, daB die betrieblichen Anspriiche meist geringer sind und somit die Nebeneinrichtungen einfacher ausgefuhrt werden konnen oder gar auf diese teilweise verzichtet werden kann. Auch fur Pumpspeicher- und Gezeitenkraftwerke (s. Kapitel 17 bzw. 4.4.1) sind die obengenannten Richtlinien entsprechend der vorhandenen, nutzbaren Fallhohe grundsatzlich giiltig. Bei den Pumpspeicherkraftwerken ist allerdings auf die notwendige Zulaufdruckhohe vom Unterwasser her und damit die Hohenlage der Pumpe gegeniiber dem Unterwasserspiegel ftir den Pumpenbetrieb zu achten, auf die in den nachfolgenden Kapitebi im Zusammenhang mit den Turbinentypen noch naher eingegangen werden wird. 13.2

Regelungs- und Leittechnik fiir den Wasserkraftanlagenbetrieb

13.2.1

Grundprinzipien der Regelungs- und Leittechnik

In einer Wasserkraftanlage konzentrieren sich die Aufgaben der Regelungs- und Leittechnik auf das Steuem, Regeln und Uberwachen der zur Betriebsftihrung notwendigen Anlagenteile sowie auf die Erfassung der fur den Betrieb notwendigen extemen Daten (Wasserstande, Zu- und Abfliisse, Stellung von Verschlussen und Maschinen, Temperaturhohen, Druckverhaltnisse, Leistungs- und Maschinendaten etc.). Wurden in den Anfangsjahren der Energieerzeugung derartige Steuerungsaufgaben fast ausschlieBlich vor Ort durch rein mechanische Regler vorgenommen, so werden heute nahezu durchgehend elektronische Steuergerate eingesetzt, die neben einer Vor-Ort-Bedienung fast immer die Moglichkeit der Femsteuerung besitzen. Da die Anlagen und die Bedtirfhisse der jeweiligen Betreiber verschieden sind, muB die jeweilige Leittechnik individuell angepaBt werden. Dabei gilt es, in einem ersten Schritt die Ziele der Betriebsfuhrung mit alien maBgeblichen EinfluBgroBen

456

13 Krafthaus

zu erfassen und anschlieBend diese in ein individuelles Leittechnikkonzept einschlieBlich der Systemarchitektur einzubetten. In den meisten Fallen bieten heute die Turbinenhersteller auch Leittechniksysteme an, die eine anlagenspezifische Zusammenstellung einzelner Komponenten erlauben. Die Grundlage fur die Regelungs- und Leitaufgaben stellen die unterschiedlichen MeUgroBen dar, die zum Betrieb des Kraftwerkes permanent ermittelt werden, wobei mit der zunehmenden GroBe und Bedeutung der Wasserkraftanlage auch die Kategorien, der Umfang und die Typen der erfaBten Daten anwachsen. Neben den extemen MeBdaten, wie z. B. den Pegelstanden, dem DurchfluB, dem Leistungsbedarf im Netz, werden auch anlageninteme Daten mit Hilfe zahlreicher MeB- und Gebereinrichtungen erfaBt. Dabei lassen sich letztere wiederum einerseits in die PrimargroBen, wie beispielsweise die Rechenbelegung, die Stellung der VerschluB- und Regelorgane (s. Kapitel 14.4.1), die Maschinendrehzahl, die Lagertemperaturen, die Schwingungsfrequenzen, die Generatorschutzeinrichtungen (s. Kapitel 16.3.5), die Wehrstellung, die Konfiguration der Schaltanlagen, und andererseits die SekundargroBen, z. B. Anlageneigenbedarf, KUhlwasserbedarf sowie Haustechnik, unterscheiden. Die erfaBten Daten werden in der iibergeordneten Leitebene (s. Abb. 13.8) erfaBt und mit Hilfe von Steuerungsmodulen, z. B. Turbinenregelung, Kavitationstiberwachung, Schwingungsdiagnose, aufbereitet sowie weiterverarbeitet. Dabei kommen neben den klassischen Arbeitsschritten Datenerfassung, Steuem und Regeln der ubergeordneten Automatisierungssysteme im Kraftwerk heute noch die Aufgaben der Diagnose und Optimierung sowie unter Umstanden sogar Simulation hinzu. FUr diese Aufgaben werden heute zunehmend auch Fuzzy-Logik-Ansatze verwendet (s. Kapitel 13.3.2). Diese Methode eignet sich beispielsweise sehr gut zur Drehzahl- oder Leistungsregelung im Zusammenhang mit der Turbinensteuerung (s. Kapitel 14.4) und erganzt oder ersetzt gar dabei die bewahrte konventionelle Regelungstechnik [13.8]. Besonders vorteilhaft ist eine fuzzy-basierte Regelung bei Anfahrvorgangen von hydraulischen Maschinen. Auch bei der AbfluBregelung als Teilaufgabe der Wasserhaushaltsautomatik hat sich der Einsatz der Fuzzy Logik bei Wasserkraftanlagen bereits bewahrt, wie diese z. B. im Kraflwerk Wildegg-Brugg an der Aare/Schweiz eingesetzt wird. [13.9]. SchlieBlich werden im Bereich der Ubergeordneten Leitebene alle Daten archiviert, um bei Problemfallen eine Ursachenforschung betreiben zu konnen, mit dem Ziel, die Steuerung aber auch die Anlagenkomponenten und deren Einsatzdauer (s. a. Kapitel 13.3.2) selbst fiir einen optimierten Betrieb der Wasserkraftanlage fortzuentwickeln. Bei den Steuerungen handelt es sich im einfachsten Fall, z. B. bei Kleinwasserkraftanlagen, um einzebie speicherprogrammierbare Steuerungsmodule, sogenannte SPS-Module, die zu einer Regelungseinheit zusammengefiigt sind. Bei groBeren Wasserkraftanlagen sind dies heute sehr umfassende digitale, computergestutzte Steuerungs- und Diagnosesysteme, die zur Bewaltigung der komplexen Aufgaben der ZustandskontroUe, Trendbeobachtung, Steuerung und Schadensdiagnose notwendig sind.

13Krafthaus

457

Um die oftmals groBe Datenmenge mittels modemer Steuemngen mit all ihren Vorteilen bewaltigen zu konnen, ist der Einsatz eines systematischen, logischen und eindeutigen Kennzeichnungssystemes fur alle Anlagenkomponenten und deren MeBgroBen notwendig. Auch kann die funktionelle Unterteilung in einzelne ProzeBabschnitte sinnvoll sein, indem im jeweiligen Abschnitt eine Datenvorverarbeitung erfolgt, wodurch die zentralen Einrichtimgen entlastet und die Verftigbarkeit der Gesamtanlage erhoht werden. Zusatzlich werden dadurch die Betriebsfuhrung fiir das Personal klarer und besser nachvollziehbar, was gerade bei Storungsbeseitigung von besonderer Bedeutung ist. Kraftwerk

Schaltanlagen

Nebenanlagen

Übergeordnete Leitebene Leitgrößenregelung (Pegel-/Durchfluß-/ Leistungsregelung) M

Maschinengruppensteuerung

1^ Wehrsteuerung M Rechenreiniger\ steuerung

1Vor-Ort-Steuerebe ne

Registrierung

Leitwarte Fernwirken J

Steuerung der Schaltanlagen

Steuern der Nebenanlage J Eigenbedarfssteuerung J Kühlwassersteuerung J

Drainagesteuerung

1 Steuerung Haustechnik

Abb. 13.8: Schema der Regelungs- und Leittechnik bei Wasserkraftanlagen [nach 13.10] Nach der Bearbeitung der Daten werden Steuerungsimpulse an die Reguliereinrichtungen in der Vor-Ort-Steuerebene geschickt (s. Abb. 13.8). Durch die permanente Aufiiahme von MeBdaten und Abgabe von Steuerungsimpulsen wird in einem iterativen ProzeB der Anlagenbetrieb an die vorgegebenen RichtgroBen angenahert und eventuellen Schwankungen, z. B. des Durchflusses oder des Netzbedarfes, entgegengesteuert. Sowohl bei kleineren als auch bei groBeren Wasserkraftanlagen konnen die beiden Steuerebenen raumlich getrennt sein, also die ubergeordnete Leitebene sich nicht im Krafthauskomplex befinden, d. h. die Anlage wird dann iiber eine Fernsteuerung betrieben. Dies bietet sich vor allem in den Fallen an, in denen mehrere Wasserkraftanlagen eines Betreibers iiber eine zentrale Kraftwerkseinsatzzentrale (s. a. Kapitel 16.6.5.3) oder in Abhangigkeit voneinander betrieben werden, wie dies beispielsweise bei einer FluBkrafl:werkskette in der Regel der Fall ist, besonders wenn diese zeitweise im Schwellbetrieb zur Spitzenstromerzeugung gefahren wird (s. Kapitel 4.2.1.1). So wurde zum Beispiel fiir die zentrale Steuerung der vier Donau-Laufwasserkraftanlagen der Stadtwerke Ulm mit Schwellbetrieb eine Studie durchgefiihrt, um die Energie-Zukaufskosten zu minimieren [13.11]. Die Steuerung wiirde mittels eines Schwellbetriebsfahrplans erfolgen, in den Prognosen uber den Leistungsbzw. Energiebedarf der Verbraucher eingehen. Diese Prognosen wiirden auf den langjahrigen Erfahrungen hinsichtlich der Zusammenhange zwischen Wetter, Ta-

458

13 Krafthaus

ges- und Jahreszeiten sowie dem Energiebedarf etc. basieren. Eine Optimierung und Teilautomatisierung konnte dabei uber eine Fuzzy-Logik-Steuerung erfolgen (s. Kapitel 13.3.2), in der die komplexen Zusammenhange der EinfluBgroBen integriert werden konnen. Bisher konnte diese neue Steuerung jedoch aufgrund nicht faBbarer Randbedingungen vor allem im Oberlauf der Donau nicht umgesetzt werden. Neben dem Betrieb mit dem Ziel einer optimalen Energieausbeute ist bei der Femsteuerung auch die Personalkostenoptimierung von Bedeutung, wodurch der Anlagennutzen gesteigert und die erzeugte Energie verhaltnismaftig preiswerter werden. Bei dieser Betriebsart muB allerdings dafiir Sorge getragen werden, dal3 zum einen die Anlage im Storungsfall automatisch in einen sicheren Zustand tiberfuhrt wird, d. h. in der Regel vom Netz genommen und heruntergefahren wird. Zum anderen muB ein Notdienst permanent zur Verfugung stehen, der die Anlage bei aufgezeigten Gefahren- oder Storungssituationen innerhalb einer bestimmten Zeit erreichen kann. Dabei ist es sinnvoll, bei mittelgroBen und groBeren Anlagen auf jeden Fall im Krafthaus selbst eine weitere Leitwarte vorzuhalten, von der aus die komplette Steuerung, darunter insbesondere das Anfahren nach Storungen, vorgenommen werden kann. Stets befindet sich jedoch fiir Gefahrensituationen, aber auch fur Revisionsfalle eine Reguliereinrichtung vor Ort, durch die in den ProzeB eingegriffen werden kann. Dabei besitzt diese Vor-Ort-Steuerung stets Prioritat und kann aus Sicherheitsgrunden durch Steuerimpulse von ubergeordneten, in der Steuerungshierarchie jedoch tiefer eingestuften Leitebenen nicht beeinfluBt werden. Auch bei Kleinwasserkraftanlagen ist der automatische Betrieb unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auBerst bedeutsam, doch wird man bei diesen in bezug auf die Netzeinspeisung relativ untergeordneten Anlagen meist auf aufwendige und kostenintensive Femsteuerungen verzichten. Durch die heute existierenden Moglichkeiten bei der Automatisierung, Regelung und Fernuberwachung kann ein unbemannter Betrieb tiber mehrere Tage hinweg in einem wirtschaftlich realisierbaren Rahmen verwirklicht werden. Regeleinrichtungen fiir die Drehzahl, den Ober- oder Unterwasserspiegel sowie den DurchfluB gehoren - auch in Kombination miteinander - zu den gangigen Ausrustungen. Ebenso konnen An- und Abschaltvorgange sowie die Rechenreinigungsanlage in die Automatisierung mit einbezogen werden. Bei einer Uberschreitung der in den Steuermodulen vorgegebenen Grenzwerte oder einer Stoning gehen derartige Anlagen im Regelfall selbstandig vom Netz und tibermitteln eine entsprechende Stormeldung uber das Telephonnetz oder uber eine Funkanlage an den Anlagenbetreiber. Dieser kann mit Hilfe von EDV-Programmen und gegebenenfalls von Videokameras iiber den Betriebszustand der Anlage informieren und eine erste Diagnose treffen. Sollte ein Femeingriff nicht moglich sein, so muB Betriebspersonal zur Anlage, dort die Storung beheben und anschlieBend vor Ort die Maschinensatze wieder anfahren. Die bisher in den Leitwarten verwandten groBflachigen Wandschalttafeln und Stellpulte werden zunehmend durch eine reine Rechnersystemsteuerung Uber Bildschirme abgelost, wobei vielfach zusatzliche konventionelle RUckmelde- und Gefahrenmeldetafeln zur Verdeutlichung des aktuellen Geschehens dienen. Aus Sicherheitsgriinden soUten dabei normalerweise beide Systeme jeweils mit einer

ISKrafthaus

459

anderen Spannungsversorgung, z. B. 220 V beim Rechnersystem und 24 V beim konventionellen System, sowie mit getrennten Informationswegen versehen sein, so daB im Storungsfall die Probieme erkannt und fiir eine Vor-Ort-Steuerung Sorge getragen werden kann (s. a. Kapitel 16.6.3). Bildschirmarbeitsplatze besitzen dabei den wesentlichen Vorteil, dai3 stets aktuelle Prozei3bilder, Ereignisse, Mei3werttabellen und -kurven etc. dargestellt und direkt bearbeitet werden konnen. 13.2.2

Fuzzy Logik zur Abbildung von Steuerungs- und Regelungsvorgangen

Im Bereich der Steuerung und Regelung von technischen Anlagen sowie zur Datenanalyse oder Modellierung von komplizierten Vorgangen hat die Fuzzy Logik (fuzzy (engl.) = unscharf) seit Anfang der 1990er Jahre in vielfaltigen Disziplinen Einzug gefunden. Auch im Wasserbau kommen vermehrt fuzzy-basierte Methoden als Erganzung oder als Altemativen zu konventionellen Steuerungs- und Regelmechanismen zum Einsatz. Im Bereich der Wasserkraftanlagen wird diese Methode vor allem fur die Bewaltigung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben (s. Kapitel 4.2.1.1 und 13.2) eingesetzt, darunter beispielsweise die Kraftwerkseinsatzplanung (s. Kapitel 16.6.5.3), die Regelung von Pumpspeicherkraftwerken (s. Kapitel 17.6) oder die Uberwachung von WasserschloBschwingungen (s. Kapitel 11.4.9.4). Fuzzylogische Ansatze ermoglichen es daruber hinaus, komplexe Prozesse, wie diese beispielsweise zahheich in der Natur vorhanden sind, zu beschreiben. Klassische Verfahren sind dazu nicht geeignet, da derartige Prozesse durch unzahlige interne, oft unbekannte Abhangigkeiten miteinander in Verbindung stehen. Die Fuzzy Logik kann vorhandenes Wissen von Experten, das oft nur in Form von sprachlichen Formulierungen vorliegt, integrieren und macht somit auch schwer faBbare Zusammenhange einer Modellierung zuganglich, wie dies in Kapitel 19 bzw. 19.4.3.3 beispielhaft fiir das Lebensraumangebot von Fischen in FlieBgewassem beschrieben ist. Auch in der Klimaforschung, in hydrologischen Fragestellungen und in Modellierungen von anderweitigen okologischen Prozessen finden fuzzylogische Ansatze vermehrt Einzug. Bei der Fuzzy-Modellierung gilt allerdings zu beachten, daB die Ergebnisse nicht sofort tiberpruft werden konnen, sondem dies erst zeitverzogert durch eine Validierung moglich ist. Es handelt sich also nicht um eine geschlossene Schleife, wie beispielsweise bei der Fuzzy-Control. Die Validierung ist far die Kalibrierung der gewahlten Ansatze einer Fuzzy-Modellierung wesentlich und muB bei deren Entwicklung durchgefuhrt werden, um spater aussagefahige Prognosen erstellen zu konnen. An dieser Stelle sollen nun die Grundlagen der Fuzzy Logik in knapper und einfacher Form beschrieben werden, um Einblicke in die unscharfe Mathematik zu gewahren, und um Anregungen zu schaffen, diese Methode als eine Alternative bei der Losung verschiedenster Problemstellungen mit zu beriicksichtigen. Fiir die konkrete Anwendung der Fuzzy-Theorie im Einzelfall wird dem Leser weiterfiihrende Literatur empfohlen.

460

13 Krafthaus

13.2.2.1 Grundlagen der Fuzzy Logik Als Begrtinder der Fuzzy Logik gilt Prof. L. A. Zadeh von der Universitat Berkeley in Kalifomien vor allem mit seiner 1965 veroffentlichten Arbeit iiber „Fuzzy Sets", d. h. iiber unscharfe Mengen [13.12]. Die Fuzzy Logik konnte sich zunachst jedoch nicht durchsetzen, da bei den damals zu losenden Problemen in Verbindung mit der aufkommenden Computertechnik exakte, scharfe Zustande wie ja/nein, wahr/falsch oder 0/1 gefordert wurden. Fiir viele Fragestellungen ist eine solche scharfe Zuordnung von Werten zur einen oder anderen Menge aber nicht sinnvoll. Ordnet man beispielsweise Menschen von tiber 190 cm KorpergroBe der Menge „groi3" zu, so ware jemand mit einer KorpergroBe von 191 cm zwar „groB", jemand der eine KorpergroBe von 189 cm aufweist, gehort jedoch eindeutig nicht der Menge „groB" an. Dies entspricht keineswegs dem menschlichen Empfinden. Um die Denkweise und Erfahrung von Menschen in computergesteuerte Regelungsablaufe zu integrieren, wurde Fuzzy Logik Ende der 1980er Jahre in breiterem Umfang eingesetzt. Japan war Vorreiter in der weiteren Entwicklung der Fuzzy-Theorie und iiberraschte den Westen mit spektakularen Losungen, wie das vollig ruckfreie Anfahren und Abbremsen der vollautomatischen U-Bahn in Sendai oder verschiedenste Elektronikartikel, die mit Fuzzy-Control geregelt wurden. Fuzzy Logik stellt eine Methode dar, die es einem Computer ermoglicht, menschliche Verhaltensweisen zu imitieren, Expertenwissen und Teilwahrheiten mit Hilfe linguistischer Formulierungen numerisch zu verarbeiten und daraus konkrete Ergebnisse abzuleiten, die dann zur Steuerung bzw. Regelung oder zur Entscheidungsfindung herangezogen werden konnen. Wichtig ist dabei eine deutliche Abgrenzung der Fuzzy Logik zur Wahrscheinlichkeitstheorie, wie dies am „Apfel-im-Kuhlschrank"-Problem anschaulich dargestellt werden kann [13.13]. Trifft man vor einem geschlossenen Ktxhlschrank die Aussage: „In dem Ktihlschrank befindet sich ein Apfel", so kann dieser Aussage ein Wahrheitsgehalt von 50 % zugewiesen werden, denn entweder befindet sich ein Apfel im Ktihlschrank oder nicht. Wird der Ktihlschrank nun geoffiiet, war die Aussage entweder wahr oder falsch, die Wahrscheinlichkeit betragt dann also 100 % oder 0 %. Liegt im Ktihlschrank ein halber Apfel, so ware die Wahrscheinlichkeit der Aussage weiterhin 0 %. Betrachtet man die Situation jedoch mit Fuzzy Logik, so ergabe sich beim Vorfinden eines halben Apfels ein Wahrheitsgehalt der ursprlinglichen Aussage von 50 %. Es handelt sich dabei um eine Teilwahrheit. Mit dem fuzzylogischen Ansatz ist also die Beschreibung des tatsachlichen Zustandes moglich, wahrend sich die Wahrscheinlichkeit auf die Zukunft oder auf erne Erwartung bezieht. Ein weiterer Unterscheidungspunkt zwischen Fuzzy Logik und Wahrscheinlichkeitstheorie ist, daB die Eintrittswahrscheinlichkeit stets komplementar zur NichtEintrittswahrscheinlichkeit ist. Die Summe der beiden Altemativen muB immer eins ergeben. In der Fuzzy Logik ist diese Bedingung nicht gegeben. Wegen des sprachlich beschreibenden Charakters der EingangsgroBen, der Rechenregebi und der AusgabegroBen kann die Losungsfindung dariiber hinaus verstandlich dargestellt werden. Heute fiinden fiizzylogische Ansatze immer mehr Akzeptanz. Auf vielen Gebieten konnte durch den Einsatz von Fuzzy Logik der Tendenz der Verkomplizierung entgegengewirkt werden [13.14].

13 Krafthaus

461

13.2.2.2 Unscharfe Ansatze in der Fuzzy Logik Die klassische Mathematik ist Bestandteil der unscharfen Mathematik, und sie stellt im Prinzip eine Sonderform des Ublichen unscharfen Falles dar. Scharfe Zustande werden durch exakt umrissene Grenzen definiert, wahrend dies bei unscharfen Sachverhalten nicht moglich ist [13.14]. Als Beispiel ftir scharfe Werte sei die Zahl n genannt, wohingegen die Menge der „groi3en Menschen" als Beispiel fur eine „unscharfe Menge" dienen soil, denn der LFbergang ist flieBend und laBt sich nicht exakt abgrenzen. Eine wichtige Grundlage der Fuzzy-Theorie ist die Definition, dai3 es Zwischenstufen bzw. Teilwahrheiten zwischen Grenzwerten geben kann. Diese Zwischenstufen konnen durch die sogenannte Zugehorigkeit quantitativ erfaBt werden. Zugehorigkeitsgrad und Zugehorigkeitsfunktion Der Zugehorigkeitsgrad wird im allgemeinen mit dem Buchstaben // abgekiirzt. Fuzzy-Sets, also unscharfe Mengen, werden durch die Zugehorigkeitsfiinktion JUA(X) begrenzt, welche den Zugehorigkeitsgrad ju einer GroBe x ZM einer FuzzyMenge^ angibt [13.15]. Am Beispiel der Wassertemperatur einer Badewanne werden unterschiedliche Altemativen aufgezeigt [nach 13.14]: Die „Wohlfuhltemperatur des Badewassers" in einer Badewanne betragt 35 °C. Nun lassen sich unterschiedlich scharfe und unscharfe Zustande der Wunschtemperatur des Badewassers linguistisch beschreiben, die beispielsweise die Grundlage fiir die Regelung der Zulauftemperatur aus dem Wasserhahn bilden konnte (s. Abb. 13.9). Der Vergleich der jeweiligen Zugehorigkeitsgrade ju bei einer vorhandenen Badewassertemperatur von 32 °C macht die Unterschiede gemaB Abb. 13.9 deutlich: a) Singleton (Zweiwertige Logik): „Die Wassertemperatur soil exakt 35 °C betragen" [i = 0,00 b) Crisp-Set (Zweiwertige Logik): „Die Wassertemperatur soil zwischen 30 °C und 40 °C betragen" |i = 1,00 c) Fuzzy-Set dreiecksformig: „Die Wassertemperatur soil ca. 35 °C betragen" 1^ = 0,40 d) Fuzzy-Set trapezformig: „Die Wassertemperatur soil ungefahr [i = 0,67 zwischen 33 °C und 37 °C betragen" e) Fuzzy-Set nach GauB-Verteilung: „Die Wassertemperatur soil ca. 35 °C betragen" |i = 0,32 f) Fuzzy-Set individuell: „Die Wassertemperatur soil ca. 35 °C betragen, eher etwas mehr" |i = 0,20 Dieses Beispiel veranschaulicht, daB Zugehorigkeitsfunktionen menschliches Empfinden und individuelle Denkweisen reprasentieren kann.

462

13 Krafthaus M[-] 1,0-1

®

0,8 J 0,6 0,4 0,2 0,0 20

25

3032 35 40 45 20 Wassertemperatur [°C]

3032 35 40 45 Wassertemperatur [°C]

3032 35 40 45 Wassertemperatur [°C]

3032 35 40 45 Wassertemperatur [°C]

3032 35 40 45 Wassertemperatur [°C]

3032 35 40 45 Wassertemperatur [°C]

Abb. 13.9: Typische Zugehorigkeitsfunktionen ratur

/UA(^)

am Beispiel der Badewassertempe-

Linguistische Variablen Linguistische Variablen ermoglichen es, auch komplexe Sachverhalte, die durch sprachliche Ausdriicke von Experten beschrieben werden konnen, in Berechnungen einzubeziehen. Line linguistische Variable kann durch mehrere Modifikatoren charakterisiert sein. Diese Modifikatoren lassen sich durch Fuzzy-Sets ausdriicken. Bin Beispiel fur den Aufbau einer linguistischen Variablen enthalt Tabelle 13.L Tabelle 13.1: Beispiel fiir den Aufbau einer linguistischen Variablen 1 Linguistische Variable Hauptterme 1 Modifikatoren

Primarterm Antonym

„Temperatur" warm kalt sehr, ziemlich, etwas, kaum, nicht,...

1

Dabei kommen haufig dreiecksformige, sich tiberlappende Fuzzy-Sets zur Anwendung. Die Uberlappung ermoglicht die gleichzeitige Zugehorigkeit zu mehre-

|

13Krafthaus

463

ren Bereichen, wodurch oft vorteilhafte, unscharfe Abgrenzungen moglich sind. AuBerdem spiegelt dieser Verlauf meist gut das intuitive Empfinden wider, und die symmetrische Form erleichtert die numerische Behandlung (s. Abb. 13.10). sehrkalt kalt

ziemlich etwas etwas ziemlich sehr kalt kalt normal warm warm warm warm

Temperatur [°C]

Abb. 13.10: Graphische Darstellung einer linguistischen Variablen mit Modifikatoren Fuzzy-Control-Schema Fuzzy-Control verwendet die Kenntnisse der Fuzzy Logik zur Regelung und Steuerung von komplexen Problemen. Das prinzipielle Schema der Fuzzy-Control ist in Abb. 13.11 dargestellt. Scharfe EingangsgroBen werden zunachst fiizzifiziert und anschlieBend in der Inferenzmaschine mit dem Regelwerk gekoppelt. Nach der Defiizzifizierung der Ergebnisse erhalt man wiederum eine scharfe AusgangsgroBe, die z. B. als StellgroBe zur Regelung herangezogen werden kann. Regelwerk WENN - DANN Fuzzifizierung scharfe Eingangsgröße

Defuzzifizierung M Inferenz- M maschine —©S

\

scharfe Ausgangsgröße

Abb. 13.11: Prinzip des Fuzzy-Control-Schemas

Fuzzifizierung Unter Fuzzifizierung („Unscharfinachen") versteht man die Zuweisung von Zugehorigkeitsfiinktionen und Imguistischen Variablen an die EmgangsgroBen eines Regelungssystems oder eines Modells. Am obigen Beispiel der Badewassertemperatur soil die Vorgehensweise dargestellt werden. In einem ersten Schritt miissen die einzehien unscharfen Mengen festgelegt werden (hier: kalt, kiihl, warm, heiB). Danach wird der Verlauf der Zugehorigkeitsfunktionen, d. h. der Fuzzy-Sets, von sachkundigem Personal bzw. von Experten anhand von Erfahrungen oder Messungen aufgestellt und gegebenenfalls sinnvoll modifiziert (s. Abb. 13.12). Ebenso miissen auch flir die AusgangsgroBen (hier: die Regelung der Zulauftemperatur des Wassers aus dem Wasserhahn) Zugehorigkeitsfiinktionen definiert werden.

464

13 Krafthaus kalt

15

kiihl

20

25

warm

30

heiB

35 40 Wassertemperatur [°C]

Abb. 13.12: Zugehorigkeitsfunktionen der Badewassertemperatur

Der letzte Arbeitsschritt im Rahmen der Fuzzifizierung ist die Bestimmung der Zugehorigkeitsgrade der scharfen EingangsgroBen. Diese konnen, wie in Abb. 13.9 dargestellt, abgelesen oder auch berechnet werden, falls die mathematische Formulierung der Zugehorigkeitsfunktionen bekannt ist. Regelwerk Dem Regelwerk kommt innerhalb der Fuzzy-Control eine entscheidende Bedeutung zu, und es muB daher sorgfaltig aufgestellt werden. In das Regelwerk flieBen Erfahrungen und Expertenwissen ein, wobei der Aufbau sehr einfach strukturiert ist: - WENN UND/ODER/GAMMA UND/ODER/GAMMA DANN <SchluBfolgerung> Bestandteile dieser Regebi sind Argumente in Form von unscharfen FuzzyMengen, die unterschiedlich miteinander in Beziehung stehen konnen und schlieBlich eine Folgerung bilden, die dann ebenso unscharf vorliegt. Ein einfaches Regelwerk konnte beispielsweise flir die Badewassertemperatur folgendermaBen aussehen: - WENN ODER DANN - WENN DANN - WENN DANN Wichtig bei der Aufstellung des Regelwerks ist, daB alle moglichen Zustande erfaBt werden. Hilfreich ist dabei eine iibersichtliche, tabellarische Darstellung des Regelwerks, die dann in einfacher Weise numerisch weiterverarbeitet kann. Inferenzmaschine Das Regelwerk wird anschlieBend in der sogenannten Inferenzmaschine (inference (engl.) = Folgerung, SchluBfolgerung) auf die Zugehorigkeitsgrade der Eingangswerte, welche im Rahmen der Fuzzifizierung ermittelt wurden, angewendet. Die hiefiir notwendigen Verkniipfungen UND/ODER/GAMMA miissen rechnerisch verarbeitet werden konnen. Dazu sind Operatoren auszuwahlen, welche die zu untersuchende bzw. die zu regelnde Problemstellung am besten widerspiegeln.

13 Krafthaus

465

Fur jede Verkniipfung existieren mehrere Ansatze, die je nach Sachverhalt die Verkniipfung mehr oder weniger gut reprasentieren (s. z. B. [13.14]/[13.16]/ [13.17]/[13.18]). Nachfolgend sollen exemplarisch einige mogliche Operatoren vorgestellt werden. Fiir die UND-Verknupfung und die ODER-Verknupfung werden haufig folgende Operatoren verwendet: - UND-Operator - Minimum-Operator (s. Abb. 13.13a): [ic{x) = mm[\iA{x),iiB{x)) -

(13.1)

Algebraisches Produkt: [ic{x) = \iA{x)-\iB{x)

-

[-]

[-]

(13.2)

Beschranktes Produkt: lic{x) = mca{0,\iA{x)-^liB{x)-l)

[-]

(13.3)

ODER-Operator: - Maximum-Operator (s. Abb. 13.13b): [ic (x) = mca[[iA {x),iiB {x)) -

(13.4)

[-]

Algebraische Summe: I^C (x) = \iA (x) + ILl^ (x) - liA (x) • [iB ( x )

-

[-]

(13.5)

Beschrankte Summe: [ic (x) = min[l\iA (x) + ^5 (x))

(13.6)

[-]

/// Zugehorigkeitsgrad [-] Der Minimum-Operator entspricht dabei der Definition der Schnittmenge in der klassischen Mengenlehre, der Maximum-Operator stellt entsprechend die Vereinigungsmenge dar (s. Abb. 13.13).

^

0

X

' ^

0

Abb. 13.13: Graphische Darstellung des a) Minimum- und b) Maximum-Operators Oft jedoch sind diese einfachen Verkntipfungen nicht ausreichend, um spezielle Zusammenhange zu reprasentieren, so daB Zwischenformen gefunden werden miissen. In der Fuzzy Logik werden hierfur sogenannte kompensatorische Operatoren verwendet. Die geringe Zugehorigkeit zu einer Menge kann dabei durch die starkere Zugehorigkeit zu einer anderen Menge kompensiert werden. So wird bei-

466

13 Krafthaus

spielsweise ein Personalchef auf der Suche nach einem „jungen und kompetenten" Mitarbeiter ein einige Jahre tiber der ursprtinglichen Vorstellung liegendes Alter akzeptieren, wenn der Bewerber ein besonders herausragendes Fachwissen aufweist. Zwei wichtige kompensatorische Operatoren sind der LAMDA- und der GAMMA-Operator: - LAMDA-Operator: \^AXB='^'{l^A'\^B)-^{i-^)'{\^A-^\^B-\^A'\^B) ["], mit ?i G [0;1]

-

Mit X = 0 erhalt man den ODER-Operator (algebraische Summe), mit A, = 1 den UND-Operator (algebraisches Produkt). Es ist also moglich, beliebige Zwischenstufen zwischen diesen beiden Verknupfimgen zu wahlen und an die problemspezifischen Anforderungen anzupassen. GAMMA-Operator: liAyB={\iA'^B)'~' '{l-{l-^A)il-\XB)J

-

(13.7)

[-], mit y E [0; 1]

(13.8)

Y = 1 fuhrt zu dem reinen ODER-Operator (algebraische Summe), und y = 0 ergibt den reinen UND-Operator (algebraisches Produkt). Der GAMMA-Operator kann zusatzlich mit Gewichten versehen werden, um eine bestimmte Menge zu bevorzugen. Im genannten Beispiel konnte die fachliche Kompetenz ein hoheres Alter eher kompensieren, als ein niedriges Alter fehlendes Fachwissen auszugleichen vermag. GAMMA-Operator (gewichtet): H.v.=(n/^-^/^r-(/-(7-^.f-(/-H.ffH mit SA,B > 0; SA

(13.9) + SB =

1

X/y/d Operatoren [-] Bei der Auswahl der Operatoren spielt die praktische Erfahrung und die hituition des Betrachters ebenso eine Rolle, wie beispielsweise die Rechnerkapazitaten. Die Ergebnisse geben letztendlich AufschluB dartiber, ob die Wahl des Operators der Anforderung entspricht, oder ob er ausgetauscht bzw. modifiziert werden muB. Fur die Berechnung der Zugehorigkeitsgrade der Ergebnismengen stehen unterschiedliche Inferenzmethoden zur Verfugung. Exemplarisch seien hier die Maximum-Minimum-Methode und die MaximumProdukt-Methode genannt, die anhand des Badewasser-Beispieles erlautert werden sollen. Ftir die erforderliche Zulauftemperatur des Wassers aus dem Wasserhahn wurden folgende Zugehorigkeitsgrade ermittelt: jikait^O, |ikuhi = 0,5; |awann = 0,7 Und|Ihei6= 1,0. Bei der Maximum-Minimum-Methode (s. Abb. 13.14a) werden die Zugehorigkeitsfunktionen in Hohe des zugeordneten Zugehorigkeitsgrades abgeschnitten und die jeweiligen Einzelflachen zu einer Gesamtflache zusammengefaBt. Bei der Maximum-Produkt-Methode (s. Abb. 13.14b) werden die Zugehorigkeitsfunktionen mit dem zugeordneten Zugehorigkeitsgrad multipliziert und die jeweiligen Einzelflachen ebenfalls zu einer Gesamtflache zusammengefaBt.

13 Krafthaus •^ [

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 (a)

I kalt

kühl

20

warm

heiß

)Ll [-]

kalt

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

kühl

^\ r

[

30 3740 50 60 Wassertemperatur [°C] (b.

467 heiß

warm

/ .'\•. // w s / /\ '• ' \ •'/ '^7 1 / Y \

1/

/^ \

•

/

\/

20

30

•7\\

1 V.

\/

\

f—•

40 50 60 Wassertemperatur [°C]

Abb. 13.14: Graphische Darstellung der a) Maximum-Minimum- und b) MaximumProdukt-Methode

Defuzzifizierung Unter Defuzzifizierung versteht man gemaB Abb. 13.11 die Umwandlung der aus der Inferenzmaschine resultierenden Ergebnismengen in konkrete Zahlenwerte bzw. Steuerungs- oder Regelungsanweisungen. Auch hier sind vielfaltige Methoden moglich, von denen drei kurz vorgestellt werden sollen: - Maximum-Mittelwert- bzw. MOM-Methode (mean of maximum): In diesem Fall wird derjenige Abszissenwert als scharfer Ausgangswert herangezogen, der sich in der Mitte des maximalen Zugehorigkeitswertes der Ergebnisflachen befindet. Im Beispiel in Abb. 13.14a ist der maximale Zugehorigkeitswert //2 = 0,7, Die Mitte der zugeordneten Ergebnisflache A2 befindet sich bei einem Abszissenwert von 40 °C. Eine Anderung der Ergebnisflache Ai wirkt sich bei dieser Methode nicht auf die scharfe AusgangsgroBe aus. - Schwerpunkt- bzw. COG-Methode (center of gravity): Hierbei wird als scharfer Endwert der Abszissenwert M(Kges) des Schwerpunktes der Ergebnisflache verwendet: M(K,,J-

(13.10)

[-]

M (Kges) Schwerpunktwert der Ergebnisflache

[-]

Im obigen Beispiel laBt sich fur die COG-Methode anhand der Ergebnisflache der Maximum-Minimum-Methode (s. Abb. 13.14a) eine Temperatur des einzustellenden zulaufenden Wassers von 37 °C bestimmen. Die Uberlappung der Einzelflachen wird bei dieser Methode nicht mit beriicksichtigt. Die analytische Berechnung des Flachenschwerpunktes kann je nach Einzelflachen sehr komplex sein und wird in der Regel liber eine numerische Integration bestimmt, wodurch der Rechenaufwand entsprechend hoch wird. Fiir die meisten Echtzeitaufgaben ist die COG-Methode daher nicht geeignet. Maximum-Schwerpunkt- bzw. HM- bzw. COM-Methode (height method bzw. center of maximum): Bei dieser Variante wu*d der Ansatz verwendet, daB jede Teilergebnisflache abhangig von dem Zugehorigkeitsgrad jUj ist,

468

13 Krafthaus der auch als Hohe der einzelnen Flache dargestellt werden kann. Der Zugehorigkeitsgrad jUt dient in der Folge als Gewichtung des Abszissenwertes Xi, der jeweils im Schwerpunkt der Einzelflache At liegt (s. Abb. 13.14a). Dadurch wird eine aufwendige Integration vermieden, wie sie beispielsweise bei der COG-Methode erforderlich ist:

^^,

0,5 + 0,7

Xj Abszissenwert der Einzel- bzw. Ergebnisflache [-] Diese Methoden lassen sich hinsichtlich der Stetigkeit und des Rechenaufwandes gemaB Tabelle 13.2 klassifizieren. Unter Stetigkeit einer Defuzzifizierungsmethode versteht man, dal3 kleine Anderungen einer beliebigen EingangsgroBe nie einen Sprung in der AusgangsgroBe hervorrufen dtirfen. Dies ist insbesondere bei der Steuerung und Regelung von technischen Prozessen wichtig. Unter den vorgestellten Methoden kann die MOM-Methode dieses Kriterium nicht erftllen, deren geringer Rechenaufwand jedoch haufig von Vorteil ist. Tabelle 13.2: Klassifizierung der Defuzzifizierungsmethode [nach 13.19]

1 Defuzzifizierungsmethode Stetigkeit 1 Rechenaufwand

COG ja sehr hoch

HM bzw. COM ja niedrig

MOM nein sehr niedrig

13.3

Betrieb und Unterhalt von Wasserkraftanlagen

13.3.1

Betriebs-5 Anlagen- und Arbeitssicherheit bei Wasserkraftanlagen

1 1 |

Unter einem sicheren Betrieb einer Wasserkraftanlage werden heute eine Vielzahl von sich uberlappenden Wirkungsbereichen verstanden, die unterschiedlich eingeteilt werden konnen. Zum einen bietet sich die Aufteilung nach den Betroffenen an: - dem Betreiber und seinem Personal, - den temporar im Bereich der Anlage anwesenden Personen, wie beispielsweise Fremdfirmen oder - Dritten einschlieBlich der angrenzenden Umgebung, z. B. Anwohnem oder die angrenzende Flora und Fauna (s. a. Kapitel 18). Zum anderen kann eine Einteilung nach den Betriebszustanden vom Regelbetrieb Uber Revisionszustande bis bin zu Storungen erfolgen. In der Kombination dieser Einteilungen und unter Berucksichtigung weiterer Aspekte ergeben sich damit vor allem drei Bereiche mit jeweils flieBenden Ubergangen, wie dies auch aus der nachfolgenden Darstellung ersichtlich werden wird: - Betriebssicherheit, die einen kontinuierlichen Betrieb aller Komponenten mit dem Ziel der maximal moglichen Energieerzeugung fordert; - Anlagensicherheit, durch die einerseits die Gefahrdung und Stoning des die Wasserkraftanlage umgebenden Umfeldes minimiert und andererseits

13 Krafthaus

469

die Anlage vor Schaden durch Dritte (Einbruch, Vandalismus etc.) geschiitzt werden soil; - Arbeitssicherheit, im Rahmen derer durch organisatorische und gestalterische Vorgaben der Schutz der korperlichen und geistigen Unversehrtheit der im Bereich der Anlage tatigen Personen sichergestellt werden soil. Im Hinblick auf die Betriebssicherheit kommt neben der technischen Ausstattung einem gut geschulten, erfahrenen Personal die entscheidende Rolle zu. Trotz der moglichen, fast voUstandigen Automatisierung einer Wasserkraftanlage bleibt dieses unverzichtbar, da gerade bei auBergewohnlichen Betriebszustanden, wie z. B. Storungen, die Grenzen der technischen Einrichtungen und darunter insbesondere der Leit- und Regelungstechnik erreicht werden konnen und der direkte Eingriff des Personals unabdingbar ist. Auch ersetzen die zahlreichen MeBwertaufnehmer eine regehnaBige Uberprtifiing vor Ort keinesfalls, da erfahrenes Personal Gefahrensituationen oftmals in einem fi^heren Stadium erkennen kann, als dies einem ProzeBrechner mit seinem stets begrenzten Wissen moglich ist. Um derartigen auBergewohnlichen, jedoch nie ganzlich auszuschlieBenden Betriebszustanden entgegenzuwirken, sollte einerseits der technische Zustand der Anlagen auf einem auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten moglichst optimalen Niveau gehalten werden. Andererseits sind durch technische und organisatorische Vorkehrungen, die gleichzeitig auch die Bereiche der Anlagen- und Arbeitssicherheit betreffen, der Umfang und die Auswirkungen derartiger Zustande emzugrenzen sowie deren Handhabung zu erleichtem. Zu den technischen Vorkehrungen gehoren vor allem: - Notstrom- bzw. Eigenversorgung (s. Abschnitt 16.6.3); - Brandmelde- und Feuerloschsysteme; - Blitz- und Uberspannungsschutzeinrichtungen (s. a. Kapitel 16.3.5); - Einrichtungen zur DruckstoB- und Wasserstandsregelung; - 01- und Lekagemelder. Durch organisatorische Vorgaben schlieBlich werden dem Betriebspersonal, aber auch extemen Einsatzkraften genaue Vorgaben fur deren Verhalten bei auBergewohnlichen Betriebsfallen, z. B. Brandfall, Olalarm, Hochwasser etc., in Form von schriftlichen Einsatzplanen an die Hand gegeben.

470

13 Krafthaus

Allgemeine Anlagen- und Arbeitssicherheitsanforderungen Im Bereich von Wasserkraftanlagen, bei denen es sich in arbeitsrechtlicher Hinsicht im Grunde um Industrie- bzw. Gewerbebetriebe handelt, sind eine Vielzahl von Bestimmungen, Bauordnungen und technischen Richtlinien zu einzelnen Einrichtungen und Arbeiten bis hin zu Unfallverhiitungsvorschriften gultig (s. a. Abschnitt 3.4). Die daraus resultierenden Anforderungen sind neben den nachfolgend detaillierter erlauterten insbesondere: - bauliche Vorkehrungen: Fluchtwege, Absturzsicherungen, Verkleidungen etc.; - Kennzeichnung von Fluchtwegen, gefahrdenden Stoffen, Gefahrenzonen etc.; - Vorhalten einschlagiger Ausrtistungen: Loschmittel, Erste-Hilfe-Ausriistung, Rettungsringe, Schwimmwesten etc.; - Ausbildung und permanente Schulung des Personals hinsichtlich Erster Hilfe einschlieBlich Wasserrettung, Brandschutz, Arbeiten in gefahrlichen Bereichen bzw. mit Maschinen unterschiedlicher Art (Motorsage, Motorsense, SchweiBgerate etc.), gesundheitsfordemde Arbeitstechniken (Heben, Tragen etc.) und vieles andere mehr. Larmemissionen Neben den Auswirkungen der Schwingungsvorgange auf die Bauwerksgestaltung unter statischen Gesichtspunkten (s. Kapitel 13.1.1) darf heute der Aspekt der Larmemissionen keinesfalls auBer Acht gelassen werden, da einerseits eine starkere Beeintrachtigung der Kraftwerksumgebung nicht hingenommen werden kann und andererseits der Betreiber fiir den Gesundheitsschutz seiner Mitarbeiter verantwortlich ist. Dabei versteht man unter Larm einen Schallvorgang, der storend oder auf das Gehor schadigend wirkt. Bei diesem Schallvorgang handelt es sich um einen durch eine Schallwelle erzeugten Wechseldruck, der sich dem herrschenden atmospharischen Druck Uberlagert und dementsprechend nur relativ zum Atmospharendruck wahrgenommen werden kann. Diesen Druckunterschied erfaBt man als logarithmisches MaB, den sogenannten Schalldruckpegel, der in Dezibel (dB) angegeben wird. Da das Schallempfinden durch das menschliche Gehor zusatzlich frequenzabhangig ist, wird der Schalldruckpegel auf der Basis von Frequenzbewertungskurven gewichtet und so einheitliche Werte fiir die Einschatzung der Larmbelastung angegeben. Hierfur wird uberwiegend die A-Bewertung mit der Einheit dB (A) verwendet. Aus den Rechenregeln fur Logarithmen ergeben sich fiir die Pegeb*echnung folgende einfache Zusammenhange: - eine Verdopplung des Schalldruckes ergibt eine Erhohung des Schalldruckpegels um 6 dB (A); - eine Erhohung des Pegels um 10 dB (A) wird als doppelt so laut empfunden; - zwei gleichlaute Schallquellen sind im Gegensatz zu einer einzebien um 3 dB (A) lauter; - drei gleichlaute Schallquellen sind im Gegensatz zu einer einzebien um 5 dB (A) lauter.

13 Krafthaus

471

Fur den Betrieb larmerzeugender Anlagen sind die Immissionsrichtwerte (s. Tabelle 13.3) aus den jeweils relevanten Larmschutzbestimmungen entscheidend, die am Immissionsort, also an dem Ort, an dem die Gerausche wahrgenommen werden, eingehalten werden mtissen. In Mischgebieten konnen Zwischenwerte gebildet und darUber hinaus durch behordliche Larmschutzanordnungen modifizierte Werte relevant werden. Ta belle 13.3: Immissionsrichtwerte fur Immissionsorte auBerhalb von Gebauden in Deutschland 1 Gebietstyp 1 Industriegebiet 1 Gewerbegebiete 1 Kemgebiete, Dorf- und Mischgebiete 1 allgemeine Wohn-, kleine Siedlungsgebiete reine Wohngebiete 1 Kurgebiete, Krankenhauser etc.

tags[dB(A)] 1 nachts [dB (A)] 1

70 65 60 55 50 45

50

1 1

45 40 35

35

1

Der individuelle Schallpegel in einem Krafthaus und in dessen Nachbarschaft ist naheliegenderweise vom Zusammenspiel und der Anzahl der Larmerzeuger abhangig. In der Literatur findet man folgende, auf einer Vielzahl von Messungen basierende Innenschallpegelangaben bei Wasserkraftanlagen: - Gesamtpegel in Maschinenhausem ohne larmmindemde MaBnahmen: ca. 100 dB (A); - Maschinensaal in Abhangigkeit von den Wandoberflachen und der RaumgroBe: ca. 90 dB (A). - Turbinen unterschiedlicher Bauart: 95-105 dB (A); - Generatoren: bis zu 95 dB (A), wobei die erzeugte Schalleistung stark durch die Art der Kuhlsysteme, vor allem bei Luftkixhlung, beeinflul3t wird; - Kavitation: temporarer Larmpegelanstieg um 40 dB (A) moglich; Aus Griinden der Arbeitsicherheit sollte der Schalldruckpegel im Krafthaus moglichst unter der Schadigungsgrenze von ca. 85 dB (A) gehalten bzw. infolge des notwendigen Nachbarschutzes sollten die obengenannten Grenzwerte im Anlagenumfeld beachtet werden. Ist der jeweilige Wert nicht zu erreichen, so mu6 versucht werden, durch konstruktive MaBnahmen (Korperschallentkopplung durch elastische Maschinenlagerung, Einkapseln durch Gehause oder mit Hilfe von Dammaterialien, Einfiigen von Trennwanden, Trennung bzw. Dampfung von Rohrverbindungen etc.) die Larmemissionen zu mindem. In Bereichen im Krafthaus, in denen dies nicht oder nur unzureichend moglich ist, ist das Tragen von Gehorschutz eventuell in Verbindung mit einer Aufenthaltsdauerbeschrankung entsprechend vorzuschreiben. Vibrationen und Schwingungseinfliisse Analog zu den Larmemissionen konnen die stets von Maschinen erzeugten Schwingungen je nach Frequenz und Dauer zu Belastigungen oder gar Schadigungen fiihren.

472

13 BCraflhaus

Im Hinblick auf die Arbeitssicherheit unterscheidet man zwischen Ganzkorperund Hand-Arm-Schwingungen, die je nach Intensitat und Dauer zu Erkrankungen flihren konnen. Dementsprechend sind vorbeugende MaBnahmen durch technische und organisatorische Vorkehrungen zu ergreifen. Auch im Umfeld der Wasserkraftanlagen konnen Schwingungen negative Auswirkungen haben, wenn diese sich durch Bauwerke oder den Untergrund fortpflanzen und im Extremfall zu Resonanzschwingungen fiihren. In derartigen Fallen sind dammende MaBnahmen analog derjenigen bei Larmemissionen zu ergreifen. Elektromagnetische Felder und elektrische Anlagen In der Umgebung nahezu aller elektrischer Gerate und Anlagen treten elektromagnetische Felder auf. In Wasserkraftanlagen sind weniger die statischen Felder, die beispielsweise von Permanentmagneten ausgehen, als die niederfrequenten elektromagnetischen Felder im Bereich von Hochspannungsanlagen (Energieableitung vom Generator, Transformatoren, Freileitungen etc.) als gesundheitsgefahrdende AnlageneinflUsse zu beachten. Aus Grtinden der Arbeitssicherheit sollte daher die Aufenthaltsdauer in diesen Bereichen so gering wie moglich entsprechend den einschlagigen Vorschriften gehalten und Arbeiten nach Moglichkeit nur bei abgeschalteten Anlagen vorgenommen werden. Auch bei Arbeiten an elektrischen Anlagen soUten diese entsprechend den geltenden Regehi nach Moglichkeit in spannungsfreiem Zustand vorgenommen werden. 1st dies nicht machbar, so darf nur hinreichend ausgebildetes Fachpersonal die Arbeiten unter Spannung bzw. in der Nahe unter Spannung stehender Telle vomehmen. Bei Storfallen und insbesondere bei der Brandbekampfiing im Bereich elektrischer Anlagen ist auf den Einsatz entsprechend geeigneter Loschmittel (CO2, Loschpulver etc.) sowie ausreichende Sicherheitsabstande zu achten. Dartiber hinaus besteht in derartigen Fallen eine besondere Gefahrdung durch beschadigte, fi*ei herumliegende Hochspannungsleitungen, so dafi dem Spannungsfreischalten oder Erden durch Fachpersonal eine wichtige Bedeutung zukommt. Gewasserschutz und Gefahrgiiter Beim Betrieb und Unterhalt von Wasserkraftanlagen kommen verschiedenartige Roh- oder Hilfsstoffe zum Einsatz, bei denen es sich vor allem um unterschiedliche Schmierstoffe und HydraulikflUssigkeiten handelt. Aber auch KUhl- und L6sungsmittel, Batterieflussigkeiten etc. konnen je nach Anlagenalter und eingesetzten Komponenten angetroffen werden. Da sich Wasserkraftanlagen stets an einem Gewasser befinden, ist dem Umgang mit derartigen wassergefahrdenden Stoffen ein besonderes Augenmerk zu schenken und moglichen Gefahrdungen beim Umgang mit diesen Stoffen vom Lagem und Transportieren tiber Verwenden bis hin zum Entsorgen durch technische und organisatorische MaBnahmen vorzubeugen. Hierzu zahlen insbesondere folgende Aspekte (s. a. Kapitel 3.4 bzw. 14.3.3): - Drainagewasser: Im Idealfall sollten samtliches anfallendes Dramagewasser sowie die Restentleerungen von Einlaufspiralen, Turbinenkammem und Saugrohren tiber ein System gesammelt und abge^hrt werden. Da

13 Krafthaus

-

-

-

13.3.2

473

jedoch die Dimensionierung der in diesen Systemen notwendigen Olabscheidem mit Olwammeldem haufig Probleme bereitet, ist zumindest das Drainagewasser komplett zu erfassen und zu reinigen. Kann eine ausreichende Reinigung sichergestellt werden, kann das Wasser in den Vorfluter abgegeben werden. Andemfalls ist es Uber die offentliche Kanalisation zu entsorgen. Schmiermittel und Hydraulikflussigkeiten: Neben den technischen vorbeugenden MaBnahmen in Form von beispielsweise geschlossenen Kreislaufen, Auffangbehaltem und Leckagemeldem kann daruber hinaus versucht werden, umweltvertragliche Flussigkeiten einzusetzen. Dabei ist allerdings darauf zu achten, daB diese Flussigkeiten - und darunter insbesondere naturliche Ole und Ester - die notwendige Schmiereigenschaft sowie Alterungs- und Dauerbestandigkeit auch bei hoheren Temperaturen und Wassereintrag aufweisen, um die Anlagenkomponenten nicht zu beschadigen. In vielen Fallen muB daher auf deren Einsatz verzichtet werden. Kiihlmittel: Vielfach wurden in Kiihlkreislaufen von elektrischen Anlagenkomponenten, wie z. B. Transformatoren, PCB-haltige Stoffe als Brandschutzmittel dem 01 zugesetzt, deren Austausch und gesicherte Entsorgung heute ratsam ist, um Gewasserverunreinigungen im Leckagefall vorzubeugen. Isolierungs- und Korrosionsschutzmaterialien: In friiheren Jahren war es tiblich, zur Isolierung von elektrischen und maschinellen Anlagenteilen sowie des Bauwerkes selbst Asbest- und Polychlorin-BiphenylMaterialien (PCB) einzusetzen (s. a. Kapitel 8.1.1). Nach heutigen Erkenntnissen ist dagegen anzustreben, diese Materialien infolge ihrer gesundheitsschadlichen Auswirkungen insbesondere bei Beschadigungen durch Abrieb, Brand etc. im Rahmen von RenovierungsmaBnahmen zu entfemen, wobei dann allerdings besondere SchutzmaBnahmen fiir Personal und Umwelt zu treffen sind. Instandhaltung und Erneuerung von Wasserkraftanlagen

Aufgrund der hohen Sicherheits- und Zuverlassigkeitsansprtiche an Energieerzeugungsanlagen muB der Gewahrleistung eines kontinuierlichen Betriebes bei gleichzeitigem Erhalt der Leistungsfahigkeit der Anlage eine besondere Beachtung geschenkt werden (s. Kapitel 3.1.2 mit Abb. 3.2). Es ist daher von groBer Bedeutung, daB alle Elemente einer Wasserkraftanlage regehnaBig einer strengen, systematischen und optimalen Instandhaltung unterzogen werden, um damit die Verftigbarkeit der Anlage unabhangig auBerer Einfltisse hoch und die Instandhaltungskosten so gering wie moglich zu halten [13.20].

474

13 Krafthaus

Ziel dieser regelmaBig auf der Basis entsprechender Plane vorgenommenen MaBnahmen ist, den Erhalt aller Anlagenteile zu gewahrleisten, Ausfallen vorzubeugen oder im Schadensfalle diesen rasch zu beheben [13.21]/[13.22], wobei man unterscheidet zwischen: - der zustands- und risikoorientierten Instandhaltung, bei der der jeweilige Zustand der Bauteile regehnaBig erfaBt und zum bestmoglichen, aufgrund von Erfahrungswerten unter Einsatz von Expertensystemen ermittelten Zeitpunkt eine MaBnahme eingeleitet wird, um Eingriffe bei VerschleiB-, Ermiidungs- oder sonstigen Erscheinungen vomehmen zu konnen: - Uberwachung aller relevanten BetriebsgroBen, wie beispielsweise Temperaturen, Schwingungen, Lagerspiele, Driicke und Durchfltisse in Maschinen und Hilfsaggregaten etc., - Storungsaufzeichnung und deren Analyse; -

-

der vorbeugenden histandhaltung, die prophylaktisch zur Kosten- und Bauteillebensdaueroptimierung erfolgt (Revision): - Uberpriifen der Sicherheitseinrichtungen (elektrische Schutzschalter, Temperaturftihler, DruckmeBgeber, Leckage- und Drainagesysteme, Erdungssysteme, Brandschutz etc.), - Reinigen von Anlagenkomponenten, Austausch von Filtem etc., - Schmierprogramme, - Nachjustierungen und Regulierungen, - Vermessen und Austausch von VerschleiBteilen, - KontroUe und Emeuerung des Korrosionsschutzes (Farbbeschichtung, Korrosionsschutzanlagenwartung (s. a. Kapitel 8.1.1) etc.) aller Komponenten aus nicht korrosionsbestandigen Metallen, wie z. B. der Turbmen, VerschluBorgane, Rohrleitungen, - KontroUe von elektrischen Kontakten, Schaltem, Erregereinrichtungen etc., - allgemeine KontroUe, - Verbesserungs- und OptimierungsmaBnahmen etc.;

ereignisorientierter Instandhaltung, die nach aufgetretenen Funktionsstorungen bzw. Schadensereignissen vorgenommen wird. - Pannenbeseitigung, - Reparatur. In Anbetracht des komplexen Zusammenwu*kens aller Anlagenteile ist die Wahl einer einzigen Methode nicht zielfiihrend. Daher sollte in alien Anlagen die ereignisorientierte sowie die vorbeugende Instandhaltung angewandt werden. Die aufwendigere, einen hoheren MeB- und Gerateaufwand fordemde zustands- und risikoorientierte Instandhaltung kommt hingegen nur bei Neuanlagen sowie bei groBeren Anlagen zum Einsatz, bei denen es die Wirtschaftlichkeit erlaubt. Mittlerweile bieten auch zahlreiche Turbinenhersteller die Moglichkeit der Femdiagnose durch den Hersteller selbst an, indem iiber entsprechende Schnittstellen auf das lokale Steuerungs- und Leitsystem zugegriffen und unter Umstanden vor allem Probleme in der rechnergestiitzten Steuerung behoben werden konnen.

13 Krafthaus

475

Bei alien InstandhaltungsmaBnahmen kommt der detaillierten Dokumentation derselben im Zusammenhang mit einer Archivierung aller wesentlichen MeB- und Betriebsdaten eine wichtige Rolle zu, da damit die Nachvollziehbarkeit fiir eine eventuell notwendige Schadenserforschung gegeben wird und dartiber hinaus sowohl die Instandhaltungsintervalle als auch die vorzunehmenden MaBnahmen aufgrund der Erfahrungswerte optimiert werden konnen. Auch miissen stets alle wesentlichen Konstruktionsplane und Dokumentationen in der Anlage selbst zur Verfugung stehen. Je nach GroBe und energiewirtschaftlicher Bedeutung der Wasserkraftanlage muB ftir die Listandhaltung ein gewisser Materialbestand bevorratet werden. Hierunter fallen vor allem folgende Komponenten: - VerschleiBteile (Gleitflachen, Bremsen, Ringe, Bolzen etc.); - Telle mit beanspruchungsabhangiger Lebensdauer (Lager, Dichtungen, Kontakte etc., aber unter Umstanden auch ganze Laufrader); - Material zur systematischen Wartung bzw. Revision (Kleinmaterial wie Schrauben, Lagerbuchsen, Isolier- und Verbrauchsmaterial etc.); - Schmiermittel; - Telle mit langer, unsicherer Lieferzeit oder auslaufende, ktinftig nicht mehr gefertigte Produkte, wie beispielsweise elektronische Bauteile; - Sonderanfertigungen fur die Anlage. Die jeweilige Menge der Einzelteile sollte aufgrund der Angaben des jeweiligen Herstellers sowie der Erfahrungen des Betreibers selbst ermittelt werden. Im Rahmen der Instandhaltung konnen auch tiber die leistungserhaltenden ErneuerungsmaBnahmen hinaus auch leistungssteigemde durchgefuhrt werden, indem beispielsweise neue Laufrader mit optimierter Geometric eingesetzt oder eine neue Steuerungs- und Regelungstechnik eingebaut wird. 13.4 [13.1]

[13.2] [13.3] [13.4] [13.5]

[13.6] [13.7] [13.8]

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476

13 Krafthaus

[13.9] Chapuis, J.: Modellierung und neues Konzept fur die Regelung von Laufwasserkraftwerken. In: Schriftenreihe des Institutes fur Automatik der ETH Ziirich (1998), Publikation Nr. 10 [13.10] Vontobel, J. et al.: Rheinkraftwerk Laufenburg, Ausbau 1988-1994. In: Wasser, Energie, Luft 86 (1994), Heft 7/8, S. 161-210 [13.11] Kochs, H.-D. et al.: Einsatz wissensbasierter Techniken zur Teilautomatisierung des Schwellbetriebs von Laufwasserkrafltwerken. In: Elektrizitatswirtschaft 94 (1995), Heft 11, Seite 633-638 [13.12] Zadeh, L. A.: Fuzzy Sets. In: Mormation and Control (1965), Vol. 8, Seite 338-353 [13.13] McNeill, D.; Freiberger, P.: Fuzzy Logic. Miinchen: Droehmer Knaur, 1994 [13.14] Traeger, D. H.: Einfuhrung in die Fuzzy Logik. 2. Auflage. Stuttgart: Verlag B. G. Teubner, 1994 [13.15] Schneider, M.: Habitat- und AbfluBmodellierung fur FlieBgewasser mit unscharfen Berechnungsansatzen. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau der Universitat Stuttgart (2001), Heft 108 [13.16] Friedrich, A.: Logik und Fuzzy Logik. Renningen: Expert-Verlag, 1997 [13.17] Biewer, B.: Fuzzy-Methoden. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1997 [13.18] Bardossy, A.; Duckstein, L.: Fuzzy Rule-Based Modeling with Applications to Geophysical, Biological and Engineering Systems. New York, London, Tokio: CRC Press, 1995 [13.19] Lin, J.-C: Uberwachung von Wasserschlossem in Wasserkraft^verken mit Fuzzy-Control. In: Mitteilungen des Institutes fiir Stromungsmechanik und Hydraulische Stromungsmaschinen der Universitat Stuttgart (2000), H. 19 [13.20] Heimerl, S.: Systematische Beurteilung von Wasserkraftprojekten. In: Mitteilungen des Institutes fur Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2002, Heft 112 [13.21] Comte, B.: Betrieb und Wartung von Wasserkraftwerken. Verbandszeitschrift des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes, Band 57, Baden, 1998 [13.22] Vereinigung Deutscher Elektrizitatswerke e. V. (VDEW) (Hrsg.): Leitfaden fiir die Instandhaltung von maschinentechnischen Einrichtungen in Wasserkraftanlagen. In: VDEW-Materialien, Frankftirt, Nr. M-15/2000

477

14

Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Unter hydraulischen Maschinen versteht man im allgemeinen Maschinen, durch die dem durchstromenden Wasser iiber das Laufrad, Wasserrad o. a. Energie entzogen und diese iiber eine Welle sowie gegebenenfalls iiber ein Getriebe durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch die direkte Nutzung zum Antrieb von anderweitigen Maschinen oder Einrichtungen, wie dies beispielsweise in Miihlen oder Hammerwerken der Fall ist, zahlt hierzu, sie ist heute jedoch bekanntermaBen seltener anzutreffen. Aber auch Pumpen bzw. Pumpenturbinen zahlen zu den hydraulischen Maschinen, bei denen Energie zur Erhohung der mechanischen Stromungsenergie eines Fluids oder Gases eingesetzt wird und die damit im Grunde das Gegenteil von Turbinen darstellen. Zu den Maschinen im engeren Sinne zahlt man auch die das Laufrad umgebenden Konstruktionselemente, die fur die Stromungsfuhrung von besonderer Bedeutung sind. Hierzu zahlen bei Uberdruckturbinen das Spiralgehause, das Leitrad sowie das nach dem Laufrad angeordnete Saugrohr bzw. der Saugschlauch. Entsprechend werden ftir Messungen an den Maschmen - iiberwiegend Druck- und Geschwindigkeitsmessungen - der Anfangsquerschnitt der Einlaufspirale sowie der Austrittsquerschnitt des Saugrohres als Kontrollquerschnitte herangezogen [14.1]/[14.2]. In gleicher Weise werden bei Gleichdruckturbinen der direkte Zulauf, die Regulierorgane sowie das Gehause der Maschine zugeordnet. Die einschlagigen Messungen bedienen sich m diesem Fall einerseits des Zulaufquerschnittes direkt vor dem jeweiligen Regelorgan sowie andererseits nach dem Austrittsquerschnitt bzw. deren Mittelwerte bei mehreren Diisen auf der Austrittsseite (s. a. Kapitel2.1.3). Bei der Vordimensionierung und der Auswahl der jeweiligen Maschinen ist es von besonderer Bedeutung, daB der Planer bzw. Anlagenbetreiber im eigenen Interesse die notwendigen grundlegenden Daten (Fallhohe, DurchfluB bzw. AbfluBdauerlinie, ortliche Lage, ggf. vorhandene Bauteile etc.) moglichst genau aufnimmt. hisbesondere bei der Angebotseinholung liegt die Verantwortung fur diese Angaben alleinig beim Auftraggeber [14.1]. Der auflragnehmende Turbinenhersteller ubemimmt die Garantie fiir die Anlage nur auf der Basis der vorgegebenen Werte; allerdings ist dieser gleichzeitig verpflichtet, auf offensichtliche Problembereiche und nicht plausible Werte hinzuweisen. In diesem Kapitel sollen nun die Grundlagen der hydraulischen Maschinen einschlieBlich deren Bauteile sowie der Pumpen und Pumpenturbinen beschrieben werden, wahrend im nachfolgenden Kapitel 15 auf die unterschiedlichen Maschinentypen zur Energieerzeugung naher eingegangen werden wird. 14.1

Unterscheidungsmerkmale

Man unterscheidet hinsichtlich der Betriebsweise nach DIN 4320 [14.3] zwischen Gleichdruckturbinen (Pelton-Freistrahlturbine, Durchstromturbine etc.) und Uberdruckturbinen (Propeller-, Kaplan-, Rohr-, Straflo-, Francis-Turbine etc.).

478

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Bei Gleichdruckturbinen wird das Laufrad der Turbine druckfrei - abgesehen vom Atmospharendruck - umstromt; die infolge der Fallliohe vorhandene Druckhohe wird am Laufradeintritt vollstandig in Geschwindigkeitshohe umgesetzt. Des weiteren wird das Laufrad nicht vollstandig vom zugeleiteten Wasser erfaBt, sondem lediglich nur ein Teil; bei Pelton-Turbinen sind es im allgemeinen nur einzelne Becher des Laufrades. Bei diesem Maschinentyp ist darauf zu achten, daB das Laufrad nicht im Unterwasser „watet", also in das Wasser eintaucht.

Abb. 14.1: Hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung: Gleichdruckturbinen: a) Pelton-Turbine; b) Durchstromturbine; Uberdruckturbinen: c) Francis-Turbine; d) Kaplan-Turbine [nach 14.3] Uberdruckturbinen hingegen werden vollstandig von dem durchflieBenden Wasser umstromt, an Stelle ernes Frei- bzw. Uberhanges iiber dem Unterwasser tauchen sie in dieses ein und erfahren dort einen Gegendruck; die Druckhohe wird am Laufrademtritt nur teilweise in Geschwindigkeitshohe umgesetzt. Bei diesen Turbinen kommt es zum Druckabfall innerhalb des Laufrades, welcher mit Hilfe eines sogenannten Saugrohres oder Saugschlauches zum groBen Teil zurtickgewonnen werden kann. 14.1.1

Bauweise hinsichtlich Wellenausrichtung und Wasserzufiihrung

Die Wellenlage wird meist horizontal oder vertikal eingerichtet. Bei Anlagen im Nieder- sowie Mitteldruckbereich wird die Welle im Falle von Rohrturbinen (Propeller-, Kaplan-Turbinen) oder Straflo-Turbinen zur Verbesserung der Anstromung vielfach leicht gegen die Horizontale geneigt (s. Abb. 14.2d). Die Wasserzufiihrung geschieht entweder durch Einlaufspiralen aus Beton oder mittels in Beton eingebetteter, geschweiBter Stahlbetonkonstruktionen (s. Abb. 14.2b+c) oder du-ekt durch Zuleitung in einem Schacht (s. Abb. 14.2a) bzw. bei Freistrahlturbmen durch radial ausgerichtete Diisen.

Abb. 14.2: Einteilung nach der Wasserzufiihrung: a) Schachtturbine; b) Turbine mit Betonspirale; c) Spiralturbine; d) Rohrturbine [nach 14.3]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen 14.1.2

479

Einteilung nach der Regelungsart

Es bestehen folgende Moglichkeiten der DurchfluBregelung bei Turbinen: - einfachgeregelt: - Leitradregelung (Francis-Turbine, Propellerturbinen, Straflo-Turbinen); - Laufradregelung (kleine leitradlose Kaplan-Turbinen, Diagonalturbinen, diagonale Pumpturbinen); - Dusenregelung (Pelton-Turbine); - doppeltgeregelt: - Regelung der Leitrad- und Laufradschaufelstellung (Kaplan-Turbine oder Kaplan-Rohrturbine); - Diisen- und Strahlablenkerregelung (Pelton-Turbine). 14.1.3

Einteilung in Abhangigkeit des Durchflusses Q und der Fallhohe hf

Aufgrund der Fallhohe hf und des zur Verfiigung stehenden Durchflusses Q ergeben sich fiir bestimmte Einsatzbereiche die einzebien Turbinentypen, die aus Abb. 14.4 entnommen werden konnen. 14.1.4

Einteilung in Abhangigkeit der spezifischen Drehzahl Uq und der Fallhohe hf

Ein weiteres Unterscheidungskriterium ergibt sich durch die unterschiedlichen Einsatzbereiche infolge der Fallhohe hf und der spezifischen Drehzahl rig, einer VergleichsgroBe, die in Abb. 14.3 dargestellt ist und auf die im nachfolgenden Abschnitt 14.2.3 noch ausfuhrlich eingegangen wu-d. 200011 1000 500 200 100 50 [m]

I I J T I ^ ^ ^

20 10 5 Durchströmturbinen

2

Kaplan-Turbinen Wasserräder 01020 40

60

J 80 100

150

r

L 200

"1

•

nq [min 250

300

350

400

450

Abb. 14.3: Einsatzbereiche unterschiedlicher hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung in Abhangigkeit der Fallhohe hf und der spezifischen Drehzahl n^

480

Abb. 14.4:

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Einsatzbereiche der unterschiedlichen hydraulischen Maschinen in Abhangigkeit der Fallhohe /z/und des Durchflusses Q [nach 14.4]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

14.1.5

481

Langsam-, Mittel-, Schnellaufigkeit

Durch die spezifische Drehzahl rig wird des weiteren noch eine Aussage hinsichtlich der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Eigenschaften des jeweiligen Turbinentyps gemaB Tabelle 14.1 ermoglicht. Tabelle 14.1: Laufgruppen aufgrund der spezifischen Drehzahl rig \\

ria fmin-M

1

10-30 30-60 50-150 110-500

1

14.1.6

Bezeichnung Langsamlaufer Normallaufer Schnellaufer Schnellstlaufer

Eigenschaften kleine Drehzahl oder kleine Schluckfahigkeit mittlere Drehzahl oder mittlere Schluckfahigkeit 1 groBe Drehzahl oder groBe Schluckfahigkeit 1 grofite Drehzahl oder groBte Schluckfahigkeit J

Einteilung nach dem Verwendungszweck und der Betriebsart

Aus den unterschiedlichen Anforderungen an Wasserkraftanlagen lassen sich folgende Betriebsarten ableiten: 1. AusschlieBlicher Turbinenbetrieb zur Stromerzeugung; 2. Turbinenbetrieb zur Stromerzeugung und m Umkehrung Pumpenbetrieb bei Pumpspeicheranlagen mit getrennter Turbine und Pumpe; 3. Einsatz von kombmierten Pumpturbinen in einer einzigen Stromungsmaschme mit umkehrbarer Laufrichtung; 4. Einsatz einer Isogyre-Pumpturbine als nicht reversible Stromungsmaschine, also ohne Anderung der Umdrehungsrichtung bei Betriebsartenwechsel, in Pumpspeicherwerken. 14.2

Bemessungsgrundlagen

14.2.1

Turbinendrehmoment

In Turbinen interessiert in erster Linie das auf das Kontrollvolumen whkende Drehmoment, welches das durchflieBende Wasser m den rotierenden KontroUraumen des Laufrades, also den Raumen zwischen den einzelnen Turbinenlaufradschaufeb und dem jeweiligen Ein- und Austrittsquerschnitt, iiber die Laufradschaufeln auf die Turbinenachse ausiibt. Aus dem 1. Impulssatz und dem Drallsatz der Sromungslehre, erhalt man unter Berticksichtigung des Newtonschen Grundgesetzes von „actio = reactio" das Moment MT, welches das durchstromende Wasser auf die Turbinenachse ausUbt, als Reaktion der von der festen Wandung, also den Laufradschaufehi, ausgehenden Reaktionskraft S auf das Kontrollvolumen (s. Abb. 14.5), wobei diese Gleichung auch als Eulersche Turbinengleichung bezeichnet wird: MT=-Ms=p-Qic2u'r2-Csu-rs)

[Nm]

(14.1)

482

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

mit den Absolutgeschwindigkeiten q, die sich aus den relativen Flussigkeitsbzw. Meridiangeschwindigkeiten Wj im bewegten Kontrollraum und den Kontrollraum- bzw. Umfangsgeschwindigkeiten Uj zusammensetzen (s. Abb. 14.5): Cj =Wi-\- Uj

Ms

[m/s]

(14.2)

Drehmoment auf die Turbinenachse infolge des Wassers Reaktionsmoment der Kontrollraumbegrenzungskraft S Vektor der Absolutgeschwindigkeiten

Ciu /cir tangentialer/radialer Absolutgeschwindigkeitsvektor Wj

Vektor der Wasser- bzw. Meridiangeschwindigkeiten

Uj

Vektor der Kontrollraum- bzw. Umfangsgeschwindigkeiten

A b b . 14.5:

[Nm] [Nm] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s]

Grundlegende Definitionsskizzen fiir die Turbinendurchstromung

Die vom Laufrad abgegebene theoretische Leistung Ptheo ergibt sich dann zu: 2 Ptheo =(0'MT

Ptheo (o n

=^^-'K'n'MT

60

(14.3)

[Nm/s = W]

theoretische Leistung des Laufrades Winkelgeschwindigkeit Drehzahl

[Nm/s = W] [min-^]

Im betrachteten ebenen Fall spielen Volumenkrafte keine Rolle. Momente, welche die Vektoren der Druckkrafte P2 und Ps auf die jeweiligen Kontrollquerschnitte A2 bzw. As sowie die radialen Anteile 'c2r und 'csr der absoluten Bin- bzw. Austrittsgeschwindigkeiten beinhalten, verschwinden ebenfalls, da sie im rotationssymmetrischen Bezugssystem durch die Achse O keinen Hebelarm besitzen. Wahrend die Einstromgeschwindigkeit 'C2 durch entsprechende Vorrichtungen (Dusen in Pelton-Turbinen, Leitschaufelkranz bei Francis-, Propeller- und KaplanTurbinen) erzwungen werden kann, ist die Ausstromgeschwindigkeit Cj und das daraus resultierende Turbinenmoment Mj vom Betriebszustand der Anlage abhangig. Wie aus Abb. 14.5 ersichtlich, fallen bei stillstehender, aber durchflossener Turbine die Relativ- und die Absolutgeschwindigkeit Wj und cJ zusammen. Die Stromungsumlenloing und folglich MT sind maximal. Bei lastfrei drehender Tur-

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

483

bine haben sich C2 und C3 angeglichen, so dal3 keine Impulsmomentabgabe stattfmdet, MT wird deshalb Null. Zur Optimierung der erzielbaren Leistung ist anzustreben, daB am Laufradeintritt die Relativgeschwindigkeit W2 tangential zu den Schaufelenden verlauft, so daB kein StoBverlust auftritt. Wie aus (14.1) ersichtlich ist, sollte die tangentiale Abstromgeschwindigkeit C3u sehr klein sein. 14.2.2

Fallhohe, Energiehohe, spezifische Stutzenarbeit

Wesentliche GrundgroBen fur die Turbinenauslegung sind die Bemessungsfallhohe hf(s. Kapitel 2.1.3), auch nur als Fallhohe bezeichnet, und der Bemessungsdurchflufi Q, gewohnlich als DurchfluB bezeichnet, bei denen die Nennleistung der Turbine erreicht wird, die im allgemeinen wiederum dem hochsten Wirkungsgrad zugeordnet ist. Aus der allgemeinen Bemoullischen Gleichung (2.7) laBt sich eine Beziehung zwischen der Energiehohe unmittelbar vor Laufradeintritt (2), also vor dem Energieliniensprung, und der Energiehohe direkt nach Laufradaustritt (3) aufstellen, die die durch die Turbine abarbeitbare Energiehohendifferenz Ahsj darstellt. In dieser Gleichung miissen bekanntermaBen die Energieverluste hyj infolge Reibung, Regulier- und Absperrorgane, Kriimmer, Ein- und Auslauf, Maschinengruppe etc. einbezogen werden (s. a. Abb. 2.3): AhEj=(z2-Zs)

+ ^^^^^^^^^^^-kj

[m]

(14.4)

AHEJ Energiehohendifferenz in der Turbine [m] Fiir die einzelnen Turbinentypen lassen sich nun einige Aussagen zu den einzelnen, fur sie jeweils ausschlaggebenden Faktoren in (14.4) treffen: 1. Differenz der geodatischen Hohe Azj'. Wesentlicher Anteil bei oberschlachtigen Wasserradem, der bei Turbinen gering gehalten wird. 2. Druckdifferenz Api'. Wesentlicher Anteil bei Francis- und Kaplan-Turbinen, da sich die Geschwindigkeitsbetrage beim Durchlaufen des Laufrades kaum andem. Durch den Abbau der Druckenergie nach Durchlaufen des Laufrades ist dieser Teil bei Uberdruckturbinen maBgebend. Bei Pelton-Turbinen nimmt der Strahl nach Verlassen der Duse den Umgebungsdruck an, womit die Druckdifferenz etwa gegen Null geht. 3. Geschwindigkeitsdifferenz Avj^ bzw. zlc/: Wesentlicher Anteil bei PeltonTurbinen, da die gesamte Energie des Strahls nach Verlassen der Diise in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt wird. Bei Francis- und KaplanTurbinen ist dieser Anteil verschwindend gering.

484

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Die zwischen dem Eintrittsquerschnitt (2) und dem Austrittsquerschnitt (3), vielfach als Saug- und Druckstutzen bezeichnet, maximal nutzbare spezifische mechanische Energie wird auch als die spezifische Stutzenarbeit Y bezeichnet, wobei hier von idealen Zustanden ohne Verluste ausgegangen wird: Y = hf'g Y 14.2.3

[ m V = Nm/kg]

spezifische Stutzenarbeit

(14.5) [Nm/kg]

Spezifische Drehzahl, Drehzahl, Synchrondrehzahl

Da Turbinen nicht standig unter Vollast betrieben werden und damit das Verhalten bei Teilbeaufschlagung ebenso von hiteresse ist, werden zur optimalen Gestaltung eines Turbinenlaufi-ades Leistungsmessungen der Maschine durchgefiihrt. hifolge der hohen Kosten derartiger Versuche nutzt man die geometrischen und hydraulischen Ahnlichkeitsgesetze aus und verwendet hierzu kleine Modelle mit einem Laufi-addurchmesser von ca. 300-500 mm. Die Ergebnisse der Modellversuche konnen anschlieBend anhand von dimensionslosen Kennzahlen auf die Naturausfiihrung Ubertragen werden (s. a. Kapitel 14.2.6.3). Eine der gebrauchlichsten Kennzahlen bei Turbinen stellt dabei die spezifische Drehzahl riq dar, unter der man die Drehzahl einer geometrisch ahnlichen, fiktiven Stromungsmaschine mit dem DurchfluB Qj* = I m^/s und der Fallhohe hi= \m versteht. Dabei bedeutet ein gleiches n^ nur, daB die Maschinen geometrisch ahnlich sind, also die Form der Laufi*adschaufeln sowie deren Schaufelwinkel ubereinstimmen; die TurbinengroBe, d. h. der Laufi'addurchmesser kann jedoch variieren. Die Herleitung der spezifischen Drehzahl rig einer fiktiven Turbine erfolgt nach MOSONYI in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird die Fallhohe dieser Turbine auf h]= Im geandert. Uber das Verhaltnis der Drehzahlen zu den Durchflussen (rii/n) = (Qi/Q) und die aus (12.5) folgende Proportionalitat Q-^^Jy ergibtsich: QI=Q'\T-

N'/S]

(14.6a)

und gleichermaBen laBt sich das Drehzahlverhaltnis darstellen: fH=n' \—

[min-^]

(14.6b)

[min'^j n Turbinendrehzahl (s. Kapitel 16.3.3 bzw. (14.7)) ui Drehzahl derfiktivenTurbine bei hi=\m [min'^] hf Fallhohe [m] hi geanderte Fallhohe derfiktivenTurbine: hi=\m [m] Q TurbinendurchfluB [m^/s] Qi DurchfluB derfiktivenTurbine bei hi=\m [mVs] Im zweiten Schritt wird vorausgesetzt, daB diese Turbine, die jetzt unter einer Fallhohe von /// = 1 m arbeitet, geometrisch vollstandig ahnlich soweit verandert wird, daB ihr DurchfluB genau nur Q* ^\ m^/s betragt. Die so definierte fiktive

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

485

Turbine hat unter der Beriicksichtigung der Kontinuitatsgleichung (2.10) einen verkleinerten Laufraddurchmesser Ds und dreht sich bei gleichbleibender Umdrehungsgeschwindigkeit mit einer spezifischen Drehzahl Uq, woraus sich folgendes Verhaltnis ergibt: ^ - ^

[-]

(14.6c)

Dieses Laufraddurchmesser-Verhaltnis ergibt sich ebenso direkt aus der Anderung des Durchflusses auf g/* = 1 m^/s zu: ^

=#

[-]

(14.6d)

Werden (14.6c) und (14.6d) zu «, =nrD3lD\

=nr-^11^(^1

gleichgesetzt

und anschlieBend (14.6a) imd (14.6b) darin eingefiigt, so ergibt sich mit /// = 1 m und Qi = 1 m^/s:

= Tl'—

Ds Ds riq Qi* Cn

= Tl'—

1

= Tl'—

•'Cn

Laufraddurchmesser Laufraddurchmesser der fiktiven Turbine bei Qi* =\ mVs spezifische Drehzahl geanderter DurchfluB der fiktiven Turbine: Qi* =\ m^/s Dimensionskorrekturfaktor: c„ = 1 m^^^/(mVs)^^^

[m] [m] [min'^] [m^/s] [m^^'^/(mVs)^^^]

Im allgemeinen wird diese Gleichung der spezifischen Drehzahl riq einer Turbine weltweit ohne den Dimensionskorrekturfaktor c„ in der dimensionsunechten Form eingesetzt: nq=n'^

[min-i]

(14.6f)

Aus dieser Herleitung wird deutlich, daB die spezifische Drehzahl Uq nicht nur fiir die geometrisch-hydromechanisch ahnlichen Maschinen gleich ist, sondem sie charakterisiert innerhalb einer Turbinenart (Kaplan-, Francis-, Pelton-Turbine etc.) einen durch ihre geometrische Gestaltung hydromechanisch eindeutig definierten Turbinentyp. Daraus folgt, daB bei einer Anderung der Geometric durch Verandem der Stellung des Leitapparates, der Laufradschaufehi oder der Dtlsenoffiiung etc. auch die spezifische Drehzahl variiert, d. h. daB zu jedem Arbeitspunkt des Arbeitsfeldes emer Turbine eine spezifische Drehzahl gehort. Dartiber hinaus folgt aus dieser Gleichung (14.6f), daB die Drehzahlen n und riq dann gleich sind, wenn g^ V/?/^^ = 1 bzw. Q = hf'^ ist. Damit wird deutlich, daB

486

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

sich bei Niederdruckturbinen mit Q > hf'^ fur die Drehzahlen nq> n und bei Hochdruckturbinen mit Q < hf'^ fiir die Drehzahlen nq< n ergeben. In der intemationalen Praxis ist es iiblich, daB eine Turbine durch eine einzige spezifische Drehzahl gekennzeichnet wird, wozu sich zwei Altemativen mit haufiger Bevorzugung der ersteren anbieten: - die spezifische Drehzahl wird auf den Bemessungspunkt (s. Abb. 14.12) bezogen, bei dem die Turbine ihre Nennleistung bringt, oder - als Bezugswert dient der optimalen Turbinenwu*kungsgrad. Zur Turbinenbemessung konnen aus der Abb. 14.3 diese spezifischen Drehzahlen Hq in Abhangigkeit der unterschiedlichen Fallhohen hf ermittelt werden, wodurch wiederum eine Aussage liber die mogliche, einsetzbare Turbinenart getroffen werden kann. Bei M u h h a d e m bewegen sich die spezifischen Drehzahlen vergleichsweise im Bereich von riq = 2-12 min"\ Da der Generator bei Turbinen meist direkt auf einer Welle mit der Stromungsmaschine selbst angeordnet ist, muB, wie im Kapitel 16.3.3 naher ausgefiihrt wird, die Generatorendrehzahl mit der Drehzahl der Turbine iibereinstimmen (s. auch Tabelle 16.2): n = nsyn= — '60 [min"^] (14.7) P risyn Synchrondrehzahl zur Netzfrequenz [min'^J / Netzfrequenz, in Deutschland i. d. R . / = 50 Hz [Hz] n Drehzahl der hydrauHschen Maschine bzw. Maschinengruppe [min "^] p Polpaarzahl des Generators s. auch Tabelle 16.2 [-] Friiher war auch die spezifische Drehzahl /i, gebrauchlich, die sich auf die Turbinenleistung PT nach (2.11) anstatt auf den DurchfluB Q einer geometrisch ahnlichen Turbine bezieht, die bei einer Fallhohe von /?/= 1 m die Leistung von PT = 1 k W erzeugt: fts

=n-

hf

[min^]

(14.8a)

ris spezifische Drehzahl bezogen auf die Turbinenleistung [min"^] Von dieser Beziehung ausgehend lal3t sich ein unmittelbares Bild uber den Zusammenhang von Turbinenleistung Pj und Fallhohe ///einerseits und von der Turbinendrehzahl n und der spezifischen Drehzahl ris andererseits gewinnen, der aus der Abb. 14.6 hervorgeht. Tragt man die Fallhohe (iber der Turbinenleistung auf, so trennt die fur PT=hf'l^

[kW] (14.8b) m' aufgetragene, dunensionskorrigierte Kurve zwei Bereiche: Der oberhalb der Kurve liegende Bereich kennzeichnet spezifische Drehzahlen, die unter der Turbinendrehzahl {ug < n) liegen, dagegen verhalt es sich mit dem unteren Bereich gerade umgekehrt, indem hier ns> n ist.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen 200h,[m]

487

566 : n3
150-

y^%

\^^^^^^

= n furiP^ = h / i - 1 • (kW/m'^')

100-

50-

:

;

100

200

i n3>n :

18

300

400

500 P^ [MW]

Abb. 14.6: Zusammenhang zwischen Turbinendrehzahl und spezifischer Drehzahl [nach 14.5] Da in der Turbinenleistung PT jedoch der Turbinenwirkungsgrad TJT enthalten ist, ist eine Vergleichbarkeit nicht unbedingt gegeben. Daruber hinaus laBt sich dieser Wert rig im Gegensatz zu riq nicht gleichermaBen fur Turbinen und Pumpen benutzen. Der Zusammenhang zwischen beiden spezifischen Drehzahlen ergibt sich fur Turbmen mit einem angenommenen Turbinenwirkungsgrad von rjx « 0,95 zu: ris = 3,13'yjyi^

-Hq^ 2,97'Hq

[min'^]

(14.9a)

und fur Pumpen zu: n,=3,13'rtq 14.2.4

[min^^]

(14.9b)

Dimensionslose Kennwerte

Neben den bereits erwahnten dimensionslosen Kennwerten Reynolds-Zahl Re und Froude-Zahl Fr kommen bei der Berechnung von Stromungsmaschinen einige weitere Kennwerte gelegentlich zur Anwendung. 14.2.4.1 Druckzahl i/f Die Druckzahl ^gibt das Verhaltnis zwischen der spezifischen Stutzenarbeit zur Umfangsgeschwindigkeit Us an, wobei hier vor allem auf die einheitliche, vergleichbare Festlegung der Umfangsgeschwindigkeit geachtet werden muB: 28-h,

(14.10)

U} Umfangsgeschwindigkeit des Wassers am Laufradaustritt [m/s] [m] Dj LaufradauCendurchmesser Bei Gleichdruckturbinen ergeben sich Werte fur ^^zu if/= 4,5-5,5 und bei Uberdruckturbinen zu ii/= 2,0-3,5.

488

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

14.2.4.2 Durchflufizahl (p Die DurchfluBzahl cp, gelegentlich auch als Lieferzahl (p bezeichnet, ist das Verhaltnis der Meridiangeschwindigkeit w zur Umfangsgeschwindigkeit u\ q) = —= ^ ^ u

As'Us

=

= —, As-n-Ds-n

—=

D3 n n-Ds-n

2

2—

H

(14.11)

Ds -n -n

A3 Querschnittsflache des Laufradaustrittes [m^] 14.2.4.3 Leistungszahl IT Mit Hilfe von TJkann die Leistung P einer Anlage dimensionslos angegeben werden. Unter Beachtung der Gleichung der Druckzahl i//, welche proportional zur Stutzenarbeit Y ist, und der Gleichung der DurchfluBzahl
n = ((pv|/)K H 77

(14.12b)

Leistungszahl

[-]

14.2.4.4 Laufzahl ai Bei der Dimensionierung von Stromungsmaschinen, im besonderen bei der stromungstechnisch relevanten Berechnung der Laufrader und der Abschatzung der Kavitation, hat die Laufzahl o^,, welche auch unter der Bezeichnung Schnellaufzahl bekannt ist, erne groBe Bedeutung. Zwischen der Laufzahl o^ und der spezifischen Drehzahl rig besteht folgender Zusammenhang: a , = ^ =^ ^ v]/'/' 157,8 (TL

[.]

Laufzahl

(14.13) [-]

14.2.4.5 Durchmesserzahl S Wahrend die Druckzahl i//, die DurchfluBzahl ^, die Leistungszahl 1 KenngroBen fur das Betriebsverhalten sind, kennzeichnen die Laufzahl o^ und die Durchmesserzahl <^die Bauart des Turbinentyps:

S 14.2.5

Durchmesserzahl

[-]

Druckkennzahlen zur Kavitationsbeurteilung

Zur Vermeidung von Kavitationsschaden im Anlagenbereich der Turbine allgemein, sowie insbesondere an den Laufradflachen der Kraftmaschine selbst, sind die Thoma-Zahl 077, und die Saugkennzahl Sq wichtige Beurteilungsparameter.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

489

14.2.5.1 Thoma-Beiwert (TTII Kavitation tritt bekanntermaBen immer dort auf, wo der Flussigkeitsdruck infolge hoher Stromungsgeschwindigkeit kleiner als der Dampfdruck im Wasser wird, also bei Stromungsmaschinen insbesondere im Bereich der Laufradruckseite sowie der AbriB- bzw. Abstromkante (s. Kapitel 12.2.5). Um nun den kavitationsfreien Betrieb von Stromungsmaschinen einschatzen zu konnen, bedient man sich des von THOMA gefundenen, in Experimenten nachgewiesenen Thoma- oder Kavitationsbeiwertes (Jrh, der die Stromungsverhaltnisse auf der Laufradruckseite zusammenfaBt und der fur Turbinen in Abb. 14.7 wiedergegeben ist. Anwendung findet dieser Beiwert beispielsweise bei der Ermittlung der Saughohe bzw. der Turbinenlage beziiglich des Unterwassers, wie dies in (14.37) im Abschnitt 14.3.1.2 beschrieben ist. /'

0,5 Pur mpen ( ~ P umpe nturb inen)

Th

/

2,5 Th

0,4

/^ //

/ /

0,3

//^

y

2,0 1,5

/

groJ ße Sch uc kfä hig ke t

1,0

0,2 0,5

Fra ncis- Turbinen

0

0,1

0

a

30

kleine Schluckfähigkeit 150

200

250

nq

30(0

b 50

100

n

140

Abb. 14.7: Thoma-Beiwert 077, fur Turbinen in Abhangigkeit von riq. a) Francis-Turbinen und Pumpenturbinen; b) Rohr- und Kaplan-Turbinen [nach 14.6] Der dhnensionslose Thoma-Beiwert GT^ ist im wesentlichen von folgenden Faktoren abhangig: - spezifische Drehzahl riq, - Oberflachenausbildung und Profilform des Laufrades; - Wirkungsgrad TJT der Turbine; - Gasgehalt und Temperatur des Wassers; - Laufzahl O/,. Aus der Vielzahl der EinfluBfaktoren wird ersichtlich, daB ein eindeutiger Kavitationsbeiwert fiir eine bestimmte spezifische Drehzahl nicht ermittelt werden kann (s. Abb. 14.7). Grundsatzliches Ziel bei der Kavitations- und damit Schadensvermeidung an Bauteilen muB eine derartige stromungstechnische Ausgestaltung sein, die den unvermeidbaren Luftblasenzerfall von der Berandung weg hin in die Stromungsmitte verlagert (s. Kapitel 14.2.7).

490

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

14.2.5.2 Saugkennzahl Sq Eine weitere Kennzahl in diesem Zusammenhang ist die Saugkennzahl Sq, die sich im Gegensatz zum Thoma-Beiwert auf die Stromungsverhaltnisse auf der Laufradsaugseite bezieht. In der Tabelle 14.2 sind einige Werte fur Sq in Abhangigkeit von nq fur VollastdurchfluB angegeben. Tabelle 14.2: Saugkennzahl Sq in Abhangigk:eit von riq 1 Francis-Turbine 1 Kaplan-Turbine

rig [min'^J Sa\-^ rig [min"^]

I

MJ

1!

30 0,98 140 0,82

60 0,96 170 0,76

90 0,91 200 0,70

120 1 0,86 230

0,64 1

14.2.5.3 Zusammenhang zwischen am und Sq tjber die jeweilige Definition der Kennzahlen arh und Sq, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soil, laBt sich ein Zusammenhang zwischen beiden herstellen, durch den gleichzeitig die Empfindlichkeit der Laufrader gegentiber Kavitation sowohl von der Ausftihrung der Saugseite als auch von der Laufradgestalt insgesamt verdeutlicht wird: GjT,

2.304,3

(rtq/Sqr'

[-]

(14.15)

14.2.5.4 NPSH-Wert Im englischen Sprachraum wird vor allem bei Pumpen und zunehmend auch bei Turbmen anstelle der Haltedruckhohe der Begriff „Net positive suction head" bzw. NPSH verwandt. Bei Pumpen gibt dieser Wert die Druckhohe an, die tiber dem Sattigungsdruck des Wassers am Pumpensaugstutzen vorhanden sein muB, damit keine Kavitation auftritt. Der Anlagenwert gibt die tatsachlich vorhandene Druckhohe am Pumpensaugstutzen an. Um einen kavitationsfreien Betrieb zu gewahrleisten, muB der Anlagenwert also tiber dem Pumpenwert liegen (s. auch Kapitel 14.5.1.3). 14.2.6

Turbinenkennlinien

14.2.6.1 Turbinenwirkungsgrad Da ein Teil der Energie sich bekanntermaBen infolge Reibung irreversibel in Warmeenergie verwandelt und des weiteren Verluste direkt am Leitapparat bzw. an der Freistrahlduse sowie hn Laufradbereich einer Turbine auftreten, wird die vollstandige, theoretisch vorhandene Energie nicht nutzbar sein. Diese Differenz erfaBt man mit der Definition des Turbinenwirkungsgrades TJT als Verhaltnis zwischen der effektiv erreichbaren Leistung P (2.11) und der theoretisch erzielbaren Leistung Ptheo (14.3): ^T=P/P,>,,„ [-]

(14.16)

der sich analog ftir Pumpen ergibt. Zur Verdeutlichung sind in der nachfolgenden Abbildung 14.8a einige Werte ftir die Wirkungsgrade unterschiedlicher Turbinen in Abhangigkeit des Durchflusses

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

491

wiedergegeben. Aus dieser Abbildung werden auch gleichzeitig die unterschiedlichen Einsatzbereiche der verschiedenen Turbinentypen deutlich. Mit den im Kapitel 14.1.2 bereits aufgefuhrten unterschiedlichen Moglichkeiten der DurchfluBregelung bei Turbinen kann der Wirkungsgradverlauf einer Turbine beeinfluBt werden, w^ie dies aus Abb. 14.8b erkennbar w^ird.

100 90

\®

TIT 50

/ / /

C^ A: verstellbare Laufradschaufeln und verstellbare Leitschaufeln (Kaplan-Turbine) B: verstellbare Laufradschaufeln und feste Leitschaufeln (Kaplan-Turbine) C: feste Laufradschaufeln und verstellbare Leitschaufebi (Propellerturbine)

/

1'

30 20 10

0

^?^

f

/

[%]

40

'

-^ // B .

,« 60

TT^- ' '

A^

80

/ /

t.

10

PTTK^

20

30

40

50

60

70

80

90

100

^

110 120

Abb. 14.8: a) Wirkungsgrade von Turbinen [14.7]; b) Vergleich der WirkungsgradKennlinien bei Propeller- und Kaplan-Turbinen bei unterschiedlicher Regelungsart [14.5] Es wh-d aus dieser Abbildung ersichtlich, daB Propeller- bzw. Rohrturbinen (s. Abb. 14.8b, Kurve C), bei denen nur die Leitschaufebi verstellbar sind und damit zur DurchfluBregelung herangezogen werden konnen, vor allem bei Wasserkraftanlagen mit sehr gleichmaBigem DurchfluB eingesetzt werden sollten, da auBerhalb des optimalen Bereiches der Wirkungsgrad stark abfallt. Dieser steile Abfall der Wu-kungsgradlinie wird insbesondere durch den starken Drall des die Turbine verlassenden Wassers hervorgerufen, der sich aus dem ungunstigen Anstromwinkel bei Teilbeaufschlagung ergibt.

492

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Durch die gleichzeitige Verstellmoglichkeit der Leit- und Laufradschaufeln bei Kaplan-Turbinen (s. Abb. 14.8b, Kurve A) kann auch bei veranderlicher Beaufschlagung mit guter Aimaherung ein Austritt des Triebwassers ohne Drall erreicht werden, wodurch wiederum die Verluste sowohl im Laufrad als auch im Saugschlauch sinken und die Wirkungsgradkurve einen weitaus flacheren Verlauf erhalt. Durch diese Regelung kann fiir einen sehr viel groBeren Beaufschlagungsbereich eine gute Energieausbeute erzielt werden. Der Wirkungsgradverlauf der mit festen Leitschaufehi ausgertisteten KaplanTurbine (s. Abb. 14.8b, Kurve B) verlauft zwischen denen fur Propeller- und normalen Kaplan-Turbinen. Diese Kurve liegt dabei naher an der Kurve der doppelt regulierbaren Kaplan-Turbinen, da bei kleiner Beaufschlagung dank der feststehenden Leitschaufehi zwar Verluste auftreten, aber die Austrittsgeschwindigkeit und der Austrittsdrall infolge der Verstellbarkeit der Laufradschaufeln auf ein wesentlich geringeres MaB als bei Propellerturbinen vermindert werden konnen. 100

80

60

40

20

0

20

40

60 80 100 Beaufschlagung Q [%]

120

Abb. 14.9: Ableitung der Wirkungsgradkennlinie der Kaplan-Turbine aus den Kennlinien von Propellerturbinen mit unterschiedlichen Laufradschaufelstellungen /? [14.5] Der Unterschied bzw. der Zusammenhang zwischen dem Verhalten der Wirkungsgradkurven von Propeller- und Kaplan-Turbinen wird aus der Abb. 14.9 deutlich, in der die Wirkungsgradverlaufe unterschiedlicher Propellerturbinen dargestellt sind (rjr bis //^-Kurven), deren feste Laufradschaufehi in Abhangigkeit von der Beaufschlagung in verschiedenen Winkeln /? gestaffelt sind. Wie aus dem Diagramm deutlich wh-d, gibt jede Propellerturbine bei gleichbleibender Fallhohe bei einer bestimmten Leitradoffiiung a, den giinstigsten Wirkungsgrad an. Eine optimal konstruierte Kaplan-Turbine kann nun durch die beweglichen Laufradschaufeln und den beweglichen Leitapparat einen Wirkungsgradverlauf erzielen, der sich quasi aus den Maximalwerten der einzehien Propellerturbinen ergibt (77-

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

493

Kurve in Abb. 14.9). Da es jedoch nicht moglich ist, eine iiber einen weiten Bereich optimal arbeitende doppelt regulierte Kaplan-Turbine zu konstruieren, muB die Turbinenkonstruktion und damit insbesondere die Schaufelform ftir eine bestimmte Fallhohe ausgelegt werden, so daB die Turbine innerhalb gentigend weiter Grenzen mit moglichst geringen Verlusten infolge Ausstromdrall arbeitet. Die Wirkungsgradlinie einer Kaplan-Turbine mit fester Leitapparatoffiiung ao ergibt sich durch die Projektion von den einzelnen Offiiungslinien auf die entsprechenden Wirkungsgradkurven (//^-Kurve in Abb. 14.9). Die Wirkungsgradkurve von Pelton-Turbinen (s. Abb. 14.8a), die iiber eine Diisen- und gegebenenfalls noch eine Strahlablenkerregelung verfugen, verlauft im Vergleich zu den anderen Turbinentypen am flachsten. Der beste Wirkungsgrad liegt je nach MaschinengroBe und spezifischer Drehzahl zwischen 88 % und 91 %. Voraussetzung fiir einen besonders guten Wirkungsgrad ist, wie spater im Kapitel 15.3 noch ausfuhrlicher erlautert wird, daB die spezifische Drehzahl eine obere Grenze nicht uberschreitet bzw. das Strahlverhaltnis nicht unter einer unteren Grenze liegt. Gewohnlich verschlechtert sich der Wirkungsgrad sowohl mit steigender spezifischer Drehzahl als auch mit dem Sinken der Leistung. Der flache, Uberaus gtinstige Wirkungsgradverlauf erklart sich hauptsachlich dadurch, daB sich in Freistrahlturbinen die Eintrittsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Fallhohe, aber veranderlichem DurchfluB kaum andert. Francis-Turbinen, bei denen stets nur der Leitapparat zur Regulierung herangezogen werden kann, sind innerhalb des Bereiches von Uq = 30-60 min"^ durch gtinstige Wirkungsgradlinien gekennzeichnet (s. Abb. 14.8a) und erreichen im Bereich von rig = 40-60 min"^ maximale Werte. Bei Beaufschlagungen von 65-95 % kann der Wirkungsgrad in Abhangigkeit der MaschinengroBe und der spezifischen Drehzahl Werte im Bereich von 90-93 % erreichen, womit dieser Turbinentyp iiber den Werten der Pelton-Turbine (ca. 88-91 %) liegt. Die Verhaltnisse verschlechtem sich mit steigender spezifischer Drehzahl zusehends, um ab Werten von «^ = 60min"^ steiler abzufallen und ab «^ = 90min'^ einen ausgesprochen spitzen Verlauf einzunehmen, wobei diese Abnahme vor allem aus dem zunehmenden Diffusorverlust resultiert. Eine Steigerung des Wirkungsgrades kann bei iiber oder unter dem optimalen Bereich liegender spezifischer Drehzahl durch eine zweistromige Ausfiihrung, unter Umstanden durch Fortlassen des AuBenkranzes oder beides erreicht werden. Eine (Jbergangsform zwischen der Kaplan- und der Francisturbine stellt schlieBlich die in Kapitel 15.1.1.3 naher beschriebene Diagonalturbine dar, deren Wirkungsgradverlauf aufgrund der regelbaren Laufradschaufehi uber dem emer Francis-Maschine liegt. Der Wirkungsgradverlauf bei Durchstromturbinen hangt von der Beaufschlagung der Maschine ab und kann uberschlagig im gesamten Arbeitsbereich mit 80 % angesetzt werden, wobei Werte bis zu 86 % erreicht werden konnen. Weitere Details hierzu insbesondere im Zusammenhang mit der Beaufschlagung sind im nachfolgenden Kapitel 15.4, insbesondere in Abb. 15.28 aufgeftihrt. In der Entwicklung werden heute die meisten Maschinensatze, vor allem bei groBeren Ausfiihrungen, mit Hilfe von numerischer Stromungssimulation oder Modellversuchen optimiert sowie anhand von Erfahrungswerten ahnlicher Maschinen ausgelegt (s. a. Abschnitt 14.2.7). Die Hersteller gewahrleisten dann die

494

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

aufgrund dieser Untersuchungen ermittelten Wirkungsgradwerte fur den Betrieb, deren Erreichen im Rahmen der Abnahmemessungen nachgewiesen wird. Bei der Modemisierung alterer Maschinensatze ist beispielsweise allein durch die optimierte Laufrademeuerung ein Gewinn von 5 % bis uber 50 % der jahrHchen Energieproduktion zu erreichen. Bei Anlagen mit mehreren Maschinensatzen miissen deren Betriebsverhalten so optimiert werden, daB das Hinzuschalten eines weiteren Maschinensatzes dann erfolgt, wenn der Gesamtwirkungsgrad der bisher in Betrieb befindlichen Maschinensatze niedriger wird als der um den weiteren Maschinensatz veranderte neue Gesamtwirkungsgrad. Gleiches gilt in umgekehrter Weise beim Abschalten einzebier Maschinensatze, so daB sich der Wirkungsgradverlauf der Gesamtanlage innerhalb eines Bandes bewegt, das nach oben durch den maximalen Wirkungsgrad und nach unten durch Wirkungsgrad beim Zu- bzw. Abschalten eines Maschinensatzes begrenzt wird. Ziel muB dabei stets ein optimaler Wirkungsgrad der Gesamtanlage sein. 14.2.6.2 Leistungs-, Wirkungsgrad- und Drehmomentenkennlinie Die Leistungsabgabe der Turbine laBt sich aus dem gemessenen Drehmoment Mr an der Turbinenachse und der zugehorigen Drehzahl n ermitteb. Dabei werden die Fallhohe /?/und die Leitschaufeloffiiung ao konstant gehalten (s. Abb. 14.10). Kennzeichnend fur die Turbinen ist der annahemd parabelformige Verlauf der Leistungskennlinie P(n) und Wirkungsgradkennlinie riT(n)\ die Drehmomentenkennlinie MT(n) zeigt hingegen einen nahezu linearen Verlauf auf. I—~^ P >y max, theo ^T.opt

MT,max

.M

a 2 M,. (n, r"" "—^^^ .

1,00

\

l/^

0,75

\ yp P

0,50 t ^T(nn)

Q 0,25 \MT \ \

0

0 Dn

Abb. 14.10: Leistungs-, Wirkungsgrad- und Drehmomentenkennlinie einer Turbine in Abhangigkeit von n bei hf= const, und Oo = const, [nach 14.8]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

495

Folgende charakteristischen Eigenschaften lassen sich aus Abb. 14.10 festhalten: Stillstandsmoment Bis zum Stillstand der abgebremsten Turbine (n = 0) aus der Nenn- bzw. Betriebsdrehzahl n = Un ergibt sich ein Maximum fUr das Drehmoment von MT(n = 0) ^2'MT(n = «^. Dabei gehen die Turbinenleistung und folglich auch der Wu-kungsgrad der Anlage gegen Null. Durchgangsdrehzahl Fallt die Last an einer Turbine beispielsweise infolge eines Kurzschlusses plotzlich ab und bleibt dabei die Offiiung der Turbine nahezu unverandert, so stellt sich die fur die Turbine typische hochstmogliche Drehzahl ein, da auch in diesem Fall zur Vermeidung von DruckstoBen die AbschluBorgane nur mit einer relativ langsamen SchlieBgeschwindigkeit geschlossen werden konnen. Versagen nun daruber hinaus auch die Regler und NotverschluBorgane, so kommt es zum sogenannten Durchgehen der Maschine, bei dem die verfugbare Energie innerhalb der Maschine vollstandig in Energieverluste (Warme, Schall) umgesetzt wird. Dieser Belastung mussen die hydraulischen Maschinen und Generatoren (s. Kapitel 16.5.6) standhalten konnen. Bei einem Maximalwert der Drehzahl (nT^2'n„) ergibt sich der kleinste Wert des Drehmomentes (Mr = 0), wobei auch hierbei Turbinenleistung und Wirkungsgrad gegen Null gehen (s. auch Abb. 14.1 lb). Bei Francis-Turbinen betragt die Durchgangsdrehzahl nd=kd' n„ ca. das 1,6- bis 2,0fache, selten auch das 2,2fache der Betriebsdrehzahl n„, bei Pelton- und Durchstromturbinen etwa das 1,8- bis l,9fache, bei Kaplan-Turbinen rund das 2,2- bis 2,7fache, bei Propellerturbinen ca. das 1,8- bis 2,2fache und bei Pumpen im Turbinenbetrieb etwa das 1,4- bis l,8fache. Leistungsmaximum Die maximale Leistung P^jjox nach (14.3) unter Beriicksichtigung des Wirkungsgrades nach (14.16) und der maximale, also optimale Wirkungsgrad Tjopt werden erreicht, wenn die Betriebsdrehzahl n„, fiir welche die Turbine konzipiert wurde, eintritt (s. auch Abb. 14.1 lb). 14.2.6.3 Muschelkurven und Muscheldiagramme Die in Modellversuchen (s. Kapitel 14.2.3) bei unterschiedHchen Stellungen der Regulierorgane gemessenen ModellgroBen QM, HM, riM, TJM sowie o^/j, rig werden fur eine geometrisch ahnliche, fiktive Einheitsturbine umgerechnet, die einen Laufraddurchmesser von Djj = 1 m besitzt und unter einer Fallhohe h]i = Im arbeitet, damit die verschiedenen Turbinentypen in der Praxis einheitlich charakterisiert werden konnen. Aus diesen Vorgaben erhalt man Uber die EinheitsgroBen den EinheitsdurchfluB Q]] als Funktion der ModellgroBen: a ' = e - - # ^

=- 7 7 ^

[m'/s]

(14.17)

496

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

sowie die Einheitsdrehzahl uu'. nn=nM~

j= = nM'-r=

[mm]

(14.18)

QII/QM Einheits-ZModelldurchfluB [mVs] [m] Dii Laufraddurchmesser der Einheitsturbine: Dn = 1 m DM Laufraddurchmesser der Modellturbine [m] hjj Fallhohe der Einheitsturbine: /zyy = 1 m [m] HM Fallhohe der Modellturbine [m] nii/riM Drehzahl der Einheitsturbine/des Modells [min'^] wobei diese in der Praxis gebrauchlichen Schreibweisen der Gleichungen den Schonheitsfehler haben, daB die Einheitswerte als Kennzahlen dimensionsbehaftet und die Gleichungen damit letztlich nicht dimensionsecht sind (s. Kapitel 14.2.3) [14.7]. Die nun aus Modellversuchen gewonnenen Verlaufe von Qu{nii) bei konstant gehaltener Leitradoffiiung GQ bzw. konstant gehaltenen Regulierorganen sowie die Turbinenwirkungsgrade rjrfnj]) werden in einem //T-w/y-Diagramm aufgetragen. Projiziert man anschlieBend jeweils Punkte gleichen Wirkungsgrades - in Abb. 14.11 exemplarisch die Punkte 1 -6 - auf die ihnen jeweils zugeordneten aoLinien und verbindet diese Punkte gleichen Wirkungsgrades mit einer Linie, so erhalt man im gyy-wyy-Diagramm die sogenannten Muschelkurven entsprechend ihrem Aussehen, deren Schar wiederum das Muscheldiagramm bildet. Durch Verwendung der EinheitsgroBen fiir nu und Qu konnen diese Diagramme auf Naturausfuhrungen angewandt werden und als Grundlage zur Dimensionierung der Turbinen dienen. Beriicksichtigt man neben den genannten Proportionalitatsbeziehungen weiter die aus der Geometric folgenden Proportionalitaten, so laBt sich der DurchfluB Q wie folgt darstellen:

Q-Qir^'D's

[mVs]

(14.19)

und ebenso die Drehzahl n: n = njj'

Ds

[min^]

(14.20)

Mit Hilfe dieser Gleichung (14.19) kann man nun die spezifische Drehzahl riq ausdriicken, wenn man samtliche Einheitswerte sowohl fiir ng nach (14.6f) als auch flir rtu berucksichtigt: ^^=^'i^-

n

U075

=nir4Qii

[«^in ]

(14.21)

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

1'2

497

[mVs]

Abb. 14.11: Muscheldiagramm: Konstruktion aus den Wirkungsgradlinien 777^ bei unterschiedlicher Leitradoffnung ao- [nach 14.9] Mit Hilfe der Gleichungen (14.19), (14.20) und (14.21) und einem Muscheldiagramm stehen gleichzeitig die GrundgroBen D3, n und riq fiir die Turbinenvorbemessung (s. Kapitel 15) zur Verfugung, da durch die angestrebte optimale Auslegung rin und damit Qu (s. Abb. 14.12) gegeben sind. Da die Verluste bzw. der Wirkungsgrad ;; im Gegensatz zu den anderen GroBen und Kennwerten nicht genau dem Froudeschen Ahnlichkeitsgesetz folgen, muB zum Ausgleich dieses MaBstabeffektes bei der Umrechnung eine halbempirische Formel verwandt werden, wie beispielsweise die haufig angewandte Formel von HUTTON [15.1], in die die Reynolds-Zahl Eingang fmdet: 0,125

^-^• = 0-^(?,7.f^^l-r[M

Re

[-]

(14.22)

Aus einem Muscheldiagramm konnen einige charakteristische Betriebszustande einer Anlage abgelesen werden. In Abb. 14.12 ist das Muscheldiagramm einer Francis-Turbine beispielhaft aufgefiihrt, aus dem folgendes entnommen werden kann: - optimaler DurchfluB Qu um den Maschinensatz im Bereich der Nenndrehzahl Hn zur Frequenzhaltung sowie mit optimalem Wirkungsgrad rfj zu fahren; - Betriebsbereichsbegrenzung durch hmm/hmax bzw. Qmm/Qmax (beispielsweise durch Hochwasser); - Betriebsbereichsbegrenzung durch Leerlauf- und Vollastlinie; - Anfahren der Turbine mit riu = 0; - Durchgangsdrehzahl bzw. Leerlauf fiir TJT = 0,

498

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen - Bemessungspunkt a«=l,0

^aufsteigendes Qy^

nii'min n„Tp^=n„

n,T^,

n^ [min']

•

Abb. 14.12: Muscheldiagramm: charakt. Betriebszustande (Francis-Turbine) [14.5] F^^gO-i^O-eo; on : : : :

..:.. . . j . . . | . . .

TTT7

"ThrTf-fi-'fv'iRSi^

-100 Grins'

TIT

•^0;—

^B^^B ;|;ivljy.l|L!tpf^^

•AiM,ik-i 1^

^H •-i-r>^~±^^^^\..^,.:

100 150 (°/n(ii^3,))100-

.J...

;..:..^ \oj

100 150 (n/n(Ti^J)-100-

200

Abb. 14.13: Muscheldiagramme: a) Pelton-Turbine rig =16,3 min"^; b) Francis-Langsamlaufer «^ = 23 min"^; c) Francis-SchnelUaufer rig = 90 min"^; d) KaplanTurbine rig = 160 min"^ [14.7]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

499

In Abb. 14.13 sind zum Vergleich fur vier unterschiedliche Turbinentypen die jeweiligen charakteristischen Muscheldiagramme gezeigt. Es wird daraus nochmals deutlich, daB zu jedem Turbinentyp ein spezielles Muscheldiagramm gehort, das in Modellversuchen ermittelt werden muB. Auch andere Formen der Muschelkurven sind moglich. So kann der Wirkungsgrad r]T in Abhangigkeit von der Fallhohe hf oder der Leitradstellung GQ aufgetragen werden oder auch die Turbinenleistung P in Abhangigkeit der EinheitsgroBen riu und Qu. Grundbedingung auch hier ist die Einhaltung der hierfur geltenden Modellgesetze. 14.2.7

Numerische Stromungsberechnung

Heute stellen numerische Stromungsberechnungen mit Hilfe von Stromungsmodellen und der FE- bzw. Finiten-Volumen-Methode eine kostengunstige Alternative zu den in der Kegel aufwendigen und kostenintensiven Modellversuchen zur optimalen Turbinenauslegung auch bei kleineren Wasserkraftanlagen dar. Mit diesem Hilfsmittel konnen die fur eine bestmogliche Energieausbeute entscheidenden Stromungsverhaltnisse im gesamten Krafthaus- bzw. Maschinenbereich simuliert und durch iterative Veranderungen optimiert werden. Dabei ist die Ausbildung einer gleichmaBigen Durchstromung aller Maschinenbauteile, also beginnend beim Einlaufbereich einschlieBlich der Rechenanstromung (s. Kapitel 5.1.4) tiber die Leitrader und Turbinenschaufehi bis hin zum Saugschlauch ohne verlustintensive Verwirbelungen und KUckstromungen ausschlaggebend. Vergleichende Modellund Feldversuche haben gezeigt, daB die numerischen Methoden ausreichend genaue Ergebnisse liefem, um auf diese Weise Problemlosungen zu erarbeiten (s. a. Kapitel3.1)[14.10]/[14. 11]. Neben einer Optimierung der Energieausbeute kann so auch beispielsweise eine Verminderung der Abrasionsschaden erzielt werden, indem virtuelle Sandpartikel durch die Turbine geschickt und anschlieBend die Stromungsberandungen so verandert werden, daB die Partikel in der Stromung gehalten werden und nicht an die Berandungsflachen stoBen, wo sie durch eine Energieabgabe Schaden verursachen wtirden. Ebenso kann auf diesem Weg die Gefahr der Kavitation minimiert werden, indem durch eine optimierte Stromungsfuhrung die kavitationsfordemde Wirbelbildung reduziert wird. Von besonderer Bedeutung ist ebenso, daB neben einer Darstellung der Stromung auch beispielsweise die Druckverhaltnisse visualisiert werden konnen, wodurch Zonen besonderer Beanspruchung, die einer weiteren Optimierung bediirfen, deutlich werden. Auch konnen damit das Betriebsverhalten in unterschiedlichen Zustanden (Laufruhe, Uberlast etc.) betrachtet und zahheiche fur die Turbinenherstellung und den Betrieb bedeutende GroBen (Wirkungsgrad, Leitschaufelmomente, Spannungen, Dehnungen, Durchgangsdrehzahl, Wellenbelastung etc.) ermittelt werden. SchlieBlich konnen die bei den Berechnungsverfahren ermittelten Daten auch direkt an die Fertigungsmaschinen weitergegeben werden, wodurch eine hohere Prazision sowie eine Kosteneinsparung im FertigungsprozeB zu erzielen sind.

500

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Zur Verdeutlichung sind in den nachfolgenden Abbildungen 14.14-14.16 vereinfachte Darstellungen einer Einlaufspirale, eines Kaplan-Laufrades sowie eines Kniesaugschlauches mit einigen Stromfaden dargestellt.

Abb. 14.14: Strömung in einer Einlaufspirale einer Niederdruckanlage [nach 14.12]

Abb. 14.15: Durchstromung einer Kaplan-Turbine [nach 14.12]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

501

Abb. 14.16: Durchstromung eines Kniesaugschlauches einer Kaplan-Turbine [nach 14.12] 14.3

Turbinenbauteile

14.3.1

Bauteile von Uberdruckturbinen

Die Bauelemente von Uberdruckturbinen sind im wesentlichen: - Turbinenzulauf mit Spu-algehause oder Einlaufschacht ftir die Wasserzufuhrung in die Turbine; - Leitrad zur Regelung des Wasserzulaufes zum Turbinenlaufrad; - Turbine mit Laufrad und Laufradschaufebi, die starr oder beweglich sind, sowie Welle mit Kupplung und eventuell zwischengeschaltetem Getriebe zum daran anschlieBenden Generator; - Saugschlauch oder Saugrohr zur Ruckgewiimung noch vorhandener Druckenergie und zur Abfuhrung des Wassers. Im nachfolgenden wird hier nur auf den Zu- und Ablaufbereich der Turbine, also auf den ersten und letzten Punkt, naher eingegangen werden. Die Turbine, das Leitrad sowie das Getriebe werden dagegen aus systematischen Grtinden im wesentlichen im Kapitel 15 bei den jeweiligen Turbinentypen erlautert und der Generator wird im Kapitel 16 veranschaulicht werden. 14.3.1.1 Turbinenzulauf, Einlaufschacht und Spiralgehause Der optimalen, verlustarmen und insbesondere drallfreien Zufiihrung des Triebwassers zur Turbine kommt eine besondere Rolle zu, da vor allem ungleichformige Anstromverhaltnisse den Turbinenwirkungsgrad bedeutend verschlechtem kon-

502

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

konnen. Bei Anlagen, die sich direkt im FlieBgewasser befinden ist ein besonderes Augenmerk auf die optimale Einlaufgestaltung mit den Stromungsberandungen, Trennpfeilem etc. zu legen (s. a. Kapitel 5). Gleiches gilt fur Verteilbauwerke am Ende von Triebwasserkanalen und -leitungen. Trotz einer optimalen Auslegung muB infolge der stets leicht differierenden Anstromverhaltnisse jedoch davon ausgegangen werden, dal3 auch bei mehren typengleichen Maschinensatzen die Jewells erzielbare Leistung bzw. abgegebene Energie nie vollig identisch sein wird. Das Spiralgehause von Turbinen dient zur gleichmaBigen und drallbehafteten Stromungszufuhrung zum Leitrad oder unmittelbar zum Laufrad selbst. Spiralgehause, welche durch den sogenannten Eintrittsstutzen mit der Triebwasserleitung verbunden sind, haben unterschiedliche Bauformen: - Vollstandig betoniertes Gehause, fallweise mit Stahlpanzerung (s. Abb. 14.17); - Halb einbetoniertes stahlemes Spiralgehause mit verstarkter Armierung des Betonunterbaues zum Ausgleich der Verformungen des Stahlgehauses. Durch eine elastische Bettung laBt sich eine tJberbeanspruchung des riBgefahrdeten Betonauflagers infolge Verformungsbehinderung des Stahlgehauses vermeiden (s. Abb. 15.15). - Ganzliches Stahlgehause mit aufgestanderter Lagerung. Die frUher gebrauchliche Einlaufschacht mit Turbinen- bzw. Wasserkammer ist heute nur noch bei alteren Wasserkraftanlagen, insbesondere bei Klemwasserkraftanlagen, anzutreffen, wobei dann vor allem Francis- bzw. Francis-SchachtTurbinen sowohl mit stehender als auch mit liegender Welle (z. B. Hochrheinkraftwerk Laufenburg vor dem Ausbau) zum Einsatz kamen. In derartigen Fallen sollte die Turbine aus stromungstechnischen Griinden exzentrisch eingebaut sein. Eine weitere, heute im wesentlichen nur noch bei Kleinwasserkraftanlagen anzutreffende Bauweise mit hoher angeordneter Einlaufspirale etc. ist die Heberbauweise (s. Kapitel 15.1).

Abb. 14.17: a) Vollstandiges Spiralgehause; b) unvoUstandiges Spiralgehause; c) Beispiel fiir ein Spiralgehause mit Leitwanden [14.5] Der spiralfbrmige Teil des Spiralgehauses wird durch den sogenannten Spom abgeschlossen und durch den Spomwinkel, auch Zentral- oder Offtiungswinkel genannt, gekennzeichnet. Die beiden Schenkel des Spomwinkels sind der Hauptradius und der an den Spom gelegte Halbmesser. Bei einem vollstandigen Spiralgehause miBt der Spomwinkel (pspom = 320-340°, bei unvollstandigen Gehausen ist (Psporn < 320° (s. Abb. 14.17a+b). So liegt der Spomwinkel in Niederdmckanlagen im allgemeinen zwischen 230° und 285°, da sonst - trotz der besseren Stromung -

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

503

eine iibergroBe Breite erforderlich ware, die wiederum die Breite der Gesamtanlage wesentlich bestimmt. Bei Niederdruckanlagen konnen zur Verbesserung der Anstromung zusatzlich noch Leitwande im Einlauf angeordnet werden (s. Abb. 14.17c), die gleichzeitig die Spannweite fiir einzelnen Einlaufrechen und Verschliisse verringem. Beim Spiralenquerschnitt kommen aus stromungs- und bautechnischen Griinden meist entweder Kreisringquerschnitte - vor allem bei Stahlspiralen - oder Rechteck- bzw. Trapezquerschnitte - insbesondere bei Stahlbetonspiralen - zur Ausfiihrung. Die Bemessung des Spiralgehauses gehort naheliegenderweise direkt zur Turbinenbemessung und wird daher letztlich vom Turbinenkonstrukteur vorgenommen, der sich hierzu heute vor allem Finiter-Elemente- oder Finiter-Volumen-Rechenprogramme bedient. Zur Abschatzung der Bauwerksdimensionen ist jedoch eine iiberschlagige Bemessung notwendig, die nachfolgend erlautert werden soil, wobei die grundlegenden EingangsgroBen die Abmessungen der Turbine (s. Kapitel 15) sind. Der Eintrittsquerschnitt Ae laBt sich mit Hilfe der Kontinuitatsgleichung folgendermaBen angeben: A=Qlve

[m^]

(14.23)

mit der mittleren Eintrittsgeschwindigkeit v^ im Spiralquerschnitt: Ve=ke'yfJ^ Ve ke

= K '^2-g-hf

[m/s]

(14.24)

Eintrittsgeschwindigkeit Beiwert der Eintrittsgeschwindigkeit: A:e = 0,10-0,24 bei Stahlbetonspiralen: ke = 0,10-0,15 bei GuBspiralen: ke = 0,20-0,24 bei Blechspiralen: ke = 0,15-0,20

[m/s] [-]

wobei die kleineren ^^-Werte bei groBeren Fallhohen und umgekehrt eingesetzt werden miissen. Die Eintrittsgeschwindigkeit bei Stahlbetonspiralen liegt m der Kegel im Bereich von v^ = 1,0-2,5 m/s; bei Stahlspiralen kann sie durchaus dartiber liegen. A0

Ae

T b

b

B

c

A b b . 14.18: Spiralenquerschnittsberechnung: a) Horizontalschnitt; schnitt; c) Trapezquerschnitt, d) Kreisringquerschnitt

(d) b) Rechteckquer-

504

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Da die Spiralenausbildung nicht in jedem Punkt des Gehauses den gleichen Querschnitt aufweist, werden zusatzlich die einzelnen Spiralquerschnitte berechnet. Dabei sollen folgende Kriterien in die Betrachtung einbezogen werden. Aufgrund eines linearen Zusammenhanges des Winkels (p - vom Spom ab entgegen der Zustromung gerechnet - und der zu diesem Winkel gehorenden Querschnittsflache A(p sowie der daraus resultierenden Annahme einer mittleren Geschwindigkeit v^ nach obiger Gleichung folgt fur einen beliebigen Querschnitt A^p die Beziehung zum Querschnitt am Spiralenanfang AQ, der nicht unbedingt dem Eintrittsquerschnitt ^e entsprechen muB (s. Abb. 14.18a): 4p=4>--^

[m^]

(14.25)

[m^] Afp Querschnitt in Abhangigkeit des Spiralenwinkels (p AQ Querschnitt am Spiralenanfang [m^] (p Spiralen- oder Zentriwinkel [°] FUr den Querschnitt a m Spiralenanfang AQ wird ein Wert gewahlt, welcher 1020 % unter dem Eintrittsquerschnitt AQ liegen sollte. Genauere Werte werden aufgrund ihrer Impedanz im allgemeinen durch Versuche u n d Modellausflihrungen festgelegt. Ebenso wie bei der Beziehung von A^p zu AQ laBt sich der DurchfluB g ^ vereinfachend angeben: Q^=-^Q [mVs] (14.26) Sou Q(p DurchfluB in Abhangigkeit des Spiralenwinkels (p [m^/s] Berticksichtigt man noch den Drall der Stromung, so stellt man fest, daB trotz der doch sehr unterschiedlichen Ausbildung hinsichtlich der Querschnittsform in der Spirale ein konstanter Drall uber den gesamten Einlaufbereich zugrundegelegt werden kann. Durch die Idealisierung sowie die Konvention einer reibungsfreien und achssymmetrischen Stromung im Spu*algehause, laBt sich nun der DurchfluB Qfp in eine Beziehung zum Drall K^ und den Spiralabmessungen setzen. Der Teilvolumenstrom dQ im zugehorigen Querschnitt dA ist nach der Kontinuitatsgleichung dQ = Ur -dA. FUr die zugehorige Flache im entsprechenden Querschnitt dA= b -dr und fur den Drall Ko = Ur -r = const folgt fiir den Teilvolumenstrom: dQ = Ur'dA = Ur 'b'dr = ^-b'dr [mVs] r aus dem sich durch Integration der DurchfluB Q^ ergibt: Q^ = jdQ = Ko- \—dr

[m'/s]

(14.27a)

(14.27b)

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

505

und der sich fiir Rechteckquerschnitte vereinfacht ermitteln laBt zu: Q^=KD'b'ln^

[mVs] ro Gleichsetzen von (14.26) und (14.27b) liefert den Spiralenwinkel (p\ 360-KD

Q

^{b

\-'dr Jr

n

(14.27c)

(14.28a)

bzw. beim Gleichsetzen von (14.26) und (14.27c) ergibt sich: ^ = ^^tl2..t.ln^ n ro Q KD Laufraddrall r Radius bezuglich der Spiralachse R(p SpiralenauBenradius s. Abb. 14.18 ro SpiralenkemauBenradius s. Abb. 14.18 b Hohe des Spiralquerschnittes s. Abb. 14.18

(14.28b) [m^/s] [m] [m] [m] [m]

Der Kreisringdurchmesser d^y fiir Spiralgehause mit Kreisringquerschnitt (s. Abb. 14.18d) ergibt sich zu: 360-71-KD dfp

V

ISO-n-Kj)

Durchmesser desKreisringquerschnitts^^

[m]

Fiir Rechteckquerschnitte ist der Spu*alenauBenradius R^p (s. Abb. 14.18b) zur Dimensionierung v o n Bedeutung, der sich ebenfalls aus (14.26) u n d (14.27b) ermitteln laBt:

Die zunehmend haufiger vertretenen Trapezquerschnitte konnen ebenfalls Uberschlagig bemessen werden. Die v o m Radius r abhangige Hohe b des Spiralenquerschnittes berechnet sich zu: b = bo+ar-{r-ro) [m] (14.31) mit dem Parameter a^: Qr = cotPJ-^00(^2 bo ar fi

[-]

Hohe im Turbineneintrittsquerschnitt s. Abb. 14.18 bzw. 15.11 [m] Parameter [-] Neigungswinkel der Obergangsflachen s. Abb. 14.18c [°]

(14.32)

506

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Mit Hilfe der angenommenen bzw. aus Erfahrungswerten iibemommenen Werte sowohl fiir die Neigungswinkel Pi als auch fiir die im Querschnitt A^p zwar konstante, sonst aber natUrlich linear veranderliche Gesamthohe 5^ des Trapezquerschnittes ergibt sich der Radius ry zu: r^^hz^^ro [m] ar mit der Trapezquerschnittshohe B^p zu: B,=Bo-{Bo-c,-bo\'^''''""^

[m]

(14.33a)

(14.33b)

^Sporn

Yi Radius im Trapezquerschnitt s. Abb. 14.18c [m] B(p Trapezquerschnittshohe im Querschnitt^^ [m] Bo Trapezquerschnittshohe im Querschnitt ^0 [m] C}y Faktor fiir die Resthohe am Spiralenende: c^,« 1,2 ^ 1,4 [-] (Psporn Spomwinkel [°] und damit kann der SpiralenauBenradius R(p uber die addierten Flachen eines Trapezes und eines Rechteckes sowie (14.27b) aus folgender Gleichung ermittelt werden: . - ^ ^ = {bo-a,'ro)ln^^(B^-bo) + B^'ln^ [m] (14.34) 360' KD ro f^i Die notwendige Einlaufiiberdeckungshohe he,u (s. Kapitel 5.1.4) ist insbesondere bei Niederdruckanlagen zu beriicksichtigen, bei denen der Einlaufquerschnitt direkt am Anfang des Turbineneinlaufes bzw. des Spiralgehauses liegt. Die Wasseriiberdeckung zur Verhinderung von Lufteintritt etc. soil bei kleinen Turbinen mindesten 1 m uber dem hochsten Punkt des Leitrades liegen; bei groBeren Turbinendurchmessem auch 2-3 m. Fiir die Eintrittshohe he,sp von Betonhalbspiralen gilt naherungsweise: k.sp«—-^ [m] (14.35) 3,25 Ds 'Ve he^Sp Hohe der Betonhalbspirale im Einlaufquerschnitt [m] Ds LaufradauBendurchmesser [m] Im Ubergangsbereich zwischen der Einlaufspirale und dem sich anschlieBenden Turbinenauslauf in Form des Saugschlauches bzw. Saugrohres befindet sich der durch einen Spalt vom Laufrad getrennte, moglichst optimal an die Laufradgeometrie angepaBte Laufradringmantel bzw. Radkranz. Sowohl bei der Herstellung als auch bei Revisionen ist darauf zu achten, daB dieser Turbinenspalt die aus der Laufradschwmgung erforderliche Breite von in der Regel 1-2 mm zuzuglich einer gewissen Toleranz weder unter- noch tiberschreitet. Ist der Spalt zu gering, so besteht die Gefahr, daB das Laufrad mit den ruhenden Bauteilen in Beruhrung kommt, was zu Beschadigungen sowie zu Wirkungsgradverlusten flihren kann. Als Abhilfe besteht die Moglichkeit des Nachdrehens des LaufradauBenkranzes bzw. der Schaufelspitzen oder der Stahlpanzerung des Laufradringmantels. Ist hmgegen der Spalt zu groB, so geht durch diesen

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

507

ein zu groBer Leckwasserstrom verloren, wodurch ein Wirkungsgradverlust im Bereich von 5-10% folgen kann. Durch AuftragsschweiBungen kann der Spalt wieder verringert werden. 14.3.1.2 Saugrohr und Saugschlauch Zwischen Turbmeneinheit und Unterwasser ist bei Wasserkraftanlagen ein Saugrohr, bei groBeren Anlagen auch als Saugschlauch bezeichnet, angeordnet, das zwei Aufgaben zu erfiillen hat: - es sichert die Ausnutzung des Hohenunterschiedes zwischen Laufradaustritt (3) und Unterwasserspiegel (4) (s. Abb. 14.20), der sogenannten statischen Saughohe; - es ermoglicht die Energieruckgewinnung aus einem Teil der Geschwindigkeitshohe des die Turbine verlassenden Wassers, indem der DurchfluBquerschnitt alhnahlich erweitert und damit die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt wird; dieser Anteil wird als dynamische Saughohe bezeichnet. Vor allem bei schnellaufigen Turbinen und bei Niederdruckanlagen spielt die Energieruckgewinnung durch das Saugrohr eine groBe Rolle. Die schnelleren Drehzahlen modemer Turbinen bedingen eine Verkleinerung des Laufi-addurchmessers und damit erne Erhohung der Stromungsgeschwindigkeit des Wassers beim Saugrohreintritt. Um nun trotzdem einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, kommt dem Saugrohr eine besondere Bedeutung zu. Bei heutigen Niederdruckanlagen betragt die theoretisch zur Verfugung stehende kinetische Energie und der damit ruckgewinnbare Anteil ca. 0,5-5 % der hydraulischen Energie. Man unterscheidet folgende Bauarten von Diffiisoren: - Gerades Saugrohr mit kreiskonischer, gelegentlich auch glockenformiger Ausbildung, welche hydraulisch giinstiger ware. Es handelt sich hier um eine bevorzugte Bauweise bei Rohrturbmen, Straflo-Turbinen und generell bei Turbinen mit liegender Welle, wobei der am Einlauf befindliche Rohrbogen leicht gekriimmt ist (s. Abb. 14.19a+b). Dabei kann bei einem EinheitsdurchfluB Qjj ein Diffiisorwirkungsgrad von bis zu 0,92 erreicht werden, wobei der hohere Diffiisorwirkungsgrad aber wiederum eine erhohte Kavitationsgefahr zur Folge hat. - Ellenbogen- oder Kniesaugrohre bei Maschinensatzen mit stehender Welle besitzen im unterwasserseitigen Endquerschnitt einen ovalen, maulformigen oder auch rechteckigen Diffusor, welcher etwa um 90° gebogen ist (s. Abb. 14.19c). In seiner Krlimmungsebene verjUngt sich der ovale bzw. rechteckige Querschnitt in Stromungsrichtung. Der Ubergang nach der Verjiingung in das Unterwasser verlauft von der ausgewahlten Querschnittsflache ausgehend alhnahlich in einen Rechteckquerschnitt. Hierbei kann der m Stromungsrichtung ansteigende Boden bei groBeren Maschmen durch gewolbte Decken mit ebenen Stutzpfeilem verstarkt sem. Durch den gekriimmten Saugschlauch werden aufgrund der reduzierten Hohe vertikalachsiger Maschinengruppen betrachtliche Kosten eingespart, da sich auch die Griindungstiefe verringert. Die Kavitationsempfindlichkeit fallt bei gleicher Saughohe hierdurch geringer aus, was auf einen geringeren Diffii-

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sorwirkungsgrad von bis zu 0,89 und auf den geringeren DurchfluB bei Vollast zuriickzufuhren ist. Allerdings kann die Energieruckgewinnung des Laufradaustrittsdralles durch die Saugrohrkriimmung nicht so gtinstig vollzogen werden, wie dies bei geraden Saugrohren moglich ist. Erweiterungs- oder Spreizsaugrohre stellen eine Sonderform dar, die zur Riickgewinnung des Austrittsdralles am Laufrad bei Teil- und Uberlast von leitradregulierten Turbinen oder leitradlosen Turbinen mit Drallbehaftung unmittelbar nach Laufradaustritt in Form von Druck eingesetzt werden. Diese nach MOODY mit Betonkegelkem - vor allem bei Francis-Turbinen- konstruierten Saugrohre, sind aufgrund der Wirbelzopfbildung im Saugrohr selbst erosionsgefahrdet.

Abb. 14.19: Saugrohr: a) horizontal, gerade; b) horizontal mit Krummer; c) vertikal mit Saugkrtimmer; d) Erweiterungs- oder Spreizsaugrohre Aufgrund der hohen Kavitationsgefahr im Saugschlauch werden diese oftmals mit einer Stahlpanzerung versehen, insbesondere im direkten AnschluB an die Turbine und im gegebenenfalls vorhandenen Kriimmerbereich. Dies kann gleichzeitig eine deutliche Vereinfachung und Kostenreduzierung bei der Herstellung darstellen, da aufwendige Schalungen entfallen. Besonderes Augenmerk ist auf den Ubergangsbereich von der Stahlpanzerung zum aus Beton hergestellten Bauwerksteil zu richten, da durch schlechte Ubergange sowie durch mmdere Betonqualitat diese Stellen besonders erosionsgefahrdet sind. Bei der Bemessung miissen die unterschiedlichen Beanspruchungen bzw. Krafte beriicksichtigt werden, da je nach Maschinentyp im Saugrohr sowohl Unterdruck und damit Einbeulgefahr als auch LFberdruck in jeweils unterschiedlicher absoluter und dynamischer GroBe auftreten kann. Aus der Bemoullischen Gleichung (2.7) erhalt man die Druckhohe im Saugschlauch unmittelbar hinter der Turbine zu (s. Abb. 14.20): Ps

P'g hs hys hdyn

Pamb

-hs

V3-V4

+ K,^

Pamb

2g P'g p-g SaughOhe VerlusthOhe im Saugschlauch dynamische SaughOhe

-hs-h

'cfyn

[m]

(14.36) [m] [m] [m]

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Die dynamische Saughohe hcfyn ist jener Anteil der Energiehohe, welcher durch die allmahliche Aufweitung des Saugschlauches, prinzipiell fiinktionierend wie ein Diffusor, zuriickgewonnen wird. Wtirde hingegen anstatt der Erweiterung (v5 > V4) ein Rohr konstanten Querschnittes zugrunde gelegt, so wtirde das Wasser mit der konstanten Geschwindigkeit V3 = V4 ins Unterwasser abgegeben und seine Energie lediglich durch Verwirbelung, Turbulenzen und Reibung verringert. Aus (14.36) wird die Kavitationsgefahr infolge Unterdruckes bei einer VergroBerung von hs bzw. hdyn ersichtlich. Dieser kritische Druck kann durch Tieferlegen der Turbine erhoht und damit die Kavitationsgefahr vermindert werden, wobei sich dann die Saughohe betragsmaBig vergroBert (s. Abb. 14.20b) und einen negativen Wert annimmt, die dann auch als Gegendruckhohe bezeichnet wird.

+z -z

Abb. 14.20: Skizzen zur Erlauterung der Saugschlauchwirkung Erreicht ps den Dampfdruck des Wassers, so tritt Kavitation und damit eine Schadigung der Turbine auf, welche sich vor allem an den Kanten der Laufradschaufebi in Form von Ablosungen und tiberhaupt im auBeren Bereich des Laufrades infolge der groBen Umdrehungsgeschwindigkeiten zeigt. Dabei bilden sich Dampfblaschen, welche im Bereich hoherer Drlicke implodieren. Die Materialzerstorung und das Phanomen der Kavitation (s. Kapitel 12.2.5) haben als weiteres einen Leistungs- und Wirkungsgradabfall zur Folge. FUr den kavitationsfreien Betrieb wird daher aufgrund eingehender Untersuchungen von THOMA der Grenzwert fur die zulassige Saughohe hs,zui uber den Kavitationsbeiwert O-TH (S. Abb. 14.7) wie folgt defmiert: hs
(14.37)

=k^^S,zul

Atmospharendruckhohe: hamb = 1 bar = 10 mWS Dampfdruckhehe des Wassers s. Tabelle 14.3

[m] [m]

Tabelle 14.3: Dampfdruckhohe des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen Wassertemperatur [°C] Dampfdruckhohe h^ [m]

0

0,062

10 0,125

20

30

40

0,238

0,433

0,752

510

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Der Saugschlauch ist vom maschinentechnischen bzw. stromungsmechanischen Standpunkt aus betrachtet ebenso ein organischer Bestandteil der Turbine wie das Spiralgehause, deren optimales Zusammenspiel ftir die bestmogliche Energieausbeute von Bedeutung ist. So wirken sich die Anstromverhaltnisse, der Turbinentyp und dessen spezifische Drehzahl ebenso auf die Saugrohrverluste aus wie die geometrische Ausgestaltung des Saugrohres (Querschnittsform, Ubergangsstuck, Krummung, Erweiterungswinkel, Saugrohrlange etc.), wobei normalerweise die Verluste vor der Turbine kleiner sind als diejenigen auf der Abstromseite. Die hier erlauterte uberschlagige Bemessung kann also allenfalls nur fur VorentwUrfe oder ftir Wasserkraftanlagen geringer Leistungsfahigkeit ausreichen, keinesfalls aber fiir groBere Anlagen mit hoherer Leistungsfahigkeit. Insbesondere konnen die fast immer auftretenden Phanomene des Dralles in der Stromung sowie der Saugschlauchschwingung infolge der instabilen Ablosungen an den Laufschaufeln und an eventuellen Saugschlaucheinbauten theoretisch nur unzureichend ermittelt werden. Die Folgen sind Verringerung des Wirkungsgrades sowie eventuell schadigende Einwirkungen auf das Bauwerk durch Kavitation. Ebenso kann eine eventuell notwendig werdende Beluftung des Saugschlauches zur Vermeidung von Kavitation und gleichzeitig auch von Larmemissionen und von AbreiBen des Wasserstromes infolge plotzlichen SchlieBens des Leitrades nur unvollkommen herausgefunden werden (s. a. Kapitel 15.2.1). Die endgilltigen Abmessungen des Saugrohres bzw. Saugschlauches werden daher in der Regel wie in Abschnitt 14.2.7 beschrieben in einem Modellversuch sowohl an einem realen als auch virtuellem, rechnerischem Modell ermittelt, wobei dieser Versuch meist vom Turbinenhersteller als Gesamtauftragsnehmer infolge seiner groBen Erfahrung ftir den Bereich Spiralgehause - Leitapparat - Turbine Saugschlauch durchgefuhrt wird, wodurch die optimale Abstimmung aller Komponenten, speziell auch zur Vermeidung von Kavitation, gewahrleistet wird [14.11]/[14.13]. Angaben zur iiberschlagigen Auslegung sind im Kapitel 15 aufgeftihrt. Vor allem Kaplan- und Propeller-Turbinen reagieren im Vergleich mit FrancisTurbinen auf ein nicht zur Maschine passendes Saugrohr weitaus empfindlicher. In ungiinstigen Fallen konnen turbulente Stromungen bis hin zu Ruckstromungen im Saugrohraustrittsquerschnitt mit bedeutenden Wirkungsgradverlusten auftreten, wobei stets auch die Unterwasserverhaltnisse mit ihren Ruckwirkungen auf die Stromung im Saugrohr zu beriicksichtigen sind.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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Weitere Ausftihrungen zu den unterschiedlichen Saugrohrtypen, deren Dimensionen sowie insbesondere zu den maBgebenden Stromungsvorgangen etc. sind beispielsweise bei DENIZ et al. [14.14] zu fmden, wobei sich folgende Gestaltungsgrundsatze festhalten lassen [nach 14.15]: - Die mittlere Austrittsgeschwindigkeit am Saugrohrende sollte zwischen 1,4 und 2 m/s liegen. Geschwindigkeiten Uber 2,5 m/s - meist sind vor allem die daraus resultierenden aufwallenden Wasseroberflachen oder Schaumkronen bereits mit bloBem Auge zu sehen - fuhren zu groBeren Verlusten, so daB Optimierungsmoglichkeiten, wie insbesondere eine Saugrohrverlangerung, gepriift werden sollten. - Der Offiiungswinkel bzw. die Querschnittsflachenentwicklung sollte im Bereich zwischen 10-15° liegen. Am Saugrohrende befindet sich schlieBlich stets die Moglichkeit, dieses je nach den betrieblichen Anforderungen mittels eines festen Schutzes oder eines temporar einzusetzenden Revisionsverschlusses abzusperren. Da am Saugrohrende haufig hohere FlieBgeschwindigkeiten sowie stark turbulente Stromungen auftreten, muB im Bereich der Verschliisse, insbesondere bei Tiefschutzen, der Gestaltung der Schiitzenunterkante und der Nischen bzw. FUhrungsschienen ein besonderes Augenmerk zur Vermeidung von zusatzlichen Stromungsturbulenzen mit moglichen Riickwirkungen bis zur Turbine gewidmet werden. Die hieraus resultierenden Verluste konnen unter Umstanden den Anlagenwirkungsgrad bedeutend um bis zu ca. 2 % verringem, so daB gegebenenfalls entsprechende Blenden o. a. zur besseren Stromungsfiihrung vorgesehen werden sollten (s. a. Kapitel 5.3). 14.3.2

Bauteile von Gleichdruckturbinen

Wesentliche Bauteile von Gleichdruckturbmen sind: - Laufrad (Becher bei Pelton-Turbinen, gewolbte Schaufelflachen bei Durchstromturbinen) - Diise(n) mit langsverschieblicher Nadel bei Pelton-Turbinen; Leitapparat bei Durchstromturbinen - Gehause, den unterschiedlichsten Formen entsprechend. Naheres hierzu ist dem Kapitel 15.3 tiber Freistrahlturbinen und dem Kapitel 15.4 iiber Durchstromturbinen zu entnehmen. 14.3.3

Turbinenwelle, Getriebe und Turbinenlager

Die Turbinenwelle ist meist aus hochlegiertem, geschmiedetem Stahl ausreichender Elastizitat hergestellt, wobei diese in der Lage sein muB, neben den rein statischen Lasten vor allem die aus den Lastwechsebi herruhrenden dynamischen Belastungen von Turbine und Generator infolge der haufig vorhandenen starren Kupplung beider Maschinenkomponenten iiber die gesamte Lebensdauer hinweg aufzunehmen und uber die Turbinenlager abzuleiten. Bei Maschinensatzen im unteren Leistungs- bzw. Drehzahlbereich konnen Turbine und Generator uber ein drehzahliibersetzendes Getriebe oder einen Riementrieb nicht starr verbunden sowie mit einer Wellenumlenkung versehen sein (s. Kapitel 14.3.4).

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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Bei Kaplan- und Rohrturbinen wird diese Welle mit einer Langsbohrung versehen, so daB eine Hohlwelle entsteht, die die Zugstange, Hydraulikleitungen oder neuerdings elektrische Leitungen fiir die Steuerung der Laufradschaufelstellung (s. Abschnitt 14.4.1.2) sowie Leitungen des Kuhlkreislaufes aufiiimmt. Die Welle ist heute bei vertikalen Maschinensatzen Uberwiegend zweifach im unteren Turbinenfuhrungslager und in dem tiber dem Turbinendeckel liegenden Spurlager gelagert. Anfanglich wurde bei groBen Maschinen noch ein drittes Spurlager oberhalb des Generators angeordnet, um die enormen auftretenden statischen und insbesondere dynamischen Krafte besser in das Bauwerk ableiten zu konnen. Horizontale Maschinensatze besitzen meist auf der Generatorenseite zwei Lager; fruher wurde auf der Turbinenseite geme ein weiteres angeordnet. Wurden in den vergangenen Jahrzehnten fast ausschlieBlich ol- oder fettgeschmierte Lager eingebaut, so werden in den letzten Jahren infolge des meist nicht ganz vermeidbaren Schmiemiittelaustritts in das Triebwasser aus Umweltschutzgriinden sowie infolge der geanderten gesetzlichen Rahmenbedingungen (s. Kapitel 3.4 bzw. 13.3.1) vermehrt wasser- oder selbstschmierende Gleitlager mit Erfolg eingesetzt [14.16]. Diese nahezu wartungsfreien und sehr reibungsarmen Lager arbeiten auch im Bereich von verunreinigtem Wasser zuverlassig und haben eine verhaltnismaBig lange Lebensdauer. Durch Mikroabrieb wird bei diesem Typ permanent Festschmierstoff vom selbstschmierenden Gleitlager frei, der einen geschlossenen Schmierfihn bildet, die Gleitpartner voneinander trennt und auf einer spiegelblanken Flache gleiten laBt [14.17]. Die Gleitmittel selbst sind entweder in der Legierung des Lagerkems enthalten oder befinden sich in gleichmaBig verteilten Vertiefungen bzw. sind in ein StUtzmaterial eingebaut. In der Regel ist bei diesem Lagertyp eine zusatzliche Ktihlung erforderlich, die andemfalls durch das Schmiermittel mit erfolgt. Einen anderen Weg zur Vermeidung von Umweltbeeintrachtigungen kann man mit wassergeschmierten Gleitlagem gehen, wobei infolge der geringeren Viskositat des Wassers der Schmierspalt kleiner ausfallen muB. Damit beim Anfahren und im niedrigen Drehzahlbereich ein ausreichender hydrostatischer Schmiermittelfilm vorhanden ist und dieser infolge der dann auftretenden hohen Flachenpressungen nicht abreiBt, muB vor allem bei groBen Maschinensatzen mittels einer Pumpe ein Druckpolster erzeugt werden. Auch eine Kombination mit selbstschmierenden Gleitlagerflachen gelangt mittlerweile zum Einsatz, wobei das verwendete Wasser von Schwebstoffen befi'eit sein muB und wegen moglicher Kalkausscheidung nicht zu hart sein darf Bei nicht zu stark verunreinigtem Triebwasser kann auch dieses zu Lagerschmierung genutzt werden, wobei dann einerseits sogenannte Reinigungsnuten in den Lagerflachen vorgesehen werden sollten, um eventuelle Verunreinigungen aus dem Lager herauszutransportieren. Andererseits sollten bereits bei der Wasserentnahme die Zentrifiigalkrafte zur Reinigung desselben genutzt werden [14.18]. Erste Versuche mit auf Magnetfeldem basierenden Lagem lassen erkennen, daB diese Lagerungsart durchaus zukunftstrachtig ist, sie heute jedoch nur bei verhaltnismaBig groBen Anlagen wirtschaftlich einsetzbar ist. Ebenso werden zunehmend die mit 01 als Kiihbnedium betriebenen Ktihlkreislaufe der Lager durch solche mit Wasser oder Luft ersetzt, da hier im Leckagefall

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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keine Umweltbeeintrachtigungen zu erwarten sind. Auch hierfur muB das Wasser entsprechend aufbereitet werden. 14.3.4

Getriebe und Riemenantrieb

Vor allem bei kleinen Fallhohen herrschen verhaltnismaBig niedrige Betriebsdrehzahlen der Turbinen oder der Wasserrader vor, so daB im Gegensatz zu groBeren Maschinensatzen die Zwischenschaltung eines Getriebes oder eines Riemenantriebes - in beiden Fallen ein- oder mehrstufig - zur Reduzierung der GeneratorausmaBe - infolge dessen dann moglicher hoherer Umdrehungsanzahl - erforderlich wird (s. Kapitel 14.3.3). Auch folgt dadurch eine Kostenreduzierung. Zur Anpassung der Drehzahlen bzw. Drehmomente der zusammenarbeitenden Maschinen konnen einerseits ein- oder mehrstufige Getriebe mit Zahnradem oder fruher Holzkammradem mit meist starrem tJbersetzungsverhaltnis in folgenden Ausfuhrungsformen herangezogen werden: - vertikale Stimradgetriebe mit entsprechenden Kegeh-adem, z. B. bei Francis-Schacht-Turbinen (Wirkimgsgrad pro Ubersetzungsstufe ca. 99 %); - Winkelgetriebe, bei denen das Getriebe zusatzlich mit einer Wellenumlenkung kombiniert ist, wie dies beispielsweise zum einen bei GetriebeRohrturbinen oder zum anderen bei vertikalachsigem Maschinensatz und horizontalachsigem Generator mit Schwungmasse notwendig ist (Wirkungsgrad pro Ubersetzungsstufe ca. 98,5 %); - Planetengetriebe, die z. B. bei Rohrturbinen unterschiedlicher Bauweise bis zu Wellenleistungen uber 10 MW eingesetzt werden, um dort Generatoren mit kleineren Abmessungen infolge der hoheren Umdrehungsgeschwindigkeiten einbauen zu konnen (Wirkungsgrad pro Ubersetzungsstufe ca. 99,5 %). Zur Schmierung und gleichzeitigen Kiihlung der Getriebe sind diese fast immer olgefullt. Diese Obnenge, die bis zu 90 % der gesamten, in einem Maschinensatz vorhandenen Menge betragen kann, stellt stets ein gewisses Gefahrdungspotential dar, dem durch vorbeugende konstruktive MaBnahmen (gute Dichtung, Auffangwanne etc.) gegengesteuert werden sollte. Vor allem bei groBeren Maschinensatzen werden zum Schutz des Getriebes vielfach auch hydraulische Kupplungen (s. Kapitel 14.5.1.4) zur Verbindung von Turbinenwelle und Getriebe vorgesehen. In Verbindung mit dem in den letzten Jahren starker verbreiteten drehzahlvariablen Turbinenbetrieb (s. Kapitel 14.4.2 und 16.3.6) wurden als Alternative zu den elektronischen Frequenzumrichtem auch aus dem Schiffsbau kommende, stufenlos veranderliche Umschlingungsgetriebe hierfur weiterentwickelt und bei Kleinstanlagen unter 100 kW mit Wirkungsgraden von iiber 95 % erfolgreich eingesetzt. Andererseits kann bei Anlagen mit einer Leistung bis zu ca. 2.000 kW ein entsprechender Riemenantrieb ftr die notwendige LFbersetzung vorgesehen werden. Die aus mehrlagigem Leder, gewebeverstarktem Gummi oder Kunststoffen hergestellten Flachriemen laufen dabei auf zwei breiten Radem mit unterschiedlichem Durchmesser entsprechend dem vorgegebenen starren tJbersetzungsverhaltnis.

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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Diese Treibrader bzw. Riemenscheiben sind jeweils direkt auf der Turbinen- bzw. Generatorwelle angebracht. Da sich die Riemen infolge der unterschiedlichen Belastungen einerseits elastisch verformen, andererseits jedoch ein kraftschlussiges Aufliegen auf den Treibradem gewahrleistet sein muB, muB die notwendig Riemenspannung in geeigneter Weise uber ein justierbares Federsystem hergestellt werden. Meist werden hierzu die verhaltnismaBig kleinen Generatoren mit dem fest auf der Welle befindlichen Treibrad horizontal verschieblich gelagert und uber Fedem oder ein Hydrauliksystem in die der Turbine entgegengesetzte Richtung gezogen bzw. gedruckt. Gegenuber Getrieben weisen derartige Riemenantriebe folgende Vorteile auf: - nahezu wartungsfreier Betrieb im Gegensatz zu Getrieben, bei denen Stand, Druck, Zirkulation und Temperatur des Schmieroles in geeigneter Weise permanent ilberwacht werden muB; - hohe Lebensdauer, durchschnittlich ca. 8-12 Jahre; - einfacher Wechsel der kostengUnstigeren und schneller lieferbaren Riemen; - infolge der Elastizitat konnen die aus dem Netz oder vom Generator riihrenden StoBbelastungen schadlos abgedampft werden; - notwendige Anderungen des Ubersetzungsverhaltnisses konnen einfach und preisgunstig vorgenommen werden; - der Wirkungsgrad unter Einbeziehung der Lagerreibungsverluste betragt etwa 98-98,5 %, bei Getrieben liegt dieser je nach Anzahl der Ubersetzungsstufen bei ca. 94-99 %. AUerdings existieren bei Riemenantrieben auch einige Nachteile: - infolge der deutlich groBeren radialen Wellenbelastung miissen die Lager starker als sonst dimensioniert werden; - infolge des meist groBeren Achsabstandes wird ein groBeres Bauvolumen notwendig; - die Riemen sind empfindlich gegeniiber chemischen Einflussen (Benzin, Sauren, Laugen etc.), Feuchtigkeit und Staub, was jedoch bei Wasserkraftanlagen normalerweise keine Rolle spielt. In den letzten Jahren haben Riemenantriebe, die bereits aus der Zeit der Mtihlrader bekannt smd, eine Renaissance erlebt und werden bei nahezu alien im Klemwasserkraftbereich eingesetzten Turbinen anstatt eines Getriebes eingebaut. Von wesentlicher Bedeutung ist, daB unabhangig vom gewahlten Typ der Ubersetzung zwischen Turbine und Generator dieser optimal auf die Gegebenheiten abgestimmt wird, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. 14.4

Turbinenregelung

Stets ist es das Ziel bei einer Wasserkraftanlage, aus dem zur Verfugung stehenden AbfluB die maximale Energieausbeute zu erzielen. Dies wird dann erreicht, wenn die Turbine mit den jeweiligen, un Kapitel 14.1.2 bereits aufgefuhrten unterschiedlichen Moglichkeiten dergestalt geregelt wird, daB diese entsprechend dem vorhandenen DurchfluB mit dem jeweiligen optimalen Wirkungsgrad betrie-

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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ben wird. Umgekehrt kann eine ungenaue oder unzureichende Regelung zu Wirkungsgradverlusten von 5 % und mehr zu einer Verringerung der Jahresarbeit um bis zu 20 % fuhren. In den Abb. 14.8a+b wurden bereits typische Wirkungsgradverlaufe der verschiedenen Turbinentypen in Abhangigkeit der Beaufschlagung sowie die Beeinflussung durch die unterschiedlichen Regelungsarten dargestellt, und mit den damit im Zusammenhang stehenden Muscheldiagrammen (s. Abb. 14.11 und 14.12) stehen hiermit die Vorgaben zum optimalen Betrieb zur Verfugung. Dementsprechend sind die Hauptaufgaben der Turbinenregelung [14.19]: - die Drehzahlregelung einschlieBlich Durchgangssicherung, - die Leistungsregelung und - die Wasserstandsregelegung, zu denen gegebenenfalls noch die Frequenzhaltung, die Regelung der Betriebsartenttbergange (Turbinen-, Phasenschieber-, Pumpbetrieb etc.), die Stellwege der mechanischen oder elektrischen Regeleinrichtungen (Gestange, Drehwinkel- oder Lineargeber etc.) sowie die grundsatzliche Stabilitat der Regelung selbst hinzukommen. Bei den Reglem unterscheidet man zwei Hauptgruppen, die wiederum weiter unterteilt werden konnen: - unstetige Regler fur einfache Regelvorgange: - Zweipunktregler, der dem Prinzip eines Schalters mit nur zwei Zustanden entspricht; - Mehrpunktregler, der eine entsprechende Anzahl von Stellungen einnehmen kann; - stetige Regler fiir anspruchsvollere Regelkreise: - Proportional-Regler (P-Regler); - Proportional-Differential-Regler (PD-Regler); - Proportional-Integral-Regler (PI-Regler); - Proportional-Integral-Differential-Regler(PID-Regler). Wurden fruher die fiir die Anlagensteuerung notwendigen Regelungsvorgange auf rein mechanischem Weg vorgenommen und die jeweiligen Regelkreise nur begrenzt verkniipft, so bedient man sich heute komplexer, computergestutzter Regelsysteme (s. a. Kapitel 13.2), wobei zum Teil fuzzy-basierte Methoden zum Einsatz kommen (s. Kapitel 13.2.2). 14.4.1

Turbinenregelungsarten

14.4.1.1 Leitrad regelung Die Leitradregelung kommt bei Francis-, Propeller-, Rohr-, Straflo- sowie doppelt regulierten Kaplan-Turbinen zum Einsatz. Die Aufgabe des Leitrades ist es, dem auf das Laufrad zustromenden Wasser die gewiinschte Geschwindigkeit und Richtung zu geben sowie den DurchfluB und damit die Maschinenleistung zwischen dem Maximalwert und Null zu regeln. Bei der Ausbildung des Leitschaufelgitters ist darauf zu achten, daB der Stromungsverlust bei jeder beliebigen Schaufelstellung moglichst gering bleibt. Diese Zielsetzung wird durch stromlinienformig ausgebildete Leitschaufeln erreicht, die

516

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

rings um die Turbine angeordnet und um einen Zapfen um die vertikale Achse drehbar sind (s. Abb. 14.21a). In vielen Fallen, vor allem bei groBeren Maschinen, sind vor dem Leitrad aus statischen Griinden noch Stiitzschaufeln angeordnet, die zugleich den Drall des in die Turbine stromenden Wassers entsprechend den Turbinenanforderungen vermindem sollen. Die Hersteller bedienen sich heute zur optimalen Gestaltung sehr weit entwickelter, rechnerbasierter Stromungsmodelle, und in zunehmend weniger Einzelfallen miissen deren Ergebnisse anhand von Modellen nachvollzogen werden. bewegliche Leitschaufeln/^

-Regulierarm

^Fremdkörper

Bruchsicherung (Feder) Leitschaufel

Abb. 14.21: a) Anordnung und Funktionsprinzip des Leitrades am Beispiel einer FrancisTurbine; b) Funktionsprinzip einer Bruchsicherung (Feder) [14.5] Die Steuerung der einzelnen Leitschaufeln erfolgt meist tiber einen Regulierring mit den daran angeschlossenen Regulierhebeln und Lenkem, wobei letztere fest mit den Leitschaufeln verbunden sind. Durch ein Drehen des Regulierringes, der tiber einen oder zwei symmetrisch angeordnete Hydraulikzylinder oder Stellmotoren angetrieben wird, konnen alle Leitschaufebi des Leitrades gleichmaBig geregelt und in jeder Stellung stabil gehalten werden. Bei kleineren Maschinen liegt der Regulierring meist auBerhalb der Leitschaufebi. Bei groBeren Maschinen mit den daraus resultierenden groBeren Kraften wird dieser dagegen auf der Innenseite angeordnet oder mittlerweile gar durch eine direkte Ansteuerung der einzebien oder in Gruppen zusammengekoppelten Leitschaufebi mit Servomotoren ersetzt. Zur Bruchsicherung mfolge der Verklemmung von Fremdkorpem zwischen zwei Schaufebi (s. Abb. 14.21b) miissen mindestens an jedem zweiten Regulierarm entweder Bruchelemente (Bruchbolzen, Scherbolzen, Knicklenker etc.) vorgesehen oder diese uber emen Federmechanismus elastisch gelagert werden, da ansonsten infolge der Kraftkonzentration auf diese beiden Leitschaufebi sie beschadigt wiirden. Eine Demontage und Emeuerung der Leitschaufebi ware sehr aufwendig, da dann die Turbine vollstandig trockenzulegen ware. Die Emeuerung oder Nachjustierung hingegen ist infolge der guten Zuganglichkeit verhaltnismaBig ebifach zu bewerkstelligen. Des weiteren ist mindestens jeder zweite, oftmals aber auch jeder Regulierarm mit einer Justiermoglichkeit zu versehen, um die Stellung der Laufschaufebi zu optunieren. Insbesondere fiir die Nullstellung ist dies von besonderer Bedeutung,

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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da sie auch die Funktion eines VerschluBorganes erfiillen und nur geringe Leckwassermengen hindurch gelassen werden sollten. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Abdichtungen und Lagerungen der einzelnen Leitschaufeln sowie des Regulierringes etc. zu richten. Zur Abdichtung der Bolzen sowie der anderweitigen Offiiungen, in denen bewegliche Elemente laufen (z. B. Turbinenwelle etc.), werden neben Gummidichtungen auch geme Labyrinthdichtungen eingesetzt. Um bewegliche Maschinenelemente moglichst reibungsarm bewegen zu konnen, gelangen zunehmend mehr selbstschmierende Gleitlager zum Einsatz (s. Abschnitt 14.3.3). 14.4.1.2 Laufradregelung Eine alleinige Regelung der Turbine mit Hilfe des Laufrades gelangt nur bei kleinen leitradlosen Kaplan-Turbinen oder diagonalen Pumpturbinen zur Anwendung. Sehr viel haufiger trifft man die Laufradregelung dagegen bei doppelt regulierten Kaplan-Turbinen an, wodurch eine sehr gute Anpassung bei Teilbeaufschlagung erreicht werden kann, wie dies bereits im Kapitel 14.2.6.1 ausflihrlich dargelegt wurde. •

Tl ffl

[1

Zugstange —1-

Leitschaufel

/p=^^

Flügeldrehzapfen^, mitHebel j] Lenker — y

10'

j]

Laufrad

^

iff

Regelkreuz ^

i

7

Laufradnabe \

Abb. 14.22: Funktionsprinzip der Laufradregelung am Beispiel einer Kaplan-Turbine [14.5] Bei den verstellbaren Laufradem (s. Abb. 14.22) sind die einzebien Laufradschaufeln drehbar in der Laufradnabe gelagert und nicht wie bei Propellerturbinen fest mit dieser verschraubt. Die Fliigelverstellung kann einerseits durch eine in der hohlen Turbinenwelle gefiihrte Zugstange erfolgen, durch deren Langsverschiebung ein mit der Stange verbundenes Regelkreuz mittels zwischengeschalteter Lenker die mit den Fliigeldrehzapfen fest verbundenen Hebel verstellt. Bei groBeren Laufradem kommen andererseits auch hydraulische Steuerungen zum Einsatz, wobei vor allem die olhydraulischen Antriebe aus Umweltschutzgrunden mittelfristig durch elektrisch betriebene Servomotoren ersetzt werden diirften. 14.4.1.3 Dusen- und Strahlablenkerregelung Bei Pelton-Turbinen wird, wie im nachfolgenden Kapitel 15.3 noch naher erlautert wird, das Triebwasser in Form eines Strahles auf die Becherschaufeln des Laufrades gelenkt. Dieser Strahl wird in einer DUse gebundelt.

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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Zur Regulierung dieses Strahles wird primar eine in der Diise sitzende Nadel verwendet (s. Abb. 14.23), die den DurchfluB sehr genau bis zur vollstandigen Absperrung regulieren kann. Um unzulassig hohe Drucksteigerungen bzw. DruckstoBe in der Druckrohrleitung zu vermeiden, darf die Diise nur langsam geschlossen werden. Besteht nun die Notwendigkeit, eine sehr schnelle Regelung vorzunehmen (z. B. Lastabwurf infolge Netzausfall), so wird in einer ersten Phase der Strahl durch einen vor die Diise zu schwenkenden Strahlablenker abgelenkt oder vollstandig umgelenkt (s. Abb. 14.23b+c), so dai3 das Turbinenlaufrad ohne weiteren Antrieb ist. AnschlieBend kann die Diisennadel langsam zugefahren werden. Nur in seltenen Fallen wird eine Regelung allein durch den Strahlablenker vorgenommen; dies wird nur dann angewendet, wenn der DurchfluB konstant gehalten werden muB. Zur Anpassung der Pelton-Turbine an die Bedarfsschwankungen werden unter anderem auch aus regelungstechnischen Griinden geme mehrere Diisen angeordnet, die gegebenenfalls etappenweise geschlossen bzw. geoffhet werden. Dariiber hinaus wird haufig noch eine kleine Bremsturbine oder eine auf die Becherriickseite gerichtete Bremsdiise zur schnellen Maschinenabbremsung angeordnet. Diisennadel J ü . 'T'-~r ^ Düse

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,

rp

Abb. 14.23: Regelung einer Pelton-Turbine: a) voUer DurchfluB; b) Strahlablenkung; c) Strahlumlenkung; d) geschlossene Diise 14.4.1.4 Regelung bei Durchstromturbinen Auch bei Durchstromturbinen, die im Kapitel 15.4 detailliert beschrieben werden, erfolgt die Regelung der Triebwasserzufiihr iiber Leitschaufeln. Allerdings handelt es sich hier lediglich um eine bzw. eine geteilte, in der Regel horizontal angeordnete Profilleitschaufel, die den Wasserstrom im Betrieb teilt und ihn stoBfrei in das Laufrad eintreten laBt. Bei geringen Fallhohen kann die Leitschaufel auch als Absperrorgan dienen, das nur geringe Leckwassermengen durchlaBt. 14.4.1.5 Bypassregelung bei Hochdruckanlagen Bei Storungen im Stromversorgungsnetz oder gar im Falle eines Netzzusammenbruches muB flir eine sofortige Abschaltung des Maschinensatzes bzw. flir eine vollstandige Trennung des Generators vom Netz gesorgt werden. Dadurch kann es zu betrachtlichen Druckerhohungen (DruckstoB) in den Triebwasserleitungen bzw. zur Erhohung der Maschinendrehzahl kommen. Derartige Steigerungen konnen mehr als 50 % gegeniiber dem Normalzustand ausmachen. Zu deren Kompensation werden im Regelfall bei Niederdruck- und Mitteldruckanlagen die Leitapparate der betreffenden Turbinen zugefahren. Bei Hochdruckanlagen mit Francisturbinen reicht jedoch eine derartige Regulierung mit dem Leitapparat nicht immer aus, so daB mittels eines Entlastungsorgans im NebenschluB (Bypass) eine umgehende Entlastung herbeigefiihrt werden kann. Deren automati-

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

519

sche Betatigung geschieht durch den Leitradring oder durch einen sogenannten Dampfer in Form eines Luftkissens. Im Falle von reversiblen Maschinen (Pumpenturbinen) kann wiederum ein Entlastungsschieber entfallen, da deren Durchgangsdrehzahl niedriger liegt. 14.4.2

Steuerung der Turbinenregelung

Die Zielsetzung der Regelung hangt davon ab, ob die Anlage im Inselbetrieb oder parallel zum Netz im Verbund mit demselben betrieben wird. Bei einem Inselbetrieb mit einem Synchrongenerator ist es das Ziel, die Frequenz und die Spannung im Netz konstant zu halten. Bekn Parallelbetrieb mit emem Netz ist es fur einzelne Wasserkraftanlagen das Bestreben, das Wasserdargebot bestmoglich auszunutzen. Zur Steuerung der Turbinenregelung stehen drei wesentliche Moglichkeiten zur Verfugung [14.19]: 1. Leistungsregelung: Hierbei wh-d die von der Maschine erzeugte Leistung mit der vom Netz geforderten du*ekt abgeglichen. 2. Drehzahlregelung: Bei dieser noch immer sehr verbreiteten indirekten Leistungsmessung besteht der Vorteil, daB bei einer plotzlich vom Netz abgefallenen Turbine, z. B. infolge KurzschluB, stets die Drehzahl, nicht jedoch mehr die Leistung meBbar und damit die Turbine regelbar ist. 3. Wasserstands- bzw. Fallhohenregelung: Nur bei kleineren Niederdruckanlagen wu-d die Turbine allein Uber den Oberwasserspiegelstand gesteuert; in Kombination ist sie jedoch als sogenannte Schwallsteuerung durchaus bei groBeren Anlagen sowie neuerdings beim drehzahlvariablen Betrieb verbreitet. Wurde frtiher vor allem eine Regelung alleine iiber die Drehzahl vorgenommen, so werden heute mehrere AnlagengroBen zur Steuerung herangezogen. So ist beispielsweise beim Kraftwerk Augst-Whylen nach dessen Modemisierung 1994 die Drehzahlregelung nur beim Anfahren und Synchronisieren der Maschinengruppen ans Netz aktiviert. Nach der erfolgten Synchronisation werden die Maschinen iiber eine Kombination der PegelmeBwerte und der Leitradoffiiung gesteuert. Beun Turbinenbetrieb laBt sich ein sehr guter Wirkungsgrad einerseits durch die optknale Anpassung des Laufradwinkels bei emer konstanten Drehzahl infolge der Netzkopplung und andererseits theoretisch uber eine variable Drehzahl mit gleichzeitig starrem Laufradwinkel erzielen. Angesichts der enormen Entwicklungen in der Leistungselektronik in den letzten Jahren und durch den Einsatz moderner Umrichter kann heute nun eine fallhohenabhangige, variable Turbinendrehzahl zur verbesserten Energieausbeute sowie zur Ubemahme von zusatzlichen Regelungsaufgaben im Netz eingesetzt werden (s. Kapitel 16.3.6.1). So sind derzeit Wirkungsgradsteigerungen im Bereich von 10-15 % trotz des Verlustes im Frequenzumrichter (ca. 2 %) moglich, und daruber hinaus kann auf das kostenintensive, vielfach anfallige Getriebe zwischen Turbine und Generator verzichtet werden [14.20], sofem bei Kleinstanlagen nicht drehzahlvariable Getriebe giinstiger sind (s. Kapitel 14.3.4). Wurden derartige Anlagen mit Frequenzumrichtem bis Mitte der 1990er Jahre noch uberwiegend bei kleineren Anlagen eingesetzt, so

520

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

wird spatestens mit dem Einsatz im Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal (s. Kapitel 17.8.5) deutlich, daB sich deren Einsatzbereich deutlich vergroBem hat. Die Regeleinrichtungen lassen sich zum einen nach der Steuerungsart (mechanisch-hydraulisch oder elektronisch-hydraulisch) iind zum anderen nach deren Arbeitsweise (unmittelbare oder mittelbare Regelung) unterscheiden. Bei der alteren mechanisch-hydraulischen Steuerung, bei der es sich meist um eine drehzahlgesteuerte Regelung handelt, wird uber ein Fliehkraftpendel ein Hebelarm bewegt, durch den die entsprechende Tubinenregeleinrichtung (s. vorhergehenden Abschnitt 14.4.1) angesteuert wird. Beim Fliehkraftpendel wird die Auslenkung einer Masse in Abhangigkeit der Umdrehungsgeschwindigkeit ausgentitzt. Diese Auslenkung wird iiber ein Gestange in eine vertikale Verschiebung einer Muffe umgewandelt und dort von einem Regelarm abgegriffen. Wurde urspriinglich das Fliehkraftpendel direkt iiber ein Getriebe von der Maschine in Rotation versetzt, so wurde in den letzten Jahrzehnten ein elektrischer Pendelmotor eingesetzt, wobei dieser als Synchronmaschine direkt aus der Statorwicklung des Hauptgenerators gespeist wird und somit von den Drehschwingungen des Maschinensatzes unabhangig ist. Parallel zur Verbreitung der Elektronik in der Steuer- und Leittechnik (s. Kapitel 13.2) hat sich die heute tibliche elektronisch-hydraulische Steuerung durchgesetzt. Hierbei werden die notwendigen EingangsgroBen (Drehzahl, Leistung etc.) tiber entsprechende MeBinstrumente aufgenommen und an die Leittechnik weitergeleitet, iiber die dann die Servomotoren der hydraulischen Steuerantriebe aktiviert werden. Die unmittelbare Regelung, bei der die Bewegungen des Fliehkraftpendels tiber das Regelgestange direkt auf die Turbine ubertragen werden, kommt bei Wasserkraftanlagen nicht zum Einsatz, da die Krafte des Fliehkraftpendels fiir die Verstellung der Regeleinrichtungen nicht ausreichen wiirden und daruber hmaus diese Regelungsart zu ungleichformig ware. Ublich ist daher die mittelbare Regelung, die aus den drei wesentlichen Komponenten besteht: - Sensor/MeBinstrument: dient der Erfassung des Istwertes der RegelgroBe; - Steuerung: beeinfluBt entsprechend dem Sensorsignal die Hilfsenergie (01, Luft, elektrisch angetriebene Motoren); - Regler: setzt den Steuerimpuls, der durch die Hilfsenergie iibermittelt wird, in mechanische Energie um, mit deren Hilfe die Turbinenregelung vorgenommen wird. Sie wird normalerweise durch eine Rtickkopplungseinrichtung zwischen Regler und Sensor erganzt, um eine schwingende, sich einpendebide Regelung zu vermeiden. Bei der fiir die Steuerung notwendigen Hilfsenergie handelt es sich neben der Moglichkeit der elektrischen Steuerantriebe um einen 01- oder Luftkreislauf, dessen Druck durch dauemd angetriebene Zahnrad- oder Schraubenpumpen oder vor allem bei groBen Maschinen durch gasgeflillte Windkessel mit bedarfsweise arbeitenden Pumpen gehalten wird. Ublicherweise ist bei alien Regelungsarten stets eine Moglichkeit zur Handsteuerung, also des direkten Eingriffs vor Ort gegeben, um beispielsweise bei Sto-

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

521

rungen sofort eingreifen zu konnen. Ebenso sind auch mechanische Vorrichtungen fiir die Offiiungsbegrenzung vorhanden, die in Extremsituationen, z. B. (Jberstau Oder Niedrigstwasser, eine weitere Offiiung der Turbine mit negativen Folgen verhindem. Die Turbinenregelung muB nun folgenden Bedingungen gentigen: - der Ubergang von einem Betriebszustand in den anderen mui3 moglichst rasch vor sich gehen; - wahrend der Ubergangs- oder Offiiungs- bzw. SchlieBzeit diirfen nur geringe Drehzahlschwankungen entstehen; - die fiir die Regelung notwendige Kraft darf nicht zu groB sein. Um diesen Anspriichen gerecht zu werden, ist es notwendig, eine Dampfiing in Form einer Schwungmasse vorzusehen, durch deren Schwungmoment bei Beschleunigung oder Abbremsung eine Verzogerung, insbesondere auch zur Verringerung eventxiell erzeugter DruckstoBe, erreicht wird. Die erforderliche Schwungmasse wird dabei bei Maschinen mit horizontaler Welle in Form eines separaten Schwungrades auf der Turbinenwelle angeordnet, bei Maschinen mit vertikaler Welle wird die notwendige Masse in der Kegel im Generatorlaufer untergebracht. Von besonderer Bedeutung speziell bei Hochdruckanlagen ist neben der SchlieBcharakteristik (s. Kapitel 8.3) die Offnungszeit der Turbine, die groBer als die Beschleunigungszeit des in der Triebwasserleitung befindlichen Wassers sein muB, da ansonsten die Gefahr von starken Druckschwankungen oder gar des AbreiBens der Wassersaule besteht (s. Kapitel 11.2 und 11.4.5.2).

Steuerventil

zu -M!-

zu

vom N^ I Windkessel [j=jr!

Rückführung

fid

zumj Ölbehälter

zu

Kurvenscheibe

Drehzahlverstelleinrichtung

zu I'

zu

Wellenservomotor Hohlwelle der Turbine y Regelring

£

l^/Steuerventil

vom frE-pr Wind11 kessel I zum Ölbehälter

Fliehkraftpendel

4-^jzu Servomotor

Rückführung

L

^

zu ' Leitschaufel

Handregler

" Laufradschaufel

Abb. 14.24: Schema der mittelbaren mechanisch-hydraulischen Steuerung bei einer doppelt reguHerten Kaplan-Turbine [14.5] Als Beispiel ftir die mittelbare mechanisch-hydraulische Steuerung ist in der nachfolgenden Abb. 14.24 das Steuerungsschema einer doppelt regulierten Kaplan-Turbine dargestellt, dessen Prinzip auf alle anderen Turbinen iibertragen

522

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

werden kann. Bei einer elektronisch-hydraulisch Steuerung werden die aufwendigen mechanischen Steuemngsteile in der Kegel durch eine Schaltanlage und mehrere Servomotoren ersetzt. 14.5

Pumpen und Pumpenturbinen

Pumpen stellen Maschinen dar, bei denen Energie zur Erhohung der mechanischen Stromungsenergie eines Fluids oder Gases eingesetzt wird, die also das genaue Gegenteil von Turbinen verkorpem, und dabei insbesondere folgenden Aufgaben dienen: - Forderung in offenen Anlagen uber groBe Entfemungen (Pipeline etc.); - Forderung in einem geschlossenen Kreislauf (Kuhlwasserkreislauf etc.); - Anheben des Fluids aus tiefliegenden in hoher liegende Becken (Pumpspeicherung etc.); - Speicherung von Fluid in geschlossenen Kreislaufen unter Druck, z. B. in Windkesseln, zur Steuerung etc.; - Energietibertragung zu Betrieb von Antrieben fur Steuerungs- und Regelungseinrichtungen. Pumpen kann man im wesentlichen in zwei Gruppen entsprechend ihrer Betriebsweise unterteilen, und zwar in Verdrangerpumpen (Kolbenpumpen, Zahnradpumpen etc.), die bei Wasserkraftanlagen vor allem in der Steuer- und Regelungstechnik zum Einsatz gelangen und hier nicht naher erlautert werden sollen, sowie Kreiselpumpen, die insbesondere in Pumpspeicheranlagen zum Heben des Triebwassers zum Einsatz kommen (s. auch Kapitel 17). 14.5.1

Kreiselpumpen

14.5.1.1 Grundlagen Bei den Kreiselpumpen handelt es sich im Prinzip um umgekehrt betriebene Uberdruckturbinen, die man nach ihrer Bauart und ihren Eigenschaften folgendermaBen unterteilt: Axialpumpen: axiale An- und Abstromung, riq « 150-300 min"\ Laufrad ahnlich dem der Propeller- bzw. Kaplan-Turbine (s. Abb. 14.25a); - Diagonalpumpen: axiale Anstromung und schrage (diagonale) Abstromung, Hq « 75-150 min"\ Schraubenrad (s. Abb. 14.25b); - Radialpumpen: axiale Anstromung und radiale Abstromung, Uq < 75 min"^ Laufrad ahnlich dem der Francis-Turbme (s. Abb. 14.25c+d). Bei der Diagonal- und der Radialpumpe tritt der Pumpenforderstrom in eine Auslaufspirale, also eine konzentrische Rohrleitung mit zunehmendem Durchmesser, die im Prinzip der Einlaufspirale einer Turbine entspricht. Auch hier sind je nach Anforderungen in manchen Fallen Leitschaufebi zur Stromungsstabilisierung angeordnet. -

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

523

Abb. 14.25: Laufradformen von Kreiselpumpen: a) Axialpumpe; b) Diagonalpumpe; c) Radialpumpe (Niederdruckrad, riq bis 75 min'^); d) Radialpumpe (Hochdruckrad, n^ bis 25 min"^) Langsam laufende Pumpen, insbesondere Radialpumpen, eignen sich fur die Uberwindung groBer Forderhohen, die Schnellaufer und die noch schnelleren Flugelrad- oder Axialpumpen dagegen zur Forderung groBer Wassermengen auf kleine Forderhohen, weshalb in Pumpspeicherkraftwerken nahezu ausschlieBlich Langsamlaufer eingesetzt werden, da es sich bei dem uberwiegenden Anteil um Hochdruckanlagen handelt. 14.5.1.2 Bemessung Die GrundbemessungsgroBe fur die Auslegung einer Pumpe stellt die Pumpenforderhohe hp dar, die zwischen dem Saug- bzw. Einlaufstutzen und dem Druckbzw. Auslaufstutzen gemessen wird und sich aus der Bemoullischen Gleichung (2.7) ergibt (s. Abb. 14.26a): (v'o-v'.) " +K,s+K,D =hgeo+y^Ai hp =hgeo+ \

^ hg^o + C' Qp [m]

(14.38)

hp Pumpenforderhohe [m] [m] hgeo geodatische Hohendifferenz zwischen Unter- und Oberwasser [m] K,s^K,D Verluste am Saug-/Druckstutzen [sVm'] C Konstante [mVs] Qp Pumpenforderstrom Berucksichtigt man, daB die Ein- und Auslaufgeschwindigkeiten v« bzw. Vo vernachlassigbar klein und die sonstigen Verlusthohen proportional zum Pumpenforderstrom Qp sind, so kann man die Vereinfachung in (14.38) treffen. In emem hpgp-Diagramm ergibt diese vereinfachte Gleichung eine Parabel, die die sogenannte Anlagen- oder Rohrleitungskennlinie darstellt (s. Abb. 14.26b) und die Pumpanlage ohne Pumpe charakterisiert. In Abb. 14.26b ist des weiteren noch die sogenannte Drosselkurve, auch Pumpenkennlinie genannt, aufgetragen, die das Verhaltnis der Pumpe zwischen hp und Qp bei konstanter Drehzahl n darstellt. Laufl die Pumpe gegen einen geschlossenen Schieber, so ergibt sich die NuUforderhohe hp^oEbenso ist in der Abb. 14.26b die Anderung des Wu-kungsgrades der Pumpe rjp und der Antriebsleistung Pp in Abhangigkeit vom Pumpenforderstrom Qp pro Zeiteinheit aufgetragen.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

524

---?; v,D

I

hP

geo

2g vo

Saugstutzen

(a)

Unterwasser

Druckstutzen

Saug- - J I Pumpe leitung ^

Oberwasser

Druckleitung

h p [%]

Hp hp=f(Qp)

Dro sselkuirve/P umpe nkenn linie

K

[%] . Arbeitspunkt A

p,i 1^ 90 Anla gen-/ R.ohrl eitung^skennlinie

100 90

lp,max

80

80 70

70

120— 60

60 ^p=f1(Qp)

100— 50

50 geo

Pp=f2(Qp) 80 — 40

40 P 30

[%] 60 — 30

20

40 ~ 20

10

20 — 10

n = const.

b

1

} 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 Qp [%]

Abb. 14.26: a) Schema einer Pumpanlage; b) Kennlinien einer Kreiselpumpe (Langsamlaufer) mit n = const. [14.21]

Der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie und der Drosselkurve ergibt den Arbeits- Oder Betriebspunkt der Pumpe. Bei einer gut konstruierten Pumpe muB der Hochstwert des Wirkungsgrades rjpmax der Pumpenforderstrom Qp des Arbeitspunktes entsprechen, wie dies in Abb. 14.26b dargestellt ist. Genauso wie bei den Turbinen dienen auch bei den Pumpen Muscheldiagramme der Verkntipfung von Pumpenforderstrom, Pumpenforderhohe, Drehzahl und Pumpenleistung mit dem Ziel des optimalen Betriebes. Je groBer die gewiinschte Forderhohe bei gegebener Drehzahl und Forderstrom ist, um so kleiner muB die spezifische Drehzahl der Pumpe sein (s. Gleichung (14.6f)). Dieser Umstand bestimmt die untere Grenze der spezifischen Drehzahl, die sich durch den Pumpenwirkungsgrad ergibt. Letzterer verschlechtert sich mit

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

525

dem notwendigerweise wachsenden Laufraddurchmesser und den enger werdenden Kanalen derart, daB der Betrieb unwirtschaftlich wird. Als Grenzwert fur die spezifische Drehzahl bei Pumpen ergibt sich im allgemeinen ein Wert von rtq ^10 mm ^, wobei normalerweise ein Wert von « ^ ^ 17-20 min"^ nicht unterschritten wird. Um von der Pumpe eine hydraulische Forderleistung zu erhalten, muB ihr durch einen Antrieb Leistung zugefuhrt werden. Dieser Leistungsbedarf der Pumpe ergibt sich analog (2.11) - allerdings mit dem Kehrwert des Wirkungsgrades - zu: Pp=-

P'g-Qp'hp

[kW]

(14.39)

r|p

Pp Leistungsbedarf der Pumpe [kW] 7P Pumpenwirkungsgrad s. Abb. 14.27 [-] wobei sich der Pumpenwirkungsgrad rjp bei groBen Maschinen im MWLeistungsbedarf zwischen 90-95 % und bei Maschinen im kW-Leistungsbedarf zwischen 75-90 % bewegt (s. Abb. 14.27). 100 tip [%]

95

/

90

. —

1

85 80

nq=n

75

4Q-

r

• -Iv

[nun J

rip

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Abb. 14.27: Uberschlagiger Pumpenwirkungsgrad rip in Abhangigkeit der spezifischen Drehzahl via Entsprechend ergibt sich der Leistungsbedarf des Motors, also letztlich der Pumpenanlage zu: 9'g'Qp'h

PpM - '

[kW]

(14.40)

rip-TiM PpM Leistungsbedarf des Pumpenmotors [kW] 7]M Motorwirkungsgrad [-] woraus sich wiederum uber das Integral uber die Zeit analog zu (2.15) der Energiebedarf innerhalb eines Zeitabschnittes errechnet.

526

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

14.5.1.3 Anordnung, Bauweisen und Betrieb Entsprechend den technischen und ortlichen Erfordemissen stellt die Wellenanordnung ein Unterscheidungsmerkmal dar, wobei folgende Ausfiihrungen moglich sind: - horizontale Wellenachse: Pumpen klemer bis mittlerer GroBe, vor allem Radialpumpen, 1- oder 2flutige Zulaufe, Pumpenforderhohe bis ca. 300 m, geringer Wirkungsgrad; - vertikale Wellenachse: Pumpen groBer Abmessungen, vor allem Axial- und Diagonalpumpen, bis zu 6stufige Anordnung, groBe Forderhohen; - diagonale Wellenachse: Axialpumpen kleiner GroBe, vor allem bei kleinen Anlagen, bei Wasserkraftanlage selten. Bei alien Pumpen ist stets auf eine moglichst wirbelfreie Anstromung zu achten, da Wirbel stets den ZufluB einschranken und damit den Wirkungsgrad vermindem und da diese unter Umstanden Luft in die Leitung reiBen, die neben einer Wirkungsgradverringerung auch zu anlagenschadlichen Vibrationen fiihren kann. Eine besonders wichtige GroBe bei Pumpen stellt die Zulaufhohe hps zwischen Unterwasser und Pumpe dar, der die gleiche Bedeutung wie der Saughohe hs (14.37) bei Turbinen beizumessen ist, da bei zu groBer Zulaufhohe Kavitationsgefahr besteht, deren Folgen meist gravierender als bei Turbinen sind. Die Bedingung fur die Zulaufhohe hps ergibt sich also analog (14.37) aus der Bemoullischen Gleichung ftir die Druckverhaltnisse zwischen dem Unterwasser und dem Pumpensaugstutzen zu: hps

v! Ks-^^\

[m]

(14.41a)

bzw. 2 \ hps,max

hps Gfh hys

-^Th'hp

= hamb ~ ^d

[m]

(14.41b)

Zulaufhohe der Pumpe s. Abb. 14.26b Thoma-Beiwert s. Abb. 14.7 Verlusthohe bis zum Saugstutzen

[m] [-] [m]

Der in diesem Zusammenhang heute auch gebrauchliche NPSH-WQrt (s. Kapitel 14.2.5.4), der zunehmend von den Pumpenherstellem als KenngroBe angegeben wird, ergibt sich ebenso wie (14.41a) aus der Bemoullischen Gleichung fur den Energiezustand zwischen dem Unterwasser und dem Pumpensaugstutzen zu: 1

1

^u

NPSH = hamb-hd- hps+Ks+^—

, -^Tj^'K

[m]

(14.42)

NPSH Net positive suction head [m] In der Praxis fuhren diese Bedingungen unter Beriicksichtigung von Sicherheitszuschlagen (in der Kegel 0,5-1,0 m), die von Herstellerseite angegeben werden, zu Werten von einigen zehn Metem unterhalb des Unterwasserspiegels bis zu 7 m tiber demselben, wobei bei diesem letzteren Wert gerade die Wassersaule noch nicht abreiBt.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

527

Zur Erlangung groBerer Pumpenforderhohen oder -mengen werden sehr oft mehrere Pumpen in Serien- oder Parallelschaltung kombiniert. Kreiselpumpe

Abb. 14.28: Schematische Darstellung der unterschiedlichen Bautypen von Kreiselpumpen [14.8] Bei der Serienschaltung sind mehrere Einzelpumpen hintereinander geschaltet. In der kompakten Bauweise findet sich dieses Prinzip in den mehrstufigen Pumpen wieder, bei denen mehrere Laufrader auf einer einzigen Antriebsachse hintereinander sitzen und das zu pumpende Wasser direkt vom Druckrohr eines Laufrades in das Saugrohr des nachfolgenden Laufrades iibergeht (s. Abb. 14.28). Bei diesem Bautyp addieren sich die Pumpenkennlinien in Richtung der Pumpenforderhohe hp, es wird also eine Steigerung der Pumpenforderhohe erreicht (s. Abb. 14.29a), und damit ergibt sich die spezifische Drehzahl fiir / Stufen zu: Ha =n-

[min ]

(14.43a)

[h^iif

Anzahl der Pumpenstufen

[-]

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

528

Verhaltnismai3ig selten trifft man bei Wasserkraftanlagen die Riicken-anRiicken- bzw. Back-to-back-Bauweise der mehrstufigen Pumpen an (s. Abb. 14.30a), bei denen auf einer Achse die Laufrader zweier direkt folgender Stufen mit ihren Riickseiten aufeinander stolen, wodurch ein relativ verlustarmer Axialschubausgleich erzielt und eine weniger aufwendige Lagerung moglich wird. Bei der Parallelschaltung werden mehrere separate Pumpen nebeneinander geschaltet, wobei die jeweils separat zugeleiteten Forderstrome sich direkt nach den Pumpen vereinigen. Als kompakte Bauweise existiert dieses Prinzip bei den 2flutigen Pumpen, bei denen ein Laufrad mit doppeltem Schaufelbesatz versehen ist und von beiden Seiten angestromt wird (s. Abb. 14.28). Bei dieser Pumpenkombination addieren sich die Pumpenkennlinien in Richtung des Pumpenforderstromes Qp, es tritt also eine Steigerung der Pumpenfordermenge ein (s. Abb. 14.29b). Befinden sich auf der Druckseite Absperrorgane, so lassen sich bei n Pumpen (2^-1) Arbeitspunkte fahren, wodurch ein sehr anpassungsfahiger Betrieb moglich ist. Die spezifische Drehzahl bei j nebeneinander geschalteten Pumpen ergibt sich zu: Ha =n

V2P77

[min"^]

(14.43b)

Anzahl der nebeneinandergeschalteten Pumpen

[-]

A

\

Rohrkennlinie ^^^^"^'^

Pumpe 1

^ \ ^ ^ \ , ^ ^ ^ " ^ ^ ^ - - ^ ^ ^ ^ Pumpe 1+2 ^^Arbeitspunkte ^^^....„^^

\

m

L Qp,i Qp,2

]

\ ^ Pumpe 2

1 Qp,H2

^ Qp

Abb. 14.29: Kennlinien von kombinierten Pumpen: a) Serienschaltung zweier Pumpen; b) Parallelschaltung zweier Pumpen Zur Regelung stehen msbesondere folgende Moglichkeiten zur Verfugung, die zum Zweck einer optunalen Regelung vielfach kombiniert werden: - Drehzahlregelung: Da, wie bereits erlautert, zu jeder Pumpenkennlinie eine bestimmte Drehzahl gehort, bewirkt eine Drehzahlveranderung auch eine Pumpenregelung; bei kontinuierlicher Drehzahlanderung wird diese Regelungsart auch als stufenlos bezeichnet. Insbesondere bei kleinen Pumpenfbrderhohen kann eine Anlage mit derartiger Regulierung stets im Bereich ihres Bestpunktes arbeiten, dariiber hinaus zeichnet sie sich durch geringe Betriebskosten aus.

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

529

-

Drosselregelung: Durch ein in der Druckleitung eingebautes Drosselorgan, z. B. in Form eines stufenlos verstellbaren Ringschiebers, werden Anlagenkennlinie und damit der Arbeitspunkt verschoben. Da derartig regulierte Pumpen einen erhohten Widerstand iiberwinden und sie meist auBerhalb des Bestpunktes arbeiten miissen, sind erhohte Betriebskosten unvermeidbar. - Schaufelregelung: Bei Axial- und Diagonalpumpen kann durch eine Verstellung der Laufradschaufeln die Lage der Pumpenkennlinie verandert werden. Diese Regelungsart wird vor allem bei groBen, wenig schwankenden Pumpenfbrderhohen eingesetzt und zeichnet sich durch niedrige Betriebskosten aus. Beim Anlassen einer iiber dem Unterwasserspiegel angeordneten Pumpe muB das normalerweise am Druckstutzen befindliche Absperrorgan zunachst geschlossen bleiben und die Pumpe mindestens bis zur Sauggrenze, meist jedoch ganzlich mit Wasser gefullt werden, bevor diese anlauft. Das Absperrorgan sollte erst dann geoffiiet werden, wenn der Druck vor und hinter demselben den gleichen Wert erreicht hat. Turbine

7,775 m

Generator

10,45 m

Pumpe

Abb. 14.30: Pumpspeichersatze: a) horizontalachsiger Maschinensatz (Sackingen) mit getrennter Anordnung von Turbine und Speicherpumpe (Rucken-an-RuckenAnordnung) [14.22]; b) vertikaler Maschinensatz (Hausem) [14.23] Bei einer unter dem Unterwasserspiegel liegenden Pumpe konnte das Absperrorgan beim Anfahren geoffhet bleiben oder gar entfallen, da eine Ftillung pro-

530

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

blemlos von selbst geschieht. Da groCe Speicherpumpen meist von Synchronmaschinen angetrieben werden und diese nur bei einer geeigneten Dampferwicklung, die seltener vorhandenen ist, die geftillte Pumpe gegen ein geschlossenes Absperrorgan in Betrieb nehmen konnen, wird meistens vor Pumpbeginn die Pumpe durch Einblasen von Druckluft soweit entleert, daB sich der Wasserspiegel unterhalb der Laufradsaugkante befmdet. Nach Hochfahren der Maschine auf Synchrondrehzahl wird die Druckluft im Pumpengehause am hochsten Punkt langsam und gleichmaBig abgelassen, so daB der Wasserspiegel steigt und die Pumpe zu fordem begmnt. Abb. 14.30 enthalt je ein Ausftihrungsbeispiel fiir einen horizontalachsigen Pumpspeichersatz mit getrennter Anordnung von Francis-Turbine und Speicherpumpe (Pumpspeicherwerk Sackingen) und fur einen vertikalachsigen FrancisPumpen- Maschinensatz (Pumpspeicherwerk Hausem). 14.5.1.4 Wellenkupplungen Da die Pumpen bei Pumpspeichermaschinensatzen normalerweise auf einer Achse mit dem Motorgenerator und der Turbine sitzen (s. Abb. 14.30 und Abb. 17.8), muB im Fall des Turbinenbetriebes die Pumpe entweder durch eine ausriickbare Kupplung abgetrennt werden oder im Falle von festen, nicht losbaren Kupplungen mit Hilfe von Druckluft entleert werden, da bei einem Leerlaufl^etrieb mit Wasserfiillung das Wasser eine Bremswu-kung und so inft)lge des hohen Widerstandes einen deutlichen Wirkungsgradverlust der Maschinengruppe zur Folge hatte. Zur Verdeutlichung sind in nachfi)lgender Abb. 14.31 die Anfahrzeiten einer Wasserkraftanlage mit hydraulischem Wandler sowie einer Anlage, bei der die Pumpe ausgeblasen, angefahren und anschlieBend wieder gefullt werden muB, dargestellt. Die kurzen Betriebsiibergangszeiten im Kraftwerk Wehr infolge einer sehr kurzen Kupplungszeit von 14 s gegeniiber 155 s in Witznau ermoglichen den erwiinschten schnellen Lastwechsel zur Dampfiing von Netzschwankungen. Folgende ausriickbaren Kupplungen kommen bei Pumpspeichermaschinensatzen zur Ausfiihrung: - Klauen- oder Zahnkupplung: Zwei jeweils auf Antriebs- und Abtriebswelle sitzende Scheiben werden durch einen Zahnring oder eine Zahnscheibe fest miteinander verbunden; ein Einriicken erfolgt im Stillstand oder bei absolutem Synchronlauf - Reibkupplung: Das Drehmoment wird bei dieser Kupplung durch Reibung Ubertragen, indem zwei an den Wellenenden befestigte Kupplungselemente aufeinandergepreBt werden; ein Einrucken kann jederzeit erfolgen; aufgrund des moglichen Schlupfes ist ein Wirkungsgradverlust moglich. - Hydraulische Kupplung oder Fliissigkeitskupplung: Die KraftUbertragung erfolgt tiber die unter Druck stehende Fliissigkeit (Wasser oder meist 01) in einem Gehause mit zwei darin befindlichen, einander gegenuber angeordneten Laufradem an den Wellenenden; ein Kuppeln ist jederzeit durch Ftillen des Kupplungsgehauses moglich; ein Schlupf mit einem Drehzahlunterschied von ca. 3 % ist unvermeidbar. - Hydraulischer Drehmomentenwandler: Das Funktionsprinzip gleicht dem der hydraulischen Kupplung, wobei durch eine veranderte Ausfiihrung ein Betrieb ohne Schlupf und regelbare Drehzahl der Abtriebswelle, die sogar

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

531

tiber der der Antriebswelle liegen kann, moglich ist; eine Kupplung durch Fullen des Kupplungsgehauses ist jederzeit moglich. [MW]f[min']f 300

600

200

400

Zahnradkupplung ein

500^ •-Zahnradkupplung ein

300 IWitznau]

200

Wehr Witznau

10 20 30 Anfahren Kugelschieber ofiben mit Wandler (ab Befehl) Ausblasen

40

50

Anfahren mit Peltonturbine

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160 t[sec]

Entliiften und Fullen der Pumpe

Ringschieber offiien (63 sec)

Abb. 14.31: Vergleich der Anfahrzeiten bei Pumpen mit hydraulischem Wandler (Wehr) und auszublasender Pumpe (Witznau) [14.24] Zur Ubertragung hoher Leistung und zum gleichzeitigen Ein- und Auskuppeln wahrend des Betriebes ist vor allem eine zweigeteilte Losung sehr verbreitet: 1. Zuerst werden die Wellen mit der erreichbaren Genauigkeit auf Synchronlauf gebracht, indem - eine tiber die Beaufschlagung geregelte Anwurfturbine, meist eine PeltonTurbine, zum Einsatz gelangt (insbesondere bei ein- oder zweistufigen Pumpen) oder - bei hydraulischen Kupplungen oder Drehmomentenwandlem deren FlussigkeitsfuUung verandert wird (vorwiegend bei mehr als zweistufigen Pumpen). 2. AnschlieBend erfolgt nach der Synchronisation die Kupplung, meist durch Klauenkupplungen. 14.5.2

Pumpenturbinen

14.5.2.1 Allgemeine Bauweisen und Betrieb Eine erhebliche Kostenreduzierung konnte mit der Entwicklung der sogenannten reversiblen Wasserkraflmaschine, die anstelle zweier Einzehnaschinen umkehrbar entweder als Turbine oder als Pumpe arbeitet, erreicht werden. Die bis zu 30 % betragende Kostenerspamis betraf hierbei nicht nur den Maschinensatz, sondem auch das Kraflhaus aufgrund des abgeminderten Raumbedarfes. Femer entfallt die Halfle der Verteilleitungen und der VerschluBorgane. Auf der Saugrohrseite kann eine Leitung eingespart werden. Grundsatzlich konnen alle bereits genannten Kreiselpumpentypen als Pumpenturbine eingesetzt werden. An die Stelle von reversiblen Kaplan-Turbinen treten mit zunehmender Fall- bzw. Forderhohe reversible Francis-Turbinen. Ein- und mehrstufige Pumpenturbinen konnen mit verstellbaren und starren Leitschaufeln entsprechend dem jeweiligen Bautyp ausgefiihrt werden und kommen praktisch fiir den ganzen Bereich der konventionellen Speicherpumpen in Frage. Bei der Ausgestaltung der Laufradschaufeln, insbesondere der Ein- und Austrittskanten,

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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

mussen die wechselnden Stromungsrichtungen berticksichtigt werden, wodurch beispielsweise im Gegensatz zum reinen Kaplan-Laufrad beim KaplanPumpturbinenlaufrad eine Umformung notwendig wird. Bei Anlagen mit FrancisLaufradem fiir groBe Pumpenforderhohen spielen die sorgfaltige Ermittlung der Anzahl der Laufradschaufeln und der Leitschaufeln bei der Vermeidung von anlagenschadlichen Vibrationen sowie die Optimierung des Anfahrvorganges eine bedeutende RoUe (s. a. Kapitel 15.2.2.1). Insbesondere fur groBe Forderhohen wurden daher in Japan spezielle Pumpturbinenlaufrader in sogenannter geteilter Bauweise entwickelt (s. a. Kapitel 17.8.1), bei denen im Gegensatz zu klassischen Francislaufradem jede zweite Laufradschaufel zur Laufradmitte bin ktirzer ausgebildet ist. Diese Laufrader weisen neben einem guten hydraulischen Verhalten auch einen hoheren Wirkungsgrad sowie einen groBeren Beaufschlagungsbereich auf [14.25]. Im Falle gleicher Drehzahlen im Pumpen- und Turbinenbetrieb weist die Pumpenturbine einen um 3 bis 4 % niedrigeren Wirkungsgrad auf. Dieser Nachteil laBt sich entweder durch ein Umschaltgetriebe fiir eine je nach Pumpe und Turbine ausgerichtete Drehzahl oder durch einen Motorgenerator mit Polumschalter (Variation der Polpaarung) beheben. Neben der Kostenerhohung bedeutet dies bei Umschaltgetrieben oder Polumschaltem jedoch eine weitere Verlangerung der Umschaltzeiten, die von vomherein schon im Vergleich zum konventionellen Maschinensatz mit getrennter Turbine und Pumpe langer ausfallen, da der Drehsinn der Pumpenturbine fur Pumpen- und Turbinenbetrieb entgegengesetzt ist. Eine weitere Erschwemis bedeutet fur Pumpenturbinen eine zu groBe Schwankung des Pumpenzulaufdruckes; diese sollte weniger als em Drittel des Bemessungsdruckes betragen. Eine Alternative stellen seit Mitte der 1990er Jahre auch Maschinensatze mit drehzahlvariablen Betrieb dar, der durch den Einsatz von Umrichtem (s. Kapitel 16.3.6.1) erreicht werden kann. Diese Betriebsart ist vor allem dann von Interesse, wenn auch im Pumpbetrieb zusatzliche Regelungsaufgaben im Netz iibemommen werden sollen oder erne in Abhangigkeit vom ZufluB stark schwankende Fallhohe vorliegt (s. Kapitel 14.4.2) und gleichzeitig der hydraulische Wirkungsgrad verbessert werden soil. Generell kann der Maschinenwirkungsgrad fur Pumpenturbinen im Turbinenbetrieb mit 93-95 %, im Pumpenbetrieb mit 75-85 %, bei Hochleistungsspeicherpumpen sogar bis zu 98 %, angesetzt werden. Der Wirkungsgrad muB also nicht wesentlich schlechter als bei einer einzehi betriebenen Komponente sein, sofem man einer der beiden hydraulischen Betriebsarten den Vorrang gibt. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpspeicheranlagen liegt heute im Bereich von 75-80 %. Im Ubrigen hat die groBte derzeit eingesetzte Pumpenturbine (Rodund II der 111Kraftwerke) eine Maschmenleistung von 284 MW. Bei Umkehrturbinen ist der Anfahrvorgang im Grunde dem einfacher Pumpen gleich, indem beim tFbergang zwischen den beiden Betriebsarten muB der Maschinensatz erst zum Stillstand gebracht werden. Bei radialen Pumpturbinen sollte der im vorhergehenden Kapitel 14.5.1.3 bereits beschriebene FUllvorgang beim Anfahren von unter dem Unterwasserspiegel angeordneten Maschinen ganz oder zumindest teilweise vom Leitrad, also der Druckseite her vorgenommen werden, da sonst mit betrieblichen Nachteilen zu rechnen ist. Bei axialen oder diagonalen

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

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Maschinen besteht neben der Entwassemng auch die Moglichkeit des SchlieBens der verstellbaren Laufschaufeln zur Verminderung des Anfahrwiderstandes. Die Einflusse auf den Betrieb infolge notwendiger Synchronisation sowie den eventuell notwendige Einsatz von Anfahrhilfen (Anfahrwandler, kleine Anfahrturbinen o. a.) werden im Kapitel 16.4.5 im Zusammenhang mit den Generatoren und deren Betriebsverhalten erlautert. Die Umschaltzeiten sind in Kapitel 17.6 und insbesondere in Abb. 17.8 genannt. 14.5.2.2 Sonderformen Einen groBen Nachteil der mit den iiblichen Laufradformen versehenen Pumpturbinen stellt der notwendige voriibergehende Stillstand der Maschine dar, der durch die Umschaltvorgange infolge der erforderlichen Umkehr der Drehrichtung etc. deutlich verlangert wird, womit sich der erwUnschte schnelle Lastwechsel verzogert. Turbinenteil

^Zylinderschütz-r'''''^ Zylinderschütz offen \ ^geschlossen^ ^ saugstutzenseitige Klappe: Abb. 14.32: Isogyre-Pumpturbine (hier im Turbinenbetrieb) [14.7] Um diesem Nachteil entgegen zu wirken, wurde die radiale Isogyre-Pum penturbine entwickelt, die sowohl im Turbinen- als auch im Pumpenbetrieb die Drehrichtung beibehalt (s. Abb. 14.32). Diese fiir beide Betriebsarten gleichsinnig laufende hydraulische Maschine besitzt innerhalb eines einzigen Spiralgehauses zwei koachsiale, vollig voneinander getrennte Laufrader. Hiervon stellen bei bester Anpassung an unterschiedliche Betriebszustande das eine das Pumpenlaufrad, das andere das Turbinenlaufrad dar. Der dem Pumpenlaufrad vorgeschaltete Stutzschaufelkranz bildet den unverstellbaren Leitapparat der Pumpe; der dem Turbinenlaufrad zugeordnete Leitschaufelkranz ist dagegen verstellbar. Auf der Unterwasserseite sind zwei Rohrleitungsanschliisse, auf der Druckseite dagegen nur einer in Form des Spiralgehauses vorhanden. Das jeweils aui3er Betrieb befindliche Laufrad wh*d einerseits vom Spiralgehause durch ein Zylinderschtitz abgetrennt, und andererseits wird in diesem Laufrad der Wasserspiegel auf der Saugseite mit Hilfe von Druckluft abgesenkt und diese Seite daruber hinaus durch eine Klappe verschlossen.

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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

Eine weitere Sonderform zur Verktirzung der Umschaltzeiten stellt die diagonale Deriazsche Pumpturbine dar, die vor allem fiir mittlere Fallhohen geeignet ist (s. Abb. 14.33). Bei dieser Diagonalmaschine (s. a. Kapitel 15.1.1.3) mit einer Drehrichtungsumkehr ist das Laufrad ahnlich demjenigen der Francis-Turbine mit dichter Schaufelteilung ausgebildet, so daB auf den Einbau eines Leitrades verzichtet werden ann. Gleichzeitig sind diese Laufschaufeln verstellbar wie bei einer Kaplan-Turbine. Hierdurch entfallen zum einen die fur gewohnliche FrancisTurbinen im Pumpbetrieb auftretenden Vibrationen, die sonst nur durch zusatzliche Fixiereinrichtungen verringert werden konnen. Zum anderen bilden die Laufschaufeln im geschlossenen Zustand einen glatten Kegel, durch den beim Anfahren der Maschine als Pumpe infolge des wesentlich verringerten Widerstandes ein sehr viel kleineres Antriebsmoment benotigt und ein Ausblasen der Maschine unnotig werden. Gleichzeitig wird durch das VerschlieBen des Laufrades ein Zuruckstromen des Wassers verhindert.

Abb. 14.33: Deriazsche Pumpturbine [14.21] An den Stutzschaufeln sind meist noch bewegliche Klappen angebracht, wodurch eine entsprechende Lenkung des Wassers ermoglicht wird. Da in beiden Betriebsarten die Wasserstromung durch die verstellbaren Laufschaufeln geregelt werden kann, erreicht diese Turbine einen verhaltnismaBig guten Wirkungsgrad, der im Turbinenbetrieb den einer Kaplan-Turbine erreichen kann. 14.6 [14.1]

Literatur International Electrotechnical Comission (Hrsg.): International Standard lEC 41: Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. 3. Auflage. Genf, 1991

14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen [14.2]

[14.3] [14.4] [14.5] [14.6] [14.7] [14.8] [14.9]

[14.10] [14.11]

[14.12] [14.13] [14.14]

[14.15]

[14.16]

[14.17] [14.18] [14.19] [14.20] [14.21]

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International Electrotechnical Comission (Hrsg.): Technical Report lEC 61366: Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - tendering documents, Part 1-7. Genf, 1998 Norm DIN 4320, Wasserturbinen - Benennung nach der Wirkungsweise und nach der Bauweise. Oktober 1971 Sulzer Hydro, Ravensburg: Einsatzbereiche von Sulzer Hydro Wasserturbinen, 1998. Mosonyi, E.: Water power development. Band I + II. Budapest: AkademiaiKiado, 1987/1991 Voith Hydro GmbH, Heidenheim: Personliche Auskunft, 1996 Raabe, J.: Hydraulische Maschinen und Anlagen. 2. Auflage der Telle 1 bis 4 in einem Band. Dusseldorf: VDI-Verlag, 1989 Press, H.: Wasserkraftwerke. 2. Auflage. Berlin, Mtinchen: W. Ernst & Sohn, 1967 Quantz, L.; Meerwarth, K.: Wasserkraftmaschinen - Eine Einfuhrung in Wesen, Bau und Berechnung von Wasserkraftmaschinen und Wasserkraftanlagen. Springer-Verlag, 1954 Code, E.; Kaps, A.: MaBgeschneidertes Turbinendesign am Virtuellen Prufstand. In: Wasserwirtschaft 91 (2001), Heft 9, Seite 430-433 Ruprecht, A. et al.: Einsatz der numerischen Stromungsmechanik in der Entwicklung hydraulischer Stromungsmaschinen. In: Mitteilungen des Institutes fiir Stromungsmechanik und hydraulische Stromungsmaschinen (1994), Nr. 9 Institut fur Stromungsmechanik und Hydraulische Stromungsmaschinen der Universitat Stuttgart: Personliche Auskunft, 1998 Grosse, G.; Kachele, T. Jacoby, G.: Analysis of abrasion m hydraulic machmery. In: Hydropower & Dams 2 (1995), Heft 2, Seite 34-39 Deniz, S.; Bosshard, M; Speerli, J.; Volkart, P.: Saugrohre bei FluBkraftwerken. In: Mitteilungen der Versuchsanstalt fur Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zurich (1990), Nummer 106 Giezendanner, W.: Die Optimierung von Saugrohrlangen bei Niederdruckkraftwerken. In: Wasser, Energie, Luft 94 (2002), Heft 11/12, Seite 325-328 Wasserwirtschaftsverband Baden-Wurttemberg e. V. (Hrsg.): Vermeidung von Schmiermitteleintragen in die Vorfluter. Tagungsband. Heidelberg, 1993 Kohler, K.: Selbstschmierende Gleitlager im Stahlwasser- und Turbinenbau. In: Wasserwutschaft 82 (1992), Heft 2, Seite 78-88 Ittel, G.; Heimerl, S.: Innovative Sanierung der Wasserkraftanlage Kiebingen am Neckar. In: Wasserwutschaft 91 (2001), Heft 9, S. 434-442 Norm DIN 4321, Wasserturbinen - Technische Angaben fur Regeleinrichtungen. Mai 1987 Kohler, B.: Getriebelose drehzahlvariable Kleinwasserl
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14 Funktionsweise von hydraulischen Maschinen

[14.22] Grafen, E. (Hrsg.): Schluchseewerk AG Hotzenwaldwerk - Unterstufe Sackingen. Li: Musteranlagen der Energiewirtschaft, Band 7. Grafelfing: Energiewirtschaft und Technik Verlagsgesellschaft [14.23] Schluchseewerk AG, Freiburg: Personliche Auskunft, 1996 [14.24] Schluchseewerk AG (Hrsg.): 50 Jahre Schluchseewerk AG Freiburg - Bau und Betrieb groBer Pumpspeicherwerke. 1978 [14.25] Taguchi, T.; Inagaki, T. et al.: Application of new type runner to pumped storage power plants. In: Hydro 2002 - Development, Management, Performance, Conference Proceedings, Kiris, 2002, Seite 11-19

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15

Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Nachdem im vorausgehenden Kapitel 14 die Grundlagen und wesentlichen Unterscheidungsmerkmale der hydraulischen Maschinen erlautert sowie im Abschnitt 14.3 auf alle Bauteile von Turbinen auBer dem Laufrad mit seinen zugehorigen Bauelementen eingegangen wurde, sollen nun die unterschiedlichen Typen der hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung unabhangig von der LeistungsgroBe naher betrachtet und damit weitere Kriterien fiir die Wahl der entsprechenden Maschinenart dargelegt werden. Zusatzlich werden jeweils die bei Kleinwasserkraftanlagen eingesetzten, zum Teil sehr weit standardisierten Bautypen beschrieben. Diese Turbinenreihen fur einen Leistungsbereich von etwa 20 kW bis zu uber 10 MW zeichnen sich vor allem durch ihre kompakte Bauweise, die eine nahezu komplette werkseitige Voranfertigung aller wesentlichen Anlagenteile (Wasserftihrung, Turbine, Generator sowie auch Steuer- und Regeleinrichtungen) erlaubt, sowie durch ihren robusten und wartungsarmen, weitestgehend automatisierten Betrieb aus. Diese in sogenannter Kompaktbauweise nahezu durchweg vorgefertigten Anlagen konnen je nach GroBe vormontiert per LKW an den Projektstandort transportiert und dort auf die vorbereiteten Fundamente gesetzt werden. Eine Fillle von entsprechenden Hinweisen zur Maschinenauslegung bei Kleinwasserkraftanlagen und Beispielen ausgefuhrter Anlagen befinden sich beispielsweise in den Prospekten der Turbinenhersteller oder in den diversen Leitfaden. 15.1

Propeller- und Kaplan-Turbinen

15.1.1

Konstruktion und Betriebsweise

Bei Propeller- und Kaplan-Turbinen handelt es sich um Axialturbinen, die bis zu einer Fallhohe von ca. 80 m und meist groBeren DurchflUssen, also im Niederund Mitteldruckbereich, zum Einsatz gelangen (s. Abb. 14.4). Beide Maschinen konnen sowohl mit vertikaler als auch mit horizontaler bzw. leicht geneigter Wellenachse ausgefiihrt werden. Bei den horizontal angeordneten Turbinen unterscheidet man zwischen Propellerturbinen und Kaplan-Rohrturbinen (s. Kapitel 15.1.1.1) mit ihren iiberwiegend im Kleinwasserkraftbereich eingesetzten Sonderformen, den S-Rohrturbinen, Kegehad- und Getriebe-Rohrturbinen. Eine weitere Bauweise stellen die Rohrturbinen mit AuBenkranzgenerator, die sogenannte Straight-Flow-Turbine oder kurz Straflo-Turbine (s. Abschnitt 15.1.1.2), sowie die Diagonalturbine (s. Kapitel 15.1.1.3) dar. Kaplan-Turbinen (s. Abb. 15.1) haben im Gegensatz zu den zuerst entwickelten Propellerturbinen bewegliche Laufradschaufebi, wodurch sie iiber einen groBen Beaufschlagungsbereich einen guten Wirkungsgrad erreichen (s. Abschnitt 14.2.6.1). Bei diesem Turbmentyp kann in der Regel auf ein zusatzliches VerschluBorgan - abgesehen von dem ublichen NotverschluB - verzichtet werden, da hierfiir das zur Regulierung notwendige Leitrad mit den Leitschaufeln in Frage kommt. Bei Kaplan-Turbinen steht zusatzlich noch das Laufrad mit seinen Laufradschaufebi zur Verftigung, das bei kleinen leitradlosen Ausfuhrungen die SchlieB- und Offiiungsfunktion wahmimmt.

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15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Propellerturbinen kommen iiberwiegend dort zum Einsatz, wo entweder ein sehr gleichmaBiger DurchfluB zu erwarten ist oder wo mehrere Maschinen in einem Krafthaus installiert sind, da der Wirkungsgrad sehr stark von der Beaufschlagung abhangig ist (s. Abb. 14.9) und eine abgestufte Regelung im wesentlichen nur durch In- oder AuBerbetriebnahme einzelner Turbinen vorzunehmen ist. Die nachfolgende Beschreibung dieser Turbinen soil anhand der KaplanTurbine erfolgen (s. Abb. 15.1), da alle grundlegenden Ausfiihrungen auf die im Vergleich einfachere Propellerturbine ubertragbar sind. Bei kleineren Anlagen wird der Einlauf in Form eines Einlaufschachtes bzw. einer vereinfachten Halbspirale ausgefuhrt (s. Abb. 15.2). GroBere Anlagen weisen eine Einlaufspirale auf, welche bei Fallhohen bis zu ca. 20 m als Betonhalbspirale, dariiber als frei stehende, meist aber in Beton eingebettete Stahlspirale ausgebildet wird (s. Kapitel 14.3.1.1). Aufgabe der Spirale ist es, das Wasser der Turbine gleichmaBig und drallbehaftet dem Laufrad zuzufuhren, wobei die Beaufschlagung durch die gegebenenfalls vorhandenen Stutzschaufeln erfolgt und durch die verstellbaren Leitschaufeln geregelt wird (s. Abschnitt 14.4.1). Das heute aus hochlegiertem, sehr widerstandsfahigem Edelstahl bestehende Laufrad rotiert im Schaufelraum, dessen auBere Berandung der an den unteren Leitschaufeh-ing anschlieBende Laufradringmantel darstellt. Dieser nach auBen leicht gewolbte Stahlmantel schmiegt sich zur Mitte an die kegelformige Begrenzungslinie der Fliigel an und erreicht knapp unter der Laufradaustrittskante am Ubergang zum Saugschlauch seinen engsten Querschnitt. Der Spalt zwischen Fliigel und Laufradringmantel, der sogenannte Laufradringspalt, betragt im allgemeinen je nach Laufraddurchmesser 1-3 mm. Das dem Laufrad axial zugefiihrte Wasser lost eine auf die Fliigel wirkende Impulskraft aus, die entsprechend des Fliigelprofiles und des Anstellwinkels der Fliigel eine Rotation des Laufrades erzeugt. Uber die in der Laufradnabe gelagerten Fliigelzapfen wird die auf die Laufradschaufeln erzeugte Kraft auf die Welle tibertragen, die ihrerseits den Generator antreibt. Bei kleineren Turbineneinheiten ist es zweckmaBig, zur Steigerung der Generatorendrehzahl ein entsprechendes Getriebe einzubauen. Zur oberen Abdeckung des Leitraumes, d. h. des Stromungsraumes zwischen Leitrad und Laufrad, femer zur Unterbringung des unteren Halslagers in Verbindung mit der Wellendichtung dient der Turbinendeckel mit dem nach unten anschlieBenden Turbinenhals. Auf dem Turbinendeckel ist ein Beliiftungsventil angebracht, das bei plotzlichem Abstellen der Turbine iiber den LufteinlaBspalt Luft in den Leitraum einstromen laBt, um dem sonst entstehenden Unterdruck infolge der abstromenden Wassersaule und der Sogbelastung des Turbinendeckels entgegenzuwirken.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Abb. 15.1:

539

Vertikale Kaplan-Turbine (Ansicht und Schnitt): 1) Stutzschaufel; 2) oberer/ unterer Stutzschaufelkranz; 3) Leitschaufel; 4) oberer/unterer Leitschaufelring; 5) Turbinendeckel; 6) Laufradringmantel; 7) Saugschlauchpanzerung; 8) Laufradflugel; 9) Laufradnabe; 10)Flugelzapfen; 11) Flugelzapfendichtung; 12) Laufradflugelhebel; 13)Lenker; 14) Regelkreuz; 15) Turbinenwelle; 16) Turbinenfuhmngslager; 17) Wellendichtung; 18) Sickerwasserpumpe; 19) Beluftungsventil; 20) Leitschaufelzapfen; 21) Regulierhebel; 22) Lenker; 23) Regelring; 24) Leitradstellmotor; 25) Regulierzugstange; 26) Spurlager; 27) Kuhlrohrschlange; 28) Bedienungsebene; 29) Laufradstellmotor; 30) Servomotorzylinder; 31)-kolben; 32) Zugstange; 33) Oleinfiihrungsblock mit Olleitung; 34) Wellenverlangerung; 35) unteres/36) oberes Generatorenfiihrungslager; 37) unterer/38) oberer Tragstem; 39) Laufernabe; 40) Lauferring; 41) Lauferpol; 42) Schleifring; 43) Standergehause; 44) Blechpaket; 45) Standerspule; 46) Generatorenklemme; 47) Durchfiihrungsisolator; 48) Generatorenbremsring; 49) Blechhaube [nach 15.1]

540

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Von besonderer Bedeutung ist wie an alien anderen tJbergangsbereichen die Ausbildung der Dichtungen. Die anfangs uberwiegend eingesetzten Labyrinthdichtungen werden heute vermehrt durch Lippendichtungen ersetzt, da bei letzteren auf die Zufuhrung von Sperrwasser samt dessen aufwendiger Aufbereitung verzichtet werden kann. Die Lebensdauer der Lippendichtungen hangt stark von der Triebwasserverschmutzung ab, doch erlauben die modemen Konstruktionen einen einfachen Austausch. Als Gleitflache dient ein mit abriebsfesten Keramikplatten bestuckter Gleitring; zur Funktionskontrolle ist eine begrenzte, zu tiberwachende Leckwassermenge erforderlich. Meist wird zusatzlich noch eine mittels Druckluft anzupressende Stillstandsdichtung zum vollstandigen AbschluB angebracht. Da das Triebwasser nach dem Laufradaustritt noch energiebehaftet ist, kommt der Ausbildung des Saugrohres bzw. Saugschlauches eine besondere Bedeutung zu (s. Abb. 15.2). Dabei wird der Hohenunterschied zwischen dem Laufradaustritt und dem Unterwasserspiegel genutzt, die sogenannte statische Saughohe, femer wird ein Teil der Geschwindigkeitshohe des die Turbine verlassenden Triebwassers zuruckgewonnen, die sogenannte dynamische Saughohe (s. Kapitel 14.3.1.2). Bei einer optimierten Ausfiihrung kann der Anlagenwirkungsgrad deutlich gesteigert werden.

Abb. 15.2: Kaplan-Turbine in Kompaktbauweise [15.2] Ein frUher sehr viel mehr verbreiteter und heute im wesentlichen nur noch bei Kleinwasserkraftanlagen anzutreffender Maschinenanordnungstyp vor allem bei Kaplan-Turbinen ist die Heberbauweise, bei der die eigentliche Einlaufspu-ale mit Leitapparat ganz (vollgehebert) oder teilweise (teilgehebert) tiber dem Oberwasserspiegel situiert ist. Bei dieser Anordnung wird der Empfmdlichkeit der KaplanTurbinen gegeniiber einer unzureichenden Saugrohranpassung Rechnung getragen, indem durch die mogliche hohere Turbinenanordnung eine Verlangerung des Saugrohres mit besseren Abstromverhaltnissen erfolgt. Bis zu einer Fallhohe von ca. 4 m kann hierbei ein kavitationsfreier Betrieb gewahrleistet werden.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

541

Damit das Triebwasser im Betrieb permanent in die Turbine gelangt und die Vorteile dieses Bautyps genutzt werden konnen, muB der Einlaufschacht bzw. die Einlaufspirale vollstandig gegeniiber der Umgebung abgedichtet sein. Des weiteren muB bei vollgeheberten Anlagen beim Anfahren das unter der Heberdecke befindliche Luftpolster durch ein Ventil abgelassen bzw. mit Hilfe einer Pumpe abgesaugt werden, bis der Wasserspiegel die Leitschaufelunterkante erreicht; die noch verbleibende Luft wird anschlieBend mit stromenden Triebwasser durch die Turbine hindurch abgesaugt. Teilgeheberte Anlagen laufen hingegen selbstandig nach einem Offhen des Leitapparates an. 15.1.1.1 Rohrturbinen Bei dieser Anordnung der Kaplan-Turbine, sehr selten der Propellerturbine, mit horizontaler oder leicht gegen die Horizontale geneigter Wellenausrichtung befmden sich Einlaufschacht, Turbine und Saugschlauch weitestgehend in einer Linie (s. Abb. 15.3). Hierdurch wird die sonst notwendige mehrfache Anderung der Stromungsrichtung zugunsten einer hoheren Energieausbeute vermieden.

Abb. 15.3: Kaplan-Rohrturbine: 1) Laufradflugel; 2) Laufradstellmotor; 3) Leitschaufel; 4) Leitradregulierung; 5) Stutzschaufel; 6) Turbinenwelle; 7) Turbinenfiihrungslager (radial); 8) Turbinenfiihrungslager (radial und horizontal); 9) Generator; 10)Gehause; 11) Ventilator; 12) Kuhlkreislauf; 13)Einstiegsschacht; 14) Energieableitung; 15) Gehausestutze; 16)Lagerstutze; 17)Kuhlrippen des Warmetauschers; 18) AuBengehause [15.1] Durch diese kompakte Anordnung, die uberwiegend im Niederdruckbereich zum Einsatz gelangt, konnen geringere Baukosten aufgrund des geringeren Platzbedarfs des Maschinenhauses erzielt werden als dies bei gewohnlichen KaplanTurbinen mit vertikaler Wellenausrichtung der Fall ist. Auch ist die gefallige Ein-

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15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

fugung des Krafthauses in die umgebende FluBlandschaft durch die ermoglichte Flachbauweise oder uberstrombare Bauweise vergleichsweise besser. Die eigentlichen Rohrturbinen sind durch ein bimenformiges, vollstandig umstromtes Gehause aus Stahl oder Stahlbeton mit heute in der Regel auf der Unterwasserseite befindlichem Leit- und Laufrad gekennzeichnet. In diesem Maschinengehause sitzen direkt hinter dem Laufrad auf einer Achse der Generator mit seinen Ktihl- und Steuereinrichtungen sowie gegebenenfalls dazwischen ein entsprechendes Ubersetzungsgetriebe. Das Laufrad sowie das Leitrad sind normalerweise iiber das in diesem Bereich zu offhende Rohrgehause verhaltnismai3ig gut fiir Wartungszwecke zuganglich, ohne daB der restliche Maschinensatz mit dem Generator ausgebaut werden muBte, wie dies bei Maschinensatzen mit vertikaler Welle der Fall ist. Die durch den Generator entstehende Warme wird uber das Gehause entweder iiber baulich aufwendige Ktthlrippen oder heute auch zunehmend iiber verbreiterte Statorblechpakete in Kombination mit einer gezielten Kiihlluftfiihrung entlang der Gehausewand direkt an das umgebende Triebwasser abgegeben. Rohrturbinen werden auch in Gezeitenkraftwerken eingesetzt, wobei sie dann meist in beiden DurchfluBrichtungen ftir den Turbinenbetrieb geeignet sind, wie dies z. B. beim Rance-Gezeitenkraftwerk (s. Kapitel 4.4.1) der Fall ist. Vereinzelt werden Rohrturbinen auch als Umkehrmaschinen zum Pumpen benutzt. Im Leistungsbereich unter ca. 10 MW sind derzeit einige Entwicklungen im Gauge, die eine Vereinfachung dieses Bautyps hin zu einer Kompaktbauweise und damit hin zu einer Reduzierung der Baukosten zum Ziel haben. Einer der verfolgten Wege ist die Verwendung von speziellen, neu entwickelten langsamlaufenden Synchrongeneratoren bei doppeltregulierten Rohrturbinen, wodurch auf das sonst notwendige Getriebe verzichtet und so der Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Auch ist auf diese Weise eine Reduzierung des Gehauseumfanges und somit eine bessere, verlustarmere Stromungslenkung moglich. Ein anderes verfolgtes Konzept ist die Verwendung einer groBeren Anzahl kleiner Turbineneinheiten anstatt konventioneller TurbinengroBen, das vor allem bei bestehenden wasserbaulichen Einrichtungen eingesetzt werden soil, an denen bisher noch keine elektrische Energie gewonnen wird. Kemstuck sind die modulartig aufgebauten Maschineneinheiten, die sogenannten HYDROMATRIX®-Module (s. Abb. 15.4) [15.3], die aus einer Stahltragkonstruktion mit Einlaufrechen und einer oder mehreren Turbinen-Generator-Einheiten bestehen. Bei groBeren Modulen konnen diese daruber hmaus die peripheren Anlagen (Schaltanlagen etc.) enthalten. Durch diese Modulbauweise ist eine weitreichende Vorfertigung moglich, so daB diese Module mit Hilfe von Hubeinrichtungen in Dammbalken- oder Schiitzennischen bzw. speziell gesetzten Schienen positioniert werden konnen. Bei den Turbinen-Generator-Einheiten (s. Abb. 15.4) handelt es sich um unregulierte Propellerturbinen mit einem direkt angetriebenen Asynchrongenerator. Die Leistung pro Maschinensatz betragt bei einem AuslegungsdurchfluB von 810 m^/s in Abhangigkeit der zur Verfugung stehenden Fallhohe ca. 200-700 kW, wobei der Spitzenwirkungsgrad rund 7 % unter dem einer konventionellen Rohrturbine liegt. Der wirtschaftlich verarbeitbare Fallhohenbereich liegt zwischen et-

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wa 3 m und 30 m, wobei minimal 1,5 m notwendig sind, um eine ausreichende Saugrohruberdeckung zu gewahrleisten.

Abb. 15.4:

HYDROMATRIX®-Modul und zugehorende (Schnitt) [nach 15.3]

Turbinen-Generator-Einheit

Dieses System wird bereits an einigen Standorten erfolgreich betrieben. Neben einer Anlage in Colebrook/Connecticut hatte vor allem der Einbau in einem Fiillund Entleerungskanal der Donauschleuse FreudenauAVien Pilotcharakter, indem dort 25 Einheiten mit einer Gesamtleistung von 5,0 MW und einem Jahresarbeitsvermogen von ca. 3,7 GWh in einem Modul montiert wurden. Dabei hat sich herausgestellt, daB ein wirtschaftlicher Einsatz dieser Technologie erst ab einem nutzbaren GesamtabfluB von mindestes 100 w?/s erreichbar ist. Auf der Basis dieser Erfahrungen wurden weitere Anlagen realisiert, wie beispielsweise an der Stauanlage Jebel Aulia am WeiBen Nil im Sudan, die bisher nur der Bewasserung diente und bei der 40 Doppelmodule entsprechend Abb. 15.4 mit einer Gesamtleistung von 30,4 MW und einem Jahresarbeitsvermogen von ca. 116 GWh eingebaut wurden. Bei Kleinwasserkraftanlagen kommen des weiteren haufig unterschiedliche Varianten der Rohrturbine zum Einsatz. Eine bedeutende Gruppe sind die S-Rohrturbinen, die zum Teil auch als Compact Axial Turbine (CAT) oder Tubular Axial Turbine (TAT) o. a. bezeichnet werden. Bei der Bauweise der S-Rohrturbine mit horizontaler (s. Abb. 15.5a) oder leicht geneigter Welle befindet sich der Generator auBerhalb der in der Stromung liegenden Turbinenbime, da diese im Gegensatz zur normalen Rohrturbine eine geringere GroBe aufweist. Nachdem das Triebwasser im Laufrad seine Energie abgegeben hat, wird es durch ein S-formiges Saugrohr zur optimalen Energieausbeute abgeleitet. Gleichzeitig erlaubt dieser Krtimmer die Weiterfuhrung der Turbi-

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15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

nenwelle zu dem auBerhalb des Saugrohrs befindlichen Generator. Es gelangen hier sowohl einzebi als auch doppelt regulierte Turbinen entsprechend den auBeren Gegebenheiten zur Ausflihrung. Die schwierig herzustellenden Telle der Triebwasserfiihrung (Zulauf bis Saugrohr) werden vielfach als verlorene Stahlschalung vom Turbinenlieferanten mitgeliefert, um eine kostengunstige Losung erzielen zu konnen.

® Abb. 15.5:

® S-Rohrturbine mit horizontaler Welle (a) und vertikaler Welle (b) [15.2]

Eine weitere Variante der S-Rohrturbine stellt die vertikalachsige ZRohrturbine gemaB Abb. 15.5b dar. Aufgrund der weitestgehend freien Wellenachsenausrichtung von vertikal iiber geneigt bis horizontal in Verbindung mit den quasi frei um die Rohrachse drehbaren Kriimmem auf der Turbinenzulauf- und -ablaufseite lassen sich eine Vielzahl von Anordnungsmoglichkeiten auf engstem Raum ohne merkbaren Wirkungsgradverlust erschlieBen, die mit anderen Bauweisen im Grunde nicht reallsierbar sind.

W (b) Abb. 15.6: a) Kegelrad-Rohrturbine [15.4]; b) Getriebe-Rohrturbine [15.2]

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

545

Bei den iiblicherweise doppelt regulierten Kegelrad- und Getriebe-Rohrturbinen (s. Abb. 15.6) wird die Antriebsleistung des Laufrades iiber ein Umlenkgetriebe auf den dariiber angeordneten Generator, der sich ebenfalls auBerhalb des durchstromten Turbinenschachtes befindet, ubertragen. Auch bei dieser Bauweise bilden Turbine, Getriebe, Generator und Regeleinrichtungen meist eine komplette, im Werk vorgefertigte Einheit. 15.1.1.2 Straflo-Turbinen Die von der Firma Escher-Wyss entwickelten Straight-Flow- bzw. Straflo-Turbineneinheiten sind im wesentlichen Weiterentwicklungen der Rohrturbinen (s. Abb. 15.7). Das besondere Merkmal dieser Turbinen ist der konzentrisch auBerhalb des Stromungsrohres angeordnete Generator, der sich nicht im Inneren der Gehausebime befmdet. Hierdurch konnen noch kleinere Abmessungen der Anlage realisiert und damit ein geringeres Investitionsvolumen erzielt werden. Auch bei der Uberholung bzw. Modemisierung von alten bestehenden Anlagen hin zu einer wirtschaftlicheren Arbeitsweise werden diese Turbinenarten immer haufiger eingesetzt. Das Laufrad, bestehend aus Nabe, Laufradschaufebi und Laufradkranz, ist als SchweiBkonstruktion gefertigt und dadurch zu einer Einheit verbunden. Auf den AuBenkranz des Laufrades sind die Generatorpole fest aufgeschrumpft; dariiber hinaus sind dort die Generatorschleifringe sowie die Bremseinrichtungen angebracht. Das Laufrad ist iiber die Laufradwelle in zwei Radial- und einem beidseitig wirkenden Axiallager gelagert. Die Lagerkrafte werden iiber ein Tragkreuz, das dariiber hinaus der gleichmaBigen Stromungszufiihrung zur Turbine dient und die Gehausebime ersetzt, im Turbineneinlauf abgeleitet (s. Abb. 15.8).

Abb. 15.7: Straflo-Turbine (Ansicht und Schnitt): 1) Propellemase; 2) Laufradschaufel; 3) Laufrad-ZRotorkranz; 4) Laufradmantel; 5) Regulierring; 6) Leitschaufeln; 7) Turbinenwelle; 8) unter-/ 9) oberwasserseitiges Fiihrungslager; 10) Axiallager; ll)Saugrohr; 12) Generatorstator; 13) Generatorrotor; 14)Kiihler; 15) DichtungswasserabfluB; 16) Tragkreuz [15.5]/[15.6] Die Maschinen arbeiten nach dem Wirkungsprinzip der Propellerturbinen, da bei einer beidseitigen Lagerung der Laufradschaufeln in den Lagem notwendi-

546

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

gerweise ein kleines axiales Spiel entstehen wiirde, das man vor allem bei groBeren Laufraddurchmessem iiber 2 m konstruktiv bisher noch nicht in den Griff bekommt. Dieses Spiel wiirde den Laufradkranz mit dem darauf befmdlichen Generatorlaufer bei jeder Umdrehung „eiem" lassen, wodurch eine nicht akzeptable Veranderung des moglichst gleichbleibenden Luftspaltes zwischen Rotor und Stator des Generator entstiinde [15.7]. Die Straflo-Turbine zeichnet sich insbesondere durch folgende Gesichtspunkte gegentiber den anderen Axialturbinentypen aus (s. Abb. 15.8): - Kompaktheit der gesamten Einheit mit nur einem Vertikalschacht zum Einbau von Leitapparate-, Turbinen- und Generatoreneinheiten; - gute Zuganglichkeit des Generators und Laufrades zu Wartungszwecken durch die mogliche Verschiebung des Generatorstators in Achsrichtung; - freie Wahl der Generatorabmessungen; - gute Kiihlung des Kranzgenerators durch den Triebwasserstrom; - hohes Rotortragheitsmoment, ohne die Effizienz des Generatorkiihlsystems zu beeintrachtigen; - geeignet zur Modemisierung bzw. Leistungssteigerung von FluBkraftwerken. Mit der Fortentwicklung einer Sonderform der HYDROMATRIX®-Module, der Straflo®-Matrix-Module, erhalt dieser Turbinentyp ein breiteres Einsatzgebiet. Durch die Verwendung von Kranzgeneratoren mit Permanentmagneten wurden die Baulange der Module deutlich verkurzt sowie das Gewicht reduziert und somit weitere Einsatzorte ermoglicht, wie z. B. in Dammbalkenschienen in existierenden Wehrbauwerken.

Abb. 15.8: Seitenansicht des Kraftwerks Laufenburg vor (a)/nach dem Umbau 1994 (b): 1) Einlauf mit Rechen; 2) Francis-Turbinen; 3) Generator; 4) Tragkreuz; 5) Straflo-Turbine; 6) AuBenkranzgenerator; 7) Saugrohr; 8) Energieableitung; 9) Maschinentransformator; 10) Leitwarte; 11) hydraulischer Turbinenregler [15.5]

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung 15.1.1.3

547

Diagonalturbinen

Eine bisher im reinen Turbinenbetrieb verhaltnismaBig selten eingesetzte Sonderform der Kaplan-Turbinen stellen die Diagonalturbinen dar, bei denen das Laufrad diagonal durchstromt wird und die Leitschaufeln senkrecht oder ebenfalls diagonal angeordnet sind. Die Diagonalturbine nach Deriaz ist gleichermaBen wie die im Abschnitt 14.5.2.2 beschriebene Deriazsche Pumpturbine (s. Abb. 14.33) mit diagonal angeordneten Leitschaufeln ausgeriistet. Bei der Diagonalturbine nach Kwiatkowski hingegen sind die Leitschaufehi ahnlich wie bei der vertikalen Kaplan-Turbine senkrecht angeordnet, die Laufradschaufebi sind jedoch diagonal und auf einer kugelformigen Laufradnabe ausgerichtet (s. Abb. 15.9). Beide Bauweisen stellen quasi eine Ubergangsform zur Francis-Turbine dar und sind ftir Fallhohen bis etwa 150 m sowie fiir Durchfltisse bis zu ca. 100 m^/s konzipiert. Damit liegt das Einsatzgebiet dieser Turbinen zwischen denen der Kaplanund der Francis-Turbinen, und sie eignen sich aufgrund ihrer Regulierbarkeit und ihres daraus resultierenden besseren Wirkungsgrads (s. Abb. 14.8) vor allem fiir Standorte mit stark variierenden AbfluBverhaltnissen (s. Abb. 14.4). Da sehr viele Komponenten der Diagonalturbine gleich wie bei der FrancisTurbine ausgefiihrt werden, wird dieser Typ seit Mitte der 1980er Jahre zunehmend haufiger bei EmeuerungsmaBnahmen vor allem bei Kleinwasserkraftanlagen eingesetzt, indem beispielsweise ein neues Diagonallaufrad in ein vorhandenes Spiralgehause einer vorhandenen Francis-Maschine eingebaut wird und somit der Ertrag gesteigert sowie die Kosten verringert werden konnen [15.8].

Abb. 15.9: Diagonalturbine Die Laufradregelung erfolgt entweder Uber die als Hohlwelle ausgefiihrte Turbinenwelle analog der Kaplan-Turbine oder bei kleineren Maschinensatzen durch eine zweite Lagerung auf der Saugkrummerseite. 15.1.2

Bemessung

15.1.2.1 Grundlagen Da die genaue Bemessung von Turbinen und insbesondere deren Laufrader sehr aufwendig und normalerweise mit Modellversuchen verbunden ist, wobei diese zunehmend auch durch aufsvendige numerische Simulationsverfahren ersetzt wer-

548

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

den, kann hier nur eine uberschlagige Ermittlung der Hauptabmessungen der Maschinenkomponenten flir die Vordimensionierung einer Wasserkraftanlage, insbesondere des Krafthauses, erfolgen. Der Detailentwurf obliegt im Falle der Bauausfuhrung den Lieferfirmen bzw. den Maschinenbauingenieuren (s. z. B. RAABE [15.9]). Kaplan- und Propellerturbinen werden mit 4-8 Schaufeln ausgertistet, wobei die Schaufelzahl zi insbesondere durch die Fallhohe, das Kavitationsverhalten und die Festigkeit bestimmt wird. Bekanntlich konnen die einzelnen Schaufeln zur Erhaltung der Drehzahl bei Kaplan-Turbinen tiber Servomotoren geregelt und dem DurchfluB angepaBt werden (s. Tabelle 15.1). Tabelle 15.1: Schaufelzahl zi und Nabenverhaltnis Dn/Ds von Kaplan-Turbinen in Abhangigkeit von Fallhohe und spezifischer Drehzahl |Fallhohe/?/^[m] bis 5 Ispezifische Drehzahl ric, [min'^j 210-300 4 ISchaufelzahl ZL 0,4 [Nabenverhaltnis Dn/Ds

bis 25 170-250 5 0,5

bis 40 120-200 6 0,55

bis 50 80-160 7 0,6

bis 60 1 60-130 8

0,65 1

Fiir die Turbinendimensionierung, die im wesentlichen auf der Ermittlung des LaufradauBendurchmessers Ds basiert, wird von den beiden grundsatzlich bekannten GroBen DurchfluB Q, gegebenenfalls pro Maschinensatz, und Fallhohe hf ausgegangen. Im ersten Schritt muB die Anzahl der Maschmensatze festgelegt werden, damit der flir die weitere Berechnung notwendige DurchfluB pro Maschine QM gegeben ist: QM =

Q_ [m7s]

(15.1)

[mVs] DurchfluB pro Maschinensatz QM ZM Anzahl der Maschinensatze [-] Stehen flir die Turbinenvorbemessung Muscheldiagramme moglicherweise emsetzbarer Turbmen zur Verfugung, so konnen - wie bereits im Kapitel 14.2.6.3 erlautert - mit Hilfe der Gleichungen (14.19), (14.20) und (14.21) daraus die GrundgroBen Ds, n und Uq bestunmt und so die Berechnung letztlich deutlich verktirzt werden. Die flir eine optunale Auslegung vorgegebenen GroBen «„ und damit Qu bilden dann den Ausgangspunkt (s. Abb. 14.12). Stehen flir die Vorplanung kerne Muscheldiagramme zur Verfugung, so whd anschlieBend die hochste zulassige spezifische Drehzahl nq^max ermittelt, aus der sich mit (14.6f) die Drehzahl n ergibt, um den klemsten und damit wirtschaftlichsten LaufradauBendurchmesser Ds zu erhalten. Im Kapitel 14 wurde bereits darauf eingegangen, daB Uq einen oberen Grenzwert, der von hf abhangig ist, nicht iiberschreiten darf, um Kavitation im Bereich des Laufrades zu vermeiden.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

549

Die hochste zulassige spezifische Drehzahl riq^max - mit einer ausreichenden Sicherheit gegenuber Kavitation - kann mit Hilfe der nach MOSONYI [15.1] in Verbindung mit [15.10]/[15.11] halbempirisch ermittelten Beziehung fiir Fallhohen ab ca. 4 m abgeschatzt werden zu: %/;,ax =-r=

[mm ]

(15.2)

Ebenso kann riq auch aus Abb. 14.3 abgelesen werden, wobei entsprechend der hochste Wert der spezifischen Drehzahl Ubemommen werden sollte. Da die Drehzahl n im Falle einer direkten Kupplung mit dem Generator mit der Synchrondrehzahl risyn iibereinstimmen muB, ist ein Auf- oder Abrunden auf die nachstliegende Synchrondrehzahl aus Tabelle 16.2 notwendig, wobei ein geringes Uberschreiten der hochsten zulassigen spezifischen Drehzahl infolge des beriicksichtigten Sicherheitszuschlages erlaubt ist. Da nun der LaufiradauBendurchmessers D3 letztlich nur von zwei hydromechanischen Parametem abhangt, kann fur die Vorbemessung die vereinfachte Gleichung [15.1]: Ds=f{QM,hf)

= CD,K-4Q^

[m]

(15.3)

CD.K Laufradbeiwert bei Kaplan- und Propellerturbinen s. Tabelle 15.2 [(s/m)"^^^] herangezogen werden. Zur Ermittlung des Laufradbeiwertes C^^K berechnet man unter der Beriicksichtigung, daB bei Kaplan- und Propellerturbinen D2 ^Ds gilt, die Umdrehungsgeschwindigkeit U3 aus: U3==ku,K'^2g'hf

[m/s]

(15.4)

mit dem Beiwert ku,K, der auch aus Abb. 15.10 entnommen werden kann: ku,K=0J9 + 0,00161'ns =0J9-\-0,00478-n^

[-]

Beiwert fiir Kaplan- und Propellerturbinen fur Fallhohen ab ca. 4 m,s. Abb. 15.10 Damit ergibt sich der LaufradauBendurchmesser D3 zu:

(15.5)

kuK

60'U3 60'yf2g D3 =

=

ku,K rr

Q^ < ^f^ nr r 1

—'Jhf

[-]

r^^^\

=84,6'——'yjhf [m] (15.6) n-n 11 n n bzw. durch das Einsetzen von ku,K aus (15.5) und die Substitution von n durch Uq nach (14.6f) sowie anschlieBendes Einsetzen von (15.2), um die wirtschaftlichste Losung zu erhalten [15.1]: 0,079'Jh^+ 0,404 , , A= ^ 4QM=CD,K'4Q^ [m] (15.7) woraus sich gleichzeitig der Laufradbeiwert CD,K ergibt.

550

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Abb. 15.10: Beiwert ku^, spezifische Meridiangeschwindigkeit w^, KenngroBen bo/Ds und Dfj/Ds und Schaufelzahl z^ fiir Kaplan-Turbinen [nach 15.12] Tabelle 15.2: Laufradbeiwert C^K fur Kaplan-, Propeller- und Rohrturbinen fur Fallhohen ab ca. 4 m in Abhangigkeit der Fallhohe /z/[15.1] iFallhohe hf [m] iKaplan-ZPropellerturbine: cz),A:-Erfahrungswerte iKaplan/Propellerturbine: CD,K nach (15.7) iRohrturbine: c/)jrErfahrungswerte

5 0,40-0,35 0,39 0,40-0,35

10 1 15 1 20 25 1 50 1 0,37-0,33 0,39-0,35 0,37 1 0,37 1 0,36 0,36 1 0,37 1

0,35-0,31

II

Aus der Kontinuitatsgleichung ergibt sich mit (15.7) und der spezifischen Meridiangeschwindigkeit W2 aus Abb. 15.10 die Hohe des TurbineneintrittsquerschnittesZ^ozu [15.13]: bo = bo W2

Q n-D3-W2-^2'g-h

[m]

(15.8)

V

Hohe des Turbineneintrittsquerschnittes spezifische Meridiangeschwindigkeit

[m] [-]

Die weiteren (iberschlagigen Turbinenabmessungen konnen anschliefiend aus den Angaben in den Abb. 15.10 und 15.11 sowie Tabelle 15.1 ennittelt werden.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung .(1,2-^1,5)D3

H

551

-^

Abb. 15.11: Definitionsskizzen zur Vordimensionierung: a) Kaplan-ZPropellerturbinen; b) Rohrturbinen Auch die tiberschlagigen GroBenordnungen des Einlaufs, des Spiralgehauses und des Saugrohres koiinen tiber den LaufradauBendurchmessers Ds mit den Angaben in Abb. 15.12 bestimmt werden. AbschlieBend muB kontrolliert werden, ob die Bedingung fur die vorhandene Saughohe hs nach (14,37) im Verhaltnis zur zulassigen Saughohe hs,zui eingehalten ist bzw. in bautechnischer Hinsicht eingehalten werden kann. 1st dies nicht der Fall, so ist entweder die nachst niedrigere Synchrondrehzahl aus Tabelle 16.2 zu wahlen oder die vorhandene Saughohe der zulassigen Saughohe durch eine Veranderung der Hohenlage der Turbine anzupassen. Unter Umstanden ist auch ein anderer Turbinentyp, z. B. im Bereich der niedrigeren spezifischen Drehzahlen Uq eine Francis-Turbine (s. Abb. 14.3), zu wahlen, (1,2÷1,5)·D3 b0 = (0,3÷0,4)·D3

(1,4÷1,8)·D3 (2,0÷2,8)·D3 (1,6÷2,4)·D3

a

A. LSR = (3,8÷5,5)·D3

c

(3,8÷5,0)·D3

(2,7÷3,3)·D3

-n

Einlauf-J (1,2÷1,5)·D3 achse

(1,5÷2,5)·D3

(2,7÷3,3)·D3

I(0,2÷0,3)·D3 ' ^ Abstand zwischen Einlauf- und Maschinenachse

(4,6÷6,0)·D3

b

Abb. 15.12: Richtwerte fiir die Vordimensionierung von Einlauf und Saugschlauch: a) Kaplan-ZPropellerturbinen; b) Rohrturbinen [15.1] Neben den LangenmaBen ist auch das Turbinengewicht fiir die Bemessung der Fundamente und Lager von besonderer Bedeutung. Letztlich kann das genaue

552

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Gewicht nur anhand der Werksangaben ermittelt werden, da erst dann die Abmessungen und Materialien genau bekannt sind, doch geniigt fiir die dem Vorentwurf dienende statische Bemessung eine uberschlagige Ermittlung. So ergibt sich das angenaherte Turbinengewicht fUr Kaplan- und Propellerturbinen, das neben dem Laufrad auch die Stutzschaufeln, das Leitrad, die Turbinenwelle mit Lagem, Turbinendeckel, Laufradring sowie Saugrohrpanzerung inklusive aller jeweiligen Zusatz- und Reguliereinrichtungen beinhaltet, aus der empirischen Gleichung zu [15.1]: GT={l9^2j)'^^yrGT PT

[t]

(15.9)

Turbinengewicht Turbinenleistung

[t] [kW]

Bei vertikalen Maschinensatzen ist darliber hmaus noch die zusatzliche axiale Belastung fur die Auslegung der Lager notwendig. Diese Spurlagerbelastung setzt sich aus dem Gewicht des Laufrades und der Welle sowie aus der Belastung infolge statischen Wasserdrucks, dynamischer Krafteinwirkung auf das Laufrad aufgrund der Stromungsumlenkung und aus dem Drehmoment des Maschinensatzes einschlieBHch Generators zusammen und ergibt sich aus der emph-ischen Formel: GT,a={0,3^0,8)-D's^0J85'kT,K'D's'hna.

W

(15.10)

G^a Spurlagerbelastung [t] kT,K hydraulischerTurbinenbelastungsbeiwert: A:7,A:« 0,85-1,0 [-] Fiir modeme Laufrader mit Z)^ > 5 m kann der kleinere Beiwert 0,3, bei kleineren bzw. alteren Turbinen muB ein groBerer Beiwert angesetzt werden. Der kleinere Turbinenbelastungsbeiwert kx^K gilt fur Laufrader mit 4 Schaufeln, der groBere fur solche mit 8 Schaufehi. Fur die vertikale Kaplan-Turbine des Hochrheinkraftwerkes Sackingen (s. Kapitel 21.1) ergibt sich beispielsweise bei einer Turbinenleistung PT= 18.400 kW, einer Fallhohe hf= 6,57 m und einem Laufraddurchmesser D3 = 7,40 m ein Turbinengewicht nach (15.9) von GT=36lt sowie eine Spurlagerbelastung nach (15.10) von GT,a = 3611 und damit ein Gesamtgewicht von 7221. Dieses Ergebnis liegt nur geringfugig iiber den werkseitig angegebenen ca. 7001. Die ftir den Betrieb bedeutenden Wirkungsgrad- und Leistungscharakteristika werden, wie bereits im Abschnitt 14.2.6 ausftihrlich ftir alle Turbinentypen erlautert, anhand von Modellversuchen vom Turbinenhersteller ermittelt und stehen als Wirkungsgrad-, Leistungs- und Drehmomentenkennlinie sowie Muscheldiagramme ftir die optimale Auslegung der unterschiedlichen Betriebszustande der Anlage zur Verfiigung. Bei der Auslegung der bei Kleinwasserkraftanlagen sehr haufig eingesetzten SRohrturbinen, Kegelrad- und Getriebe-Rohrturbinen stehen Auswahldiagramme der jeweiligen Hersteller in Abhangigkeit von Q und hf sowie weitere Bemessungsformehi zur Verfugung, aus denen die TurbinengroBe der jeweiligen Baugruppe bestimmt werden kann. Dadurch werden aufwendige Bemessungen

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

553

vermieden, und der Planer hat die Sicherheit, auf einen in der Kegel mehrfach mit Erfolg eingesetzten Turbinentyp zuriickgreifen zu konnen. Gleichzeitig wird der Anlageneinzelpreis geringer, da sich die anteiligen Entwicklungskosten auf eine groBere StUckzahl verteilen. 15.1.2.2

Berechnungsschema zur Vordimensionierung

Eingangsparameter zur Bemessung von Kaplan-, und Propellerturbinen: Fallhöhe hf [m], Durchfluß Q [m /s] Festlegung der Anzahl der Maschinensätze und des jeweiligen Durchflusses^ QM = Q/zM (15.1)

Berechnung von D3 , nq, n -ja-W aus n11 und damit D11 aus dem Muscheldiagram mit (14.19), (14.20) und (14.21)

Stehen verwendbare Muscheldiagramme zur Verfügung? -nein—

Ermittlung der spezifischen Drehzahl nq: nq,max = 850

hf

(15.2)

-•I

n = nq —,

(14.6f)

JQM

(oder aus Abb. 14.3)

Berechnung der Umdrehungsgeschwindigkeit u3: 3

u

u =k ,K-2-g-hf

i Berechnung des L Laufradaußenaufradaußen-

D3 =

(Auf- oder) Abrunden von n auf die nächstliegende Synchrondrehzahl nsyn ausTabelle 16.1 zu:

Berechnung der Drehzahl n:

(15.4)

Berechnung des Beiwertes ku,K aus Abb. 15.5 bzw.: 4—

ku,K=0,79 + 0,00161·ns = 0,79 + 0,00478·nq (15.5)

,

60 -u3 u3

ku,K n

n -n

hf

Ermittlung der

(15.6)

\— (15.7)

4

aus (15.8) sowie den Abb. 15.10,15.11 und 15.12

hf

Möglichkeiten: 1. Saughöhe hS an hS,zul anpassen mit hS < hS,zul (14.37), d. h. hf verändern 2. Ändern der Maschinensatzanzahl 3. Wahl eines anderen Turbinentyps

Überprüfung der vorhandenen Saughöhe hS: h neinA r ^ h^hS,zul (14.37) ja ENDE

Ermittlung der zulässigen Saughöhe hS,zul nach (14.37)

Abb. 15.13: Berechnungsschema zur Vordimensionierung von Kaplan-, Propeller- und Rohrturbinen 15.2

Francis-Turbinen

15.2.1

Konstruktion und Betriebsweise

Francis-Turbinen sind radial von auBen nach innen durchstromte und axial ausstromende LFberdruckturbinen (s. Abb. 15.15), die sowohl mit horizontaler als auch mit vertikaler Welle ausgefiihrt werden konnen. Bei Fallhohen bis zu 600 m Oder gar daruber und Leistungen von derzeit ca. 750 MW Uberdeckt sich ihr Einsatzgebiet mit dem der Pelton-Turbine. Die Francis-Turbine zeichnet sich gegentiber der Freistrahlturbine durch die hohere spezifische Drehzahl und damit kleinere Abmessungen bei hoheren Durchfliissen aus. Bei kleineren Gefallen iiberschneidet sich das Einsatzgebiet mit dem der Kaplan-Turbine (s. Abb. 14.3 und 14.4). Francis-Turbinen gelangen vor allem bei Anlagen mit einer verhaltnismaBig gleichmaBigen Beaufschlagung zum Einsatz, da sie nur durch den Leitapparat re-

554

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

guliert werden konnen, wie dies auch aus dem Verlauf ihrer Wirkungsgradlinie ersichtlich wird (s. Abb. 14.8a). Der optimale Arbeitsbereich liegt daher in dem im Verhaltnis zu Kaplan-Tmbinen kleineren Bereich von etwa hf± 20 %. Kleinere Fallhohen bis etwa 5 m erlauben bei niedrigeren Leistungen den Verzicht auf das Spiralgehause. Bei diesen sogenannten Schacht-, Francis-Schachtoder Kammerturbinen (s. Abb. 15.14a) ist die sonst vorhandene Einlaufspirale durch eine einfache Tmbinenkammer mit nahezu rechteckigem Querschnitt ersetzt, in der das in einem Metallzylinder mit Leitrad befindliche Laufrad montiert ist. Der bei vertikaler Anordnung oberhalb des Laufrades befindliche Turbinendeckel schlieBt dieses nach oben ab und dient gleichzeitig als FUhrungslager fur die Turbinenwelle. Uber ein Getriebe wird der oberhalb angeordnete Generator angetrieben. Das Reguliergestange des Leitrades liegt offen im Oberwasser. Bei Hoch- und Mitteldruckanlagen werden fast ausschlieBlich Maschinen mit stehender Welle gebaut, da so eine gleichmaBige Druckverteilung am Laufrad vor allem beztiglich der Saughohe besser gewahrleistet werden kann und damit die Gefahr von Kavitationsschaden gemindert wird.

Abb. 15.14: a) Francis-Schachtturbine; b) Francis-Spiralturbine [15.2] Im Niederdruck- bzw. Kleinwasserkraftbereich, in dem heute die FrancisTurbinen fast ganzlich durch Kaplan- oder Propeller-Turbinen verdrangt werden, konnen auch Maschinen mit horizontaler Welle eingesetzt werden (s. Abb. 15.14b), wobei diese dann haufig in einer Kompaktbauweise vorgefertigt werden. Dabei ist es moglich, zwei Turbinenlaufrader mit einem dazwischen aufgestellten Generator zu einer Einheit zu kuppehi, wobei davon ein Laufrad starr und eines uber eine Kupplung mit dem Generator verbunden ist. Je nach Wasserdargebot kann dann mit einem oder zwei Laufradem gefahren werden. Die Investitionsaufwendungen sind bei dieser Anordnungsvariante in der Kegel bis zu 25 % giinstiger, und aufgrund der geringeren Abmessungen wird ein derartiger Maschinensatz geme in Schachtkrafthausem eingesetzt. Auch bei Francis-Turbinen erfolgt die Triebwasserzufuhrung durch ein Spiralgehause, das bei Hoch- und Mitteldruckanlagen als freistehendes, heute ge-

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

555

schweiBtes Stahlgehause oder als Stahlbetonkorper mit Stahlpanzerung zur Ausflihrung gelangt.

Abb. 15.15: Francis-Turbine: 1) Spiralgehause; 2) Stutzschaufel; 3) Leitschaufel; 4) Turbinendeckel; 5) Saugstutzenflansch; 6) oberer/ 7) unterer Leitschaufelring; 8) tJbergangsstuck; 9) Saugschlauchpanzerung; 10)Laufrad; ll)Laufradschaufel; 12) Innenkranz; 13) AuBenkranz; 14) Laufradnabe; 15)Radkranz; 16) Abdeckring; 17) Stiitzring; 18) Turbinenwelle; 19) Verbindungsflansch; 20) Turbinenfiihrungslager; 21) Fuhrungslagersteg; 22) Labyrinthdichtung; 23) Leitschaufelzapfen; 24) Leitschaufelzapfendichtung; 25) Lenker; 26) Regulierhebel mit Bruchsicherung; 27) Regulierring; 28) Regulierzugstange; 29) Druckausgleichsleitung; 30) Entwasserungsleitungen; 31) Leckwasserabfuhrung; 32) Olzufuhr; 33) Olabflihr; 34) Turbinenspalt [15.1] Bei Anlagen mit langen Druckrohrleitungen wird gelegentlich zur Minderung der Rohrleitungsbelastung in der Spirale von Francis-Turbinen ein NebenauslaB als DruckstoBentlastungsanlage eingebaut (s. a. Kapitel 8.3.4). Dieser Nebenauslal3 wird iiblicherweise am Spiralenanfang in der geraden Verlangerung der Rohrleitung angeordnet und offiiet bei plotzlichen Lastabschaltungen. Dieses Entlastungsventil wird bei kleineren Anlagen haufig in Form eines einfachen Ventils

556

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

mit Stellfeder oder bei groBeren Maschinensatzen als Kegelstrahlschieber mit hydraulicher Steuerung ausgebildet. In der Eintrittsoffiiung am Ubergang zwischen Spiralgehause und Turbinengehause sind die insbesondere aus statischen Grunden notwendigen Stutzschaufeln angeordnet, die gleichzeitig auch stromungsleitende Aufgaben ubemehmen. In Stromungsrichtung folgen unmittelbar vor dem Turbinenlaufrad die bei diesem einfachgeregelten Turbinentyp zur Regelung notwendigen Leitschaufeln, die Uber den Regulierring gesteuert werden (s. Kapitel 14.4.1.1). Das Laufrad einer Francis-Turbine (s. Abb. 15.16) besteht aus den Laufradschaufehi, die starr mit dem bei vertikalen Maschinen oberen, meist kleineren Innenkranz, auch als Laufradboden bezeichnet, und dem unteren, in der Kegel groBeren AuBenkranz, dem sogenannten Laufradring, verbunden sind. Durch den Innenkranz schlieBt das Laufrad fest an die Turbinenwelle an, iiber die einerseits der Generator angetrieben und andererseits die auftretenden Krafte in das bei vertikalachsigen Turbinen direkt iiber der Stopfbuchse liegende Fiihrungslager und das daruber angeordnete Spurlager am Wellenende abgetragen werden. Bei horizontalachsigen Maschinensatzen sind unterschiedliche Losungen auch mit durch das Laufrad hindurchgeftihrter Welle und beidseitiger Lagerung moglich. Das Laufrad besteht heute ebenso wie die Stutz- und Leitschaufehi aus hochlegiertem, sehr widerstandsfahigem Edelstahl, wobei zunehmend von den Erfahrungen mit Schutzbeschichtungen bei Pelton-Turbinen profitiert und diese auch bei diesem Turbinentyp zur Anwendung gelangen (s. Kapitel 15.3.1).

iiq = 47 min n„= 135 min'

Abb. 15.16: Francis-Laufrader: a) Langsamlaufer (rig = 30 min'^); b) Schnellaufer (rig = 120 min"^); c) Anderung der Laufradform in Abhangigkeit von rig [15.1] Aus der Abb. 15.16c ist ersichtlich, daB sich die Schaufelkanale mit abnehmendem rig verlangem und daB zugleich der Unterschied zwischen Ein- und Austrittsdurchmesser wachst. Gleichzeitig vergroBert sich bei sinkendem rig sowie konstanter Fallhohe und Leistung der Laufraddurchmesser, wobei der Austrittsdurchmesser geringer als der Eintrittsdurchmesser anwachst. Bei sehr kleinen «^-Werten ist der Schaufelwinkel, also der Winkel zwischen der Schaufel und Laufradtangente, groBer 90° und fallt mit steigenden fi^-Werten auf Werte kleiner 90°. Die Schaufelanzahl reicht von zi = 1 im unteren Fallhohenbereich bis zu z^= 17-19 im oberen Fallhohenbereich und wird auf der Basis von Erfahrungswerten des Herstellers unter Beriicksichtigung des

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werten des Herstellers unter Berucksichtigung des Kavitationsverhaltens, der Festigkeit des Stahles und des Herstellungsverfahrens gewahlt. Mit abnehmender spezifischer Drehzahl riq vermindert sich als Folge der gleichzeitigen VergroBerung des Austrittsquerschnittes auch die Austrittsgeschwindigkeit. Da damit auch die verbleibende Energie im Austritt abnimmt, laBt sich deren teilweise RUckgewinnung leichter losen, als dies bei Maschinen mit groBer spezifischer Drehzahl der Fall ist. Parallel dazu steigt mit der Verminderung der Austrittsgeschwindigkeit im Saugrohr bei gleichbleibender Saughohe der Absolutdruck bzw. vermindert sich der Unterdruck, wodurch diese Turbinen weniger kavitationsanfallig sind. Bei Teilbeaufschlagung bilden sich im Austrittsbereich von Francis-Schnellaufem mstationare Wirbelbiindel aus, die tief in das Saugrohr eindringen und unregelmaBig abreiBen, wodurch das Saugrohr wiederholten, plotzlichen Druckbelastungen ausgesetzt ist. Da in diesen Wirbeki Unterdruck herrscht, besteht fur das Saugrohr Kavitationsgefahr. Zur Vermeidung derartiger Wirbel und damit der zur Kavitation fuhrenden Unterdrucke kann man Beluftungsbohrungen in der Turbinenachse vorsehen. Durch die Luftzufuhr wird der Wirkungsgrad in der Regel nicht beeintrachtigt. Durch eine gezielte Steuerung dieser Luftzufuhr kann dariiber hinaus auch noch eine deutliche Reduzierung der Larmemissionen erzielt werden (s. a. Kapitel 14.3.1.2). Die Ausbildung der Lager, der Dichtungen und der KUhlung etc. entspricht weitestgehend denjenigen der Kaplan-Turbinen. 15.2.2

Bemessung

15.2.2.1 Grundlagen Ftir die tiberschlagige Dimensionierung einer Francis-Turbine und damit auch fiir Pumpenturbinen mit Francis-Laufradem wird ebenso wie bei den Kaplan- und Propellerturbinen ausgehend von den bekannten GroBen Q bzw. QM nach (15.1) und hfdiQ spezifische Drehzahl riq und daraus mit (14.6f) die Drehzahl n ermittelt. In gleicher Weise konnen auch hier beim Vorhandensein von Muscheldiagrammen moglicherweise einsetzbarer Turbinen (s. Kapitel 14.2.6.3) daraus mit Hilfe der Gleichungen (14.19), (14.20) und (14.21) die GrundgroBen D5, n und riq bestimmt werden. Ausgehend von den vorgegeben Werten Un und damit Qu (fs. Abb. 14.12) kann eine optimale Auslegung angestrebt und die Berechnung deutlich verktirzt werden. Kann die Berechnung fiir die Vorplanung durch Muscheldiagramme nicht vereinfacht werden, so kann - um in gleicher Weise wie bei den Kaplan-Turbinen (s. Abschnitt 15.1.2.1) wiederum den kleinsten und damit wirtschaftlichsten LaufradauBendurchmesser Ds zu erhalten - die hochste zulassige spezifische Drehzahl nq,max ' Hilt cincr ausreichenden Sicherheit gegeniiber Kavitation - mit Hilfe der nach MOSONYI [15.1] in Verbindung mit [15.14] ermittelten halbempirischen Beziehung fur Fallhohen ab ca. 40 m abgeschatzt werden: nq,„u:oc = 77777 [min-^]

(15.11)

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

558

Oder der hochste Wert aus Abb. 14.3 abgelesen werden. Diese Gleichung gilt im wesentlichen auch flir Pumpenturbinen mit Francis-Laufradem. Die Drehzahl n wird dann auf die nachste Synchrondrehzahl aus Tabelle 16.2 auf- bzw. abgerundet. Der LaufradauBendurchmesser laBt sich gleichermaBen in der vereinfachten Form darstellen [15.1]: Ds=f{Q.hf)

= Co,F'4Q

(15.12)

M

[(s/m)-^/^] CD,F Laufradbeiwert bei Francis-Turbinen s. Tabelle 15.3 woraus sich mit der Umdrehungsgeschwindigkeit us (15.4) und dem Beiwert ku,F flir Fallhohen ab ca. 40 m (s. Abb. 15.17): ku,F=0,293 + 0,0081'nq

[-]

(15.13)

der LaufradauBendurchmesser Ds ergibt: 60-Us ^60'42g n

K,F n

A = n-n

hf =84,6-

K,F

[m]

(15.14)

der sich nach Einsetzten von ku,F aus (15.13) und Uq aus (15.11) nach vorhergehender Substitution von n durch riq nach (14.6f) folgendermaBen schreiben laBt:

A = 0,0389' hy + K,i

0,6853

'4Q=^D,F'4Q

(15.15)

M

Beiwert fiir Francis-Turbinen fur Fallhohen ab ca. 40 m, s. Abb. 15.17

[-]

Tabelle 15.3: Laufradbeiwert c^p fur Francis-Turbinen fur Fallhohen ab ca. 40 m in Abhangigkeit der Fallhohe hf 1 Fallhohe hf [m] || Laufradbeiwert cpF

40 ^,34^

100 0,359

200 0,372

300 500 A381 ^ 3 9 4

700 0,403

900 1 0,411 1

Aus der Abb. 15.17 konnen des weiteren folgende Werte ermittelt werden: -

mit (15.8) und der spezifischen Geschwindigkeit w^ die Hohe bo des Turbineneintrittsquerschnittes; - die Durchmesser D2i und D2a im Emtrittsquerschnitt; - der Durchmesser Dsi im Austrittsquerschnitt; - die Schaufellangen // bzw. 4 der Innen- bzw. AuBenkontur. Die Hauptabmessungen des Einlaufs und des Saugschlauchs konnen aus Abb. 15.18 entnommen werden. Zum AbschluB der Vordimensionierung ist noch die Uberpriifiing der vorhandenen Saughohe nach (14.37) von Bedeutung. Ist diese Bedingung nicht eingehalten, so muB entweder die nachst niedrigere Synchrondrehzahl aus Tabelle 16.2 gewahlt Oder die vorhandene Saughohe der zulassigen Saughohe durch eine Veranderung der Hohenlage der Turbine angepaBt werden, wobei unter Umstanden auch ein anderer Turbinentyp gewahlt werden muB.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

559

Das angenaherte Turbinengewicht GT von Francis-Turbinen einschlieBlich Spiralgehause, Leitrad, Turbinenwelle mit Lagem, Regler und Hilfseinrichtungen etc. ergibt sich empirisch zu [15.1]: GT^233'

(15.16a)

[t]

'h^'

bzw. fiir modemere Francis-Turbinen in Hochdruckanlagen:

Gr^{0.5^l5)^Pr+^2'000/

(15.16b)

[t]

Turbinenleistung

[MW] Beiwerte

1,2

D,=D,,

\M—

W b0

•

L

_ L ^

/

D 3i

D2 i \ D3 \

/

1^

- D 2 /D 2a

0,7

\

T~i—\

/^

0,6

J_ ^ '

/h«—

0,9 0,8

xwr-n/^ \

D3/D2a^

1,0

1

/

y—i~

—•

r "] _^

A 1 !

[-]

1,1

u,F /D 3 / D 2a

y

^

0,5

—H\

l/D2a

0,4

Saugrohr

1 /D

~~^—

0,3 w2\

\

0,2

(a)

b0/D2a^

0,1

b

0

T,F -1 n [min ]

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Abb. 15.17: Francis-Turbine: a) Definitionsskizze; b) Beiwerte ku,F und kj^K, spezifische Geschwindigkeit w, fiir bo, KenngroBen bo/D2i, D3i/D2a , D2i/D2a, D3/D2a und Schaufellangenverhaltnisse ///D2a, /a/D2a f — ^ 3,568+2,741-03

>

] i

b

"2

•

''/i

^

r f ^

fcioV \ ^

^

^

^

V C

<: j r 1

b3

\

- )

1

P

^180

r

\ ^ bi = (-0,0813+0,773-D3>nq"' b2 = (0,362+l,889-D3)-nq'' b3 = (0,162+2,388-D3)-nq"''

Abb. 15.18: Richtwerte fiir die Vordimensionierung Einlauf und Saugschlauch bei Francis-Turbinen [15.1]

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

560

Die Spurlagerbelastung GT,a bei vertikalen Maschinensatzen laBt sich in gleicher Weise wie in (15.10) uberschlagig ermitteln zu: GT,a ={11^1,8)-D!

^2

+0J85'kT,F'Dla'hna.

(15.17)

M

kr^F hydraulischerTurbinenbelastungsbeiwerts. Abb. 15.17 [-] Die fiir die optimale Auslegung der unterschiedlichen Betriebszustande bedeutenden Wirkungsgrad- und Leistungscharakteristika wurden im Abschnitt 14.2.6 ausflihrlich beschrieben, so dai3 an dieser Stelle hierauf verwiesen wird. 15.2.2.2

Berechnungsschema zur Vordimensionierung

Eingangsparameter zur Bemessung von Francis-Turbinen: Fallhöhehf[m], Durchfluß Q [m/s] Festlegung der Anzahl der Maschinensätze und des jeweiligen Durchflusses^ QM = Q/zM (15.1)

- neinErmittlung der spezifischen Drehzahl nq:

Berechnung von D3, nq, n -ja^ aus n11 und damitD11 aus dem Muscheldiagram mit (14.19), (14.20) und (14.21)

Stehen verwendbare Muscheldiagramme zur Verfügung?

T

Berechnung der Drehzahl n:

= 638jh0f ,512(15.11)\

(14.6f)

nq,max (oder aus Abb. 14.3)

JQM

i

Berechnung der Umdrehungsgeschwindigkeit u3: u3=ku,F-2-g-hf

(Auf- oder) Abrunden von n auf die nächstliegende Synchrondrehzahl nsyn ausTabelle 16.1 zu:

(15.4)

Berechnung des Beiwertes ku,F aus Abb. 15.11 bzw.:

<—

ku,F = 0,293 + 0,0081 • nq

i

60 -u3 4,6—,•—Jhf (15.14) Berechnung des 7^; . n n LaufradaußenI durchmessersD3: D3 =(0,0389·h 0,262 +.0,6853-)·[Q=cD,F·Q (15.15) Möglichkeiten: 1. Saughöhe hS an hS,zul anpassen mit hS < hS,zul (14.37), d. h. hf verändern 2. Ändern der Maschinensatzanzahl 3. Wahl eines anderen Turbinentyps

Überprüfung der vorhandenen Saughöhe hS: h neinA ^ hS^h,zul (14.37) ja I ENDE

(15.13)

,

/ Ermittlung der Turbinenabmessungen aus (15.8) sowie denAbb. 15.17 und 15.12

Ermittlung der zulässigen Saughöhe hS,zul nach (14.37)

Abb. 15.19: Berechnungsschema zur Vordimensionierung von Francis-Turbinen 15.3

Pelton-Turbinen

15.3.1

Konstruktion und Betriebsweise

Die Pelton-Turbine stellt eine Freistrahlturbine dar, welche ihre besonderen Vorteile vor allem bei geringen bis mittleren Durchfliissen und einer relativ groBen Fallhohe entfalten kann und nahezu ausschlieBlich bei Speicherkraftwerken eingesetzt wird. Bei einer geringen spezifischen Drehzahl riq von 1-20 Umdrehungen pro Minute und einer Fallhohe von 550-2.000 m konnen heute schon Maschinenleistungen bis iiber 400 MW erreicht werden, die infolge der guten, schnellen Regulierbarkeit insbesondere zur Deckung des Spitzenbedarfs eingesetzt werden.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

561

Seit 1998 wurden hier neue Dimensionen erreicht, als in der neuen Zentrale Bieudron, Grande Dixence, Schweiz, drei Pelton-Turbinen mit jeweils 423 MW bei einer Bruttofallhohe von 1883 m bzw. nutzbaren Fallhohe von 1.869 m und einer Wassergeschwindigkeit am Diisenaustritt von ca. 690km/h bzw. 190 m/s in Betrieb gegangen sind. Die Wasserstrahlen der funf Dtisen treffen jede der 26 Schaufeln 35mal pro Sekunde, wodurch jeweils eine Schaufelbelastung entsteht, die durch das Aufsetzen und Entfemen einer Lokomotive auf die Schaufel erreicht wurde[15.15](s.a.Abb. 13.7).

( ^ Abb. 15.20: Pelton-Turbine: 1) Gehauseunterteil; 2) Gehausedeckel; 3) Dusenzuleitung; 4) Rohrverzweigung; 5) Duse; 6) Fuhrungskreuz; 7) Diisennadel; 8) Dusennadelspindel; 9) Nadelspindeldichtung; 10) Strahlumlenker; ll)Strahlabloser; 12)Becherschaufel; 13) Laufradscheibe; 14) Turbinenwelle; 15)Turbinenlager; 16) Wellenkupplung; 17) Bremsdiise; 18) Reglerwelle; 19)Regulierhebel; 20) gefederte Regulierzugstange; 21) Reglergestange; 22) Hydraulikzylinder; 23) Reglerriemen [15.1]

562

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Bei diesem vom Aufbau her einfachen, bei der Bemessung aber aufwendigeren Turbinentyp entstromt das Triebwasser dem Druckrohr durch eine Diise mit verstellbarer Austrittsoffiiung als verhaltnismaBig diinner Wasserstrahl und trifft auf ein mit Schaufehi besetztes Laufrad (s. Abb. 15.20). Aus der Ablenkung des Wasserstrahls, der die Schaufel beaufschlagt, entsteht eine Impulskrafl, deren GroBe von der Bewegungsgeschwindigkeit der Becher abhangt. Dieserfi*eieStrahl beinhaltet bereits den ursprunglichen potentiellen Energiegehalt des Triebwassers in Form von kmetischer Energie fast vollstandig, also nach Abzug der Verluste, in sich, wobei diese Energie am Laufi*ad annahemd ganzlich abgearbeitet wird. In Abhangigkeit der zur Verfugung stehenden Wassermenge sowie der Fallhohe unterscheidet man zwischen Freistrahlturbinen mit horizontaler Welle mit einer bis zwei, seltener drei oder gar vier Dusen je Laufi*ad, welche meist als Einfachturbinen vor allem bei kleineren Anlagen sowie in Kleinwasserkraftanlagen ausgefuhrt werden. In seltenen Fallen gelangen auch parallel laufende Zwillingsturbinen mit zwei Laufi*adem auf einer Welle zur Ausfuhrung. Dabei werden diese Maschinen heute bis zu Leistungen von ca. 10 MW vor allem in standardisierten BaugroBen in Kompaktbauweise angeboten (s. Kapitel 21.7). Andererseits werden Pelton-Turbinen mit vertikaler Wellenausrichtung und mit bis zu sechs Dtisen in Anlagen mit groBer Fallhohe und hohem DurchfluB in Verbindung mit Kavemenkraflhausem eingesetzt (s. Abb. 15.21). Die Kraftubertragung auf den Generator erfolgt infolge der niedrigen Drehzahl stets unmittelbar tiber die Welle. Der grundsatzliche Aufbau und die Funktionsweise sind jedoch bei beiden Wellenausrichtungen identisch. Die Druckrohrleitung endet nach deren fallweiser Aufteilung im Dtisenrohr, an dessen Ende sich die eigentliche Dtise mit der im Rohr angeordneten Dtisennadel zur Regulierung des Durchflusses sowie zur gezielten, bestmoglichen Anstromung der Schaufelbecher befindet. Um die hydraulischen Verluste infolge der groBen Geschwindigkeiten gering zu halten, muB die Dtise optimal ausgebildet werden in diesem Fall liegt der Dtisenwirkungsgrad im Bereich von 98-99 % - und es darf das Dtisenrohrsystem nur schwach gekrtimmt sein, wodurch sich auch die Grenze von zwei, maximal drei bzw. vier Dtisen pro Laufi*ad bei horizontalachsigen Maschinensatzen erklart. Die Steuerung der Dtisennadel kann tiber eine das Dtisenrohr durchstoBende Spindel mit anschlieBendem Reglergestange oder tiber ein komplett im Dtisenrohr eingebautes Dtisenmodul mit Servomotor erfolgen, wobei heute letzteres angesichts der hydraulischen und fertigungstechnischen Vorteile bevorzugt wird. Auf der DtisenauBenseite befindet sich in der Regel noch der Strahlablenker, der mit der Dtisennadel zur Regulierung der Pelton-Turbine notwendig ist, wie dies im Abschnitt 14.4.1.3 beschrieben ist. Um das Laufi'ad schneller abbremsen zu konnen, wird bei groBem Maschinen in vielen Fallen eine kleine Bremsdtise, deren Strahl auf die Becherrtickseiten gerichtet ist, oder eine separate Bremsturbine emgesetzt. Bei kleineren Maschinen gentigt hingegen eine mechanische Bremse. Der auf das Laufi-ad auftreffende Strahl wird in den Becherschaufeln durch die Mittelschneide halftig geteilt, und diese beiden Strahlhalften werden im weiteren an der ausgerundeten Becherrtickwand um fast 180° umgelenkt (s. Abb. 15.24a). Hierbei wird die kinetische Energie des Wassers in eine Impulskraft auf die Becherschaufel und damit auf den gesamten Laufi-adumfang tiberfiihrt.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

563

Abb. 15.21: sechsdiisige vertikale Pelton-Turbine (Ansicht und Draufsicht) [15.2] Die Laufrader von Pelton-Turbinen sind im Vergleich zu anderen Turbinentypen erheblich mehr Lastwechsebi ausgesetzt, da der Strahl immer nur punktuell auftriffl und damit nur einzehie Schaufeln belastet, wahrend die anderen Schaufeln entlastet sind. Daher wird heute meist ein nichtrostender Chromnickelstahl eingesetzt, der den besten KompromiB zwischen Stabilitat, Elastizitat, Abriebsund Kavitationswiderstand sowie Schweiftbarkeit in sich birgt. Als mogliche Werkstoffaltemative konnte sich auch faserverstakter Kunststoff anbieten, mit dem derzeit erste erfolgversprechende Versuche vorgenommen werden. Wurden frliher die einzeln aus GuBstahl hergestellten Becherschaufeln gesondert oder paarweise mit der Laufradscheibe verschraubt, so werden diese heute zusammen mit der Laufradscheibe komplett oder teilweise aus einem Stiick gefertigt. Dabei kommen vor allem zwei Verfahren zum Einsatz, die beide durch

564

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

eine rechnergestiitzte, weniger zeitintensive und damit kostengunstigere Fertigung gekennzeichnet sind und permanent fortentwickelt werden. Zum einen wird das Laufrad aus einem geschmiedeten Stahlblock herausgefrast, wobei bei groBeren Laufradem in einem zweiten Schritt die Seitenwande der einzelnen Becher aufgeschweiBt werden. Beim zweiten Verfahren werden die Laufradscheibe sowie die jeweiligen Becheransatze ebenfalls aus einem geschmiedeten Stahlblock gefrast, anschlieBend werden jedoch die restlichen Becherformen mit einem speziellen SchweiBverfahren lagenweise aufgeschweiBt. Neuerdings erfahren die Schaufelbecher von Pelton-Turbinen, aber auch die Laufrader von Francis-Turbinen, sowohl bei der Fertigung als auch bei der Uberholung noch einen speziellen Uberzug, durch den deren Abriebsfestigkeit erhoht wird. Dabei kann es sich einerseits um metallische UberzUge, z. B. aus einem Wolfram-Kobalt-Gemisch, handeln, bei denen eine entsprechende Pulvermischung mit Hilfe eines Plasmas aufgetragen wird und die sich so zu einer sehr widerstandsfahigen Schutzschicht mit einer Schichtdicke von unter 1 mm verbindet. Andererseits besteht auch die Moglichkeit, nichtmetallische Beschichtungen, beispielsweise auf keramischer oder Epoxydharz-Basis, aufzubringen. In gleicher Weise konnen auch die Leit- und Regelorgane behandelt werden. Die Lager dieses Maschinentyps mtissen Uberwiegend nur radiale und nur geringe axiale, aus der asymmetrischen Beaufschlagung resultierende Lasten aufnehmen. Bei vertikalen Maschinensatzen kommt zu den axialen Lasten noch die Belastung aus dem Turbineneigengewicht hinzu. Laufrad und DUsen sind vom Turbinengehause umschlossen, das bei kleineren Turbinen als Stahlgehause ausgefiihrt wird und bei groBeren, vor allem vertikalen Pelton-Turbinen meist aus Stahl- bzw. Spannbeton besteht, in dem gleichzeitig die Verteilrohrleitungen eingebettet smd. Eine Panzerung in dem MaBe wie bei Uberdruckturbinen ist nicht notwendig, da das Wasser nach dem Verlassen der Schaufelbecher frei in das Unterwasser „fallt". Es ist jedoch bei der Gestaltung des Turbinengehauses darauf zu achten, daB das von den Schaufebi abspritzende Wasser nicht wieder auf das Laufrad zuriick geschleudert wird. FUr den optimalen Betrieb ist es bedeutend, daB das Laufrad nicht im Unterwasser watet, also ein ausreichender Freihang bzw. Uberhang zwischen Laufrad und hochstem Unterwasserstand zur Verfugung steht sowie der Turbinenraum ausreichend belUftet wird. In Sonderfallen, wie z. B. Pumpspeicherkraftwerken, kann es daher bei tieferen Einbaulage notwendig werden, in der Turbinenkammer einen ktinstlichen Luftuberdruck zu erzeugen (s. a. Kapitel 17.5). Bei Pelton-Turbinen ist es dariiber hinaus von besonderer Bedeutung, daB das Triebwasser gut von Geschiebe und Schwebstoffen, insbesondere Quarzsandpartikebi, gereinigt wird, da bei derartig hohen Geschwindigkeiten sonst erhebliche Abrasionsschaden zu erwarten sind. Da jedoch vor allem bei Anlagen, in deren Einzugsgebiet sich alpine Gletscher befinden, der dort vorkommende Feinstkomanteil, der sogenannte Gletscherschliff, nur selten voUstandig dem Triebwasser entnommen werden kann, sind die Laufrader regelmaBig zu kontroUieren. Dabei sind vor allem Materialabtragungen und Welligkeiten an der Hauptschneide und am Bechergrund zu priifen und gegebenenfalls diese Partien durch AuftragsschweiBungen mit zugehorender Nachbehandlung (Schleifen, Gliihen etc.) zu erneuem. In Einzelfallen kann dies jahrlich notwendig werden, wobei es bei derartig

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

565

kurzen Intervallen wirtschaftlich sinnvoll sein kann, Ersatz- bzw. Austauschlaufrader vorzuhalten, um die Stillstandsdauer auf ein Minimum reduzieren zu konnen. Fiir derartige Inspektions- und Wartungsarbeiten ist auf die gute Zuganglichkeit des Laufrades zu achten, da bei den hohen Geschwindigkeiten sehr schnell gravierende Schaden auftreten konnen. So ist entweder der Gehausedeckel bei horizontalachsigen Maschinen verhaltnismaBig einfach zu entfemen oder bei groBeren, vor allem vertikalachsigen Maschinen daher meistens unterhalb des Laufrades ein Uber dem Unterwasserspiegel Hegender begehbarer Gitterrost angeordnet. Als eine insbesondere in Kleinwasserkraftanlagen heute eher selten eingesetzte Erganzung im tJbergangsbereich von Francis- und Pelton-Turbinen ist noch die Turgo-Turbine zu erwahnen. Bei dieser Turbine wird das Laufrad, das von der Schaufelform und deren Anordnung dem einer Francis-Turbine ahnelt, Uber eine im Winkel von ca. 30-40° angeordnete Dtise gleich der einer Pelton-Turbine von der RUckseite her beaufschlagt (s. Abb. 15.22). Dieser Freistrahlturbinentyp hat seinen Einsatzschwerpunkt im Fallhohenbereich von 30-250 m und zeichnet sich durch einen absolut problemlosen Betrieb unter erschwerten Bedingungen, z. B. bei stark sandhaltigem Wasser, aus.

Abb. 15.22: Vergleich zwischen Turgo-Turbine (a) und Pelton-Turbine (b) 15.3.2

Unterschied zwischen Francis- und Pelton-Turbine

Francis- und Pelton-Turbinen liberschneiden sich heute im Fallhohenbereich von etwa 200-750 m, so daft hier beide Turbinentypen zur Auswahl stehen, wobei neben den konstruktiven Kriterien, die bereits in den vorangegangenen Abschnitten genannt wurden, letztlich ein Wirtschaftlichkeitsvergleich den Ausschlag geben wird. So weist die Francis-Turbine bei relativ gleichmaBiger Beaufschlagung einen um ca. 2 % hoheren Spitzenwirkungsgrad auf als die Pelton-Turbme. Letztere ist jedoch bei haufig wechsebider Beaufschlagung oder bei wiederholter Teilbeaufschlagung im Vorteil, da deren Wirkungsgradlinie flacher verlauft (s. Abb. 14.8) und gegebenenfalls nur ein Teil der Diisen in Betrieb sein kann. Auch zur Erzeugung von Spitzenenergie ist die Pelton-Turbine infolge ihrer guten und schnellen Regulierbarkeit besser geeignet. Der benotigte umbaute Raum ist bei Francis-Turbinen im allgemeinen geringer, wodurch weniger Baukosten entstehen. Gleichzeitig ist jedoch die Griindungstiefe durch die negative Saughohe vor allem bei groBeren Fallhohen von Nachteil, so dafi die Wahl trotzdem zugunsten der Pelton-Turbine ausfallen kann. Der Fallhohenverlust bei Pelton-Turbinen infolge deren Lage iiber dem Unterwasserspiegel

566

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

betragt maximal 1 % und nimmt mit steigender Fallhohe auf Werte von ca. 0,3 % ab, womit er vemachlassigt werden kann. Bei Triebwassem mit einem hohen Quarzsandanteil ist der Einsatz der PeltonTurbinen kritisch, da wie bereits erwahnt, eine groBe VerschleiBgefahr besteht. Unter Umstanden kann jedoch trotzdem die Wahl zugunsten der Pelton-Turbine fallen, da diese sich durch gute Wartungs- und Reparaturmoglichkeiten bei leichter Zuganglichkeit der Turbinenbauteile auszeichnet. 15.3.3

Bemessung

15.3.3.1 Grundlagen Ausgehend von den GrundgroBen Q bzw. QM nach (15.1) und /z/wird in einem ersten Schritt die auf eine DUse bezogene spezifische Drehzahl riq^D ermittelt, wobei die Dtisenanzahl zp abgeschatzt werden muB: n,,D=n'^

=n'^^'^:^

= n'^-^

[mm]

(15.18)

woraus sich gleichzeitig das Verhaltnis der spezifischen Drehzahlen ergibt zu: nq=4^'nq,D

[min"^]

(15.19)

riq^D spezifische Drehzahl pro Diise [min"^] [-] Zp Dtisenanzahl pro Laufrad QD DurchfluB pro Dtise [mVs] Bei der Festlegung der Dusenanzahl zp sollte davon ausgegangen werden, daB der DurchfluB pro Dtise g/) < 10-11 mVs sein sollte. Auch bei Pelton-Turbinen kann die Berechnung durch Muscheldiagramme eventuell einsetzbarer Turbinen (s. Kapitel 14.2.6.3) deutlich verktirzt werden. Unter Ausnutzung der Gleichungen (14.19), (14.20) und (14.21) konnen aus den vorgegeben GroBen «„ und damit Qu (s. Abb. 14.12) die GrundgroBen D3, n und riq bestimmt werden. Bei der normalen Berechnung kann die in (15.18) weiterhin benotigte Drehzahl n aus der nachfolgenden Abbildung 15.23 ermittelt werden bzw. ergibt sich wiederum in Abhangigkeit der Synchrondrehzahl aus Tabelle 16.2 nach (14.7). Als Grundsatz gilt dabei, daB aus Wirtschaftlichkeitsgrtinden eine moglichst hohe Drehzahl gewahlt wird, da dies, wie noch zu zeigen ist, einen kleinen Laufraddurchmesser zulaBt, wobei jedoch wiederum gewisse Grenzwerte zur Kavitationsvermeidung eingehalten werden mussen. Zur weiteren Uberprtifung der spezifischen Drehzahl pro Dtise Uq^o bedarf es der Ermittlung weiterer GroBen der Pelton-Turbine. Aus der Umdrehungsgeschwindigkeit us'. U3 = ku,p 'yl2'g'hf

[m/s]

(15.20)

mit dem Beiwert ku,p fur Pelton-Turbinen [15.16]: ku,p= 0,5445-0,0116-fiq^D

[-]

(15.21)

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

567

ergibt sich der Strahlkreisdurchmesser Dp (s. Abb. 15.24) zu: D,=^^:^ = 84,6-^-Jh; [m] (15.22) n-n n ku,p Beiwert fiir Pelton-Turbinen [-] Dp Strahlkreisdurchmesser des Pelton-Laufrades [m] Aus der Kontinuitatsgleichung folgt der Strahldurchmesser dp zu:

d,=ji.9£.= 1 V^ ci

0^=^^=0,536^ \^-hf''

^71 ^p'^2'g'hf

[m]

(15.23)

"^lip

dp Strahldurchmesser bei Pelton-Turbinen s. Abb. 15.24 [m] C2 Diisenaustrittsgeschwindigkeit [m/s] UP DusenausfluBbeiwert: M,P « 0,96-0,99; i. d. R. ^p = 0,97 [-] Setzt man (15.23) in (15.18) ein, so erhalt man mit pip = 0,91 die spezifische Drehzahl pro Dtise riq^D in Abhangigkeit des Strahldurchmessers dp. n

dp'yj\ip

n-yj\ip

r • -h

r^c^A\

nqD=-T^ n,c = ,— -dp [mm'] (15.24) '' hy 0,536'h-;'' 0,536'^ Lost man (15.22) nach /z/auf und setzt dies in (15.24) ein, ergibt sich riq^o in Abhangigkeit der beiden LaufradkenngroBen dp und Dp\ nq,D=

ri'Jiip'dp Ye.. 0,536

kup'84,6 ,^^ ^ /— , dp ^ . .u -^ - = 157,8-^iip'K,p'-^ [mm*] Dp-n Dp

^.^^^x (15.25)

Neben der bereits erwahnten unteren Grenze der spezifischen Drehzahl aus WirtschaftlichkeitsgrUnden existiert bei alien Turbinen auch eine Obergrenze, die vor allem durch Kavitationserscheinungen festgelegt ist. Bei den Pelton-Turbinen, deren Schaufehi sich unter Atmospharendruck bewegen, kommen allerdings noch weitere Einschrankungen hinzu. Aus (15.25) wird ersichtlich, daB sich bei unverandertem Strahldurchmesser dp die spezifische Drehzahl nq^D mit abnehmendem Strahlkreisdurchmesser Dp vergroBert, womit bei sonst gleichen Randbedingungen auch die Drehzahl n im selben Verhaltnis ansteigt. Da bei steigender Drehzahl bekanntlich gleichfalls die auf das Laufrad wirkenden Fliehkrafte zunehmen, wird hier aus konstruktiven Grimden eine obere Grenze der Drehzahl erreicht werden. Des weiteren laBt sich aus stromungstechnischen Griinden der Laufraddurchmesser bei unverandertem Strahldurchmesser dp nicht Uber ein gewisses MaB hinaus verkleinem, da es unmoglich ist, die Schaufehi dann auf dem kleineren Umfang in der stromungstechnisch wtinschenswerten Dichte fur einen ausreichenden Wirkungsgrad unterzubringen. DarUber hinaus besteht bei zu dichter Schaufelteilung Kavitationsgefahr, da dann der Wasserstrahl die Schaufelriickwand streifen kann.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

568

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;v^

<\'^s^^

11 b« 1.000 mm'

b« 1.150 mm

QD

,12 [mVs]

Abb. 15.23 Auslegungsdiagramm fiir Pelton-Turbinen zur Ermittlung der Drehzahl n und des Strahlkreisdurchmessers Dp sowie Uberschlagswerten fiir die Schaufelbecherbreite b sowie die Leistung P pro Duse in Abhangigkeit der Fallhohe hf und des Durchflusses pro Duse QD [nach 15.12]/[15.17] Unter Berucksichtigung all dieser Gesichtspunkt lautet der Erfahrungswert des Strahlverhaltnisses [15.1]: Dp

dp

(15.26)

[-]

womit sich mit (15.25) ein Grenzwertbereich - infolge des darin enthaltenen, von Hq^D abhangigen Beiwertes ku,p - fur die spezifische Drehzahl pro Dtise Uq^o ergibt: nq^D^l'^,53'y[y^'ku,p

[min"^]

(15.27)

Mit den Gleichimgen (15.26) und (15.27) stehen zwei Bedingungen zur Uberpriifung fur die eingangs ausgewahlten Werte zp bzw. n zur Verfugung. Konnen die beiden Bedingungen nicht eingehalten werden, so ist eine andere DUsenanzahl Zp und damit eine andere Drehzahl n aus Abb. 15.23 zu wahlen und die Berechnung neu durchzufuhren. Lassen sich keine akzeptablen Werte ermitteln, so ist unter Umstanden gar ein anderer Turbinentyp heranzuziehen. Nachdem aus den Eingangswerten QM und hf die Drehzahl n bzw. riq^o^ die Diisenanzahl zp und die Durchmesser dp sowie Dp ermittelt worden sind, konnen anschlieBend die weiteren Hauptabmessungen der Pelton-Turbine uberschlagig aus den nachfolgenden empirischen Formeln sowie den Abb. 15.24 und 15.25 bestunmt werden.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

569

Abb. 15.24: a) Stromungsverteilung im Schaufelbecher; b) Abmessungen des Schaufelbechers; c) Abmessungen des Laufrades [15.1] Die Schaufelbecherabmessungen (s. Abb. 15.24) ergeben sich zu: a = {2,8-^3,4)'dp

[m]

(15.28a)

b = [2,8-^3,6)-dp

[m]

(15.28b)

c^ 0,95'dp

[m]

(15.28c)

und der LaufradauBendurchmesser Ds zu: D3=Dp+a^{l-\-0,041'n^,D)'Dp a/b/c

[m]

Schaufelbecherabmessungen s. Abb. 15.24

(15.28d) [m]

BP

«1,0 + D3

(a)

Abb. 15.25: Definitionsskizzen zur Vordimensionierung von vertikalen Pelton-Turbinen [15.1] Der Turbinengehausedurchmesser Lpy lautet fiir vertikalachsige Maschinensatze: Lp,=0J8-\-2,06-D3

[m]

(15.29a)

570

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

und fur horizontalachsige Maschinensatze die analoge Gehausebreite Lp^hLph=10'dp+

^ 1200^2000

[m]

(15.29b)

sowie die Breite des Unterwasserkanales Bp\ Bp =l5-¥0J5'Ds [m] (15.29c) Lp Turbinengehausedurchmesser/'breite bei Pelton-Turbinen [m] Bp Breite des Unterwasserkanales bei Pelton-Turbinen [m] Die freie Hohe hi zwischen maximalem Unterwasserspiegel und Laufrad, der sogenannte Frei- bzw. Uberhang, ergibt sich fur vertikale Maschinensatze zu: h,={0,5^lO) + 0,5'Ds [m]

(15.30a)

und fur horizontale Turbinen zu: hj,^,=[0,5^lO)-¥Ds-bl2

[m]

(15.30b)

hi Freihang bei Pelton-Turbinen [m] Angaben zum Turbinengewicht GT von Pelton-Turbinen sind infolge der unterschiedlichen Bautypen in Abhangigkeit der DUsenanzahl und der Entwurfskriterien nur schwer zu treffen. Ftir horizontalachsige Maschinen mit ein oder zwei Dtisen Uber 1 MW kann tiberschlagig angesetzt werden: GT^ 35000'Pr/hy

[t]

(15.31a)

und ftir vertikalachsige Turbinen mit mehreren Dtisen tiber 5 MW sowie einer Fallhohe tiber 150 m gilt: hy 2500 Pr Gr»-7= +— — —

ItJ

(15.31b)

PT Turbinenleistung [MW] Die bedeutenden Wirkungsgrad- und Leistungscharakteristika ftir die optimale Auslegung der unterschiedlichen Betriebszustande wurden bereits im Abschnitt 14.2.6 ausfuhrlich beschrieben.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung 15.3.3.2

571

Berechnungsschema zur Vordimensionierung

Eingangsparameter zur Bemessung von Pelton-Turbinen: Fallhöhe hf [m], Durchfluß Q [m FestlegungderAnzahl | der Maschinensätze und des jeweiligen Durchflusses

|

Erste Festlegung der Düsenanzahl zP mitQ D < 10-11 m3

Berechnung der spez. Drehzahl nq,D pro Düse:

Berechnung des Beiwertes ku,P : ku,P=0,5445-

0,0013·nq,D (15.21)

hf

T

Berechnung der Umdrehungsgeschwindigkeit u3:

u3=ku,P-2-g-hf

(15.20)

Berechnung des Strahldurchmessers dP: P

Stehen verwendbare Muscheldiagramme zur Verfügung?

[QD 0,536- I -hf \[iP

—ja— nein Ermittlung der Drehzahl n aus Abb. 15.15

zP ' Berechnung des Strahlkreisdurchmessers DP : DP =

60-u313 n -n

•Jhf

4,6-

(15.22)

n

Berechnung von DP ,nq,n aus n11 und damit D11 aus dem Muscheldiagram ^ P = 0,96-0,99 mmit (14.19), (14.20) und (14.21) i.d.R.^P = 0,97|

- mit

(15.23)

Möglichkeiten: 1. Wahl einer anderen Düsenanzahl zP 2. Ändern der Maschinensatzanzahl 3. Wahl eines anderen Turbinentyps

Überprüfung der Bedingungen: DP ^ ,, ,«^x >9 (15.26) -nein— Strahlverhältnis: dP —ja b nq,D<17,53-^-ku,P

Ermittlung der Turbinenabmessungen aus (15.28) bis (15.30) sowie Abb. 15.24 und 15.25

]

(15.27)

ENDE

Abb. 15.26: Berechnungsschema zur Vordimensionierung von Pelton-Turbinen 15.4

Durchstromturbinen

15.4.1

Konstruktion und Betriebsweise

Vor allem bei Kleinwasserkraft-, aber auch bei Nieder- und Mitteldruckanlagen sind die auf den Englander Michell und den Ungam Banki zuriickzufuhrenden radial durchstromten Gleichdruckturbinen von Bedeutung (s. Abb. 15.27). Hierbei kommt dieser, in seiner Funktion dem Wasserrad ahnliche Turbinentyp fiir Durchflusse Q von ca. 0,025-13 m^/s und Fallhohen hf won etwa 1-200 m in Frage. Es konnen bei einem maximalen Wirkungsgrad von etwa 85 % Leistungen bis zu 1.500 kW erzielt werden, wobei spezifische Drehzahlen n^ von 2-70 min"^ zu erreichen sind. Das der Turbine aus dem Zulauf zustromende Triebwasser wird durch Profilleitschaufebi geteilt, umgelenkt und stoBfrei dem Laufrad zugefiihrt. Diese Leitschaufehi dienen neben der Stromungsflihrung insbesondere der DurchfluBsteuerung, wobei sie bei geringen Fallhohen die Funktion eines Absperrorgans iibemehmen. Bei groBeren Fallhohen ist dagegen die Anordnung eines VerschluBorganes vor der Turbine notwendig, da hier die Leckwassermengen zu groB ausfallen wUrden. Der aus dem im Querschnitt rechteckigen Leitapparat austretende Freistrahl durchstromt das walzenformige Laufrad mit horizontaler Welle zweifach (s. Abb.

572

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

15.28a+b). Das Triebwasser durchquert das Laufrad zuerst von auBen nach innen und trifft anschlieBend, nachdem es die Laufradmitte durchquert hat, emeut auf die gegeniiberliegenden Laufradschaufebi, womit es seine Energie in zwei Etappen weitestgehend vollstandig abgibt. Ubergangsstiick Laufrad "Generator Beliiftungsventil Eckkasten

^Hauptlager

Saugrohr

Abb. 15.27: Durchstromturbine [15.18] Bei haufig schwankenden Durchfltissen konnen Leit- und Laufrad im Verhaltnis 1:2 unterteilt werden, um ein gutes Teillastverhalten der Anlage zu erreichen. So werden bei kleinen Mengen nur die kleine, bei mittleren nur die groBe und bei VoUast alle beiden Zellen in Betrieb gesetzt. Durch diese Aufteilung ist die Verarbeitung von Durchfltissen von 1/6 bis 1/1 der Beaufschlagung mit optimalem Wirkungsgrad moglich (s. Abb. 15.28c). Bei extrem schwankenden und gleichzeitig kleineren Abfltissen kann es sinnvoll sein, anstatt einer Durchstromturbine eine Kaplan-Turbine vorzusehen. Die je nach GroBe 24 bis zu 37 linear gekrtimmten Laufradschaufeln erzeugen nur einen geringen Axialschub, so daB die Wellenlagerung entsprechend einfacher ausgebildet werden kann. Uber die Welle ist der Generator direkt oder tiber ein Getriebe mit der Turbine verbunden. Zur besseren Energieausntitzung ist auch bei kleinen bis mittleren Fallhohen die Anordnung eines Saugrohres im Unterwasser sinnvoll, auch wenn es sich bei der Durchstromturbine dem Prinzip nach um eine Freistrahlturbine, d. h. Gleichdruckturbine, handelt. Durch den Einbau eines Saugrohres laBt sich im Turbinengehause ein Unterdruck erzeugen, welcher durch ein einstellbares Beltiftungsventil regelbar sein muB. Hierdurch kann die Austrittsgeschwindigkeit gesteigert werden, und dartiber hinaus ermoglicht dieser Unterdruck eine VergroBerung des Hohenunterschiedes zwischen Unterwasserspiegel und Laufrad, den sogenannten Freihang, womit die Anlage wechselnden Unterwasserstanden angepaBt und der Maschinensatz hochwassersicher betrieben werden konnen. Dabei ist stets darauf zu achten, daB das Laufrad nicht im Unterwasser gleich welchen Wasserstandes watet. Konstruktionsbedingt stellt kleineres Treibgut fur die Durchstromturbine kein Problem dar, da sich das Laufrad durch die zweifache Durchstromung selbst reinigt. Des weiteren tritt bei diesen Turbinen systembedingt keine Kavitation auf.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung 80 tn L

/VU^ "

1/3 Q /[

60

0

I I!

1

'

/

I'

0

1 ';/ 1/3

• ^

Q^

0,2

^"^

c

Francis-Turbine

•

1 11 /

20 ^^^^ r

1

1 3/3 Q/

40

a

'

^

f

12/3 Q / 1

573

0,4

0,8

0,6 j

1,0

^ j^ p*"*^ '

—

1

-

i l l

1

1

1 1

Abb. 15.28: Durchstromturbine: Stromungsverlauf bei a) horizontalem / b) vertikalem ZufluB; c) Wirkungsgradkennlinie bei einer 1:2-Unterteilung von Leitapparat und Laufrad im Vergleich zur Francis-Turbine [15.18] Durch das hervorragende Verhalten bei Teilbeaufschlagung und der daraus resultierenden Anpassungsfahigkeit an schwankende Wasserstande kommen der Gleichdruckturbine besondere betriebstechnische Vorteile zugute. Aufgrund des geringen Wartungsbedarfs und der guten Funktionsweise in Gewassem selbst mit groBem Schwemmstoffanteil wird die robuste, kompakte, im Aufbau und Betrieb einfache Durchstromturbine bevorzugt auch in Entwicklungslandem eingesetzt. 15.4.2

Bemessung

15.4.2.1 Grundlagen Auf der Basis der Grundwerte Q bzw. QM nach (15.1) und /?/wird die Drehzahl n aus (14.6f) ermittelt, wobei die hierfiir notwendige spezifische Drehzahl rigftireine Fallhohe hf< 10 m zu ^2^ « 30 min'^ und fiir hf> 10 m zu «^ « 16 min'^ abgeschatzt werden kann. Die errechnete Drehzahl n wird nach (14.7) auf die nachstliegende Synchrondrehzahl ttsyn aus Tabelle 16.2 auf- oder abgerundet. AnschlieBend wird die spezifische Drehzahl rig nach (14.6f) emeut berechnet und in Abb. 14.3 iiberpnift, ob diese noch im zulassigen Bereich liegt. Im nachsten Schritt wird aus der nachfolgenden empirischen, nicht dimensionsechten Gleichung der Laufraddurchmesser D3 bestimmt [15.19]: A = ku,D

ku^D

[m]

Beiwert fiir Durchstromturbinen: ku^D « 35-39

(15.32) [-]

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

574

wobei bei den heutigen Maschinen die kleineren Werte von ku^D '^ 35 angesetzt werden diirfen. AbschlieBend lassen sich als weitere GroBen die Laufradbreite BD\ BD^{2^3,5)'DS

[m]

(15.33a)

sowie der Laufradinnenkreisdurchmesser A: Di^y^'Ds

(15.33b)

[m]

und die Tiefe QD und Breite bo des senkrechten Turbineneintrittsquerschnittes: aD^0,2'Ds

[m]

(15.33c)

bo ^0,9'Bo

[m]

(15.33d)

sowie schlieBlich der Nenn- oder AusbaudurchfluB Qa'. Qa=i^D'0,9'bn'an'p'g'hf

[m'/s]

(15.34)

BD Dj «£>//?£) (PD

Laufradbreite Laufradinnenkreisdurchmesser Tiefe/Breite des senkrechten Turbineneintrittsquerschnittes Geschwindigkeitsbeiwert des Turbineneintrittsquerschnittes: (PD = 0,96-0,98 iiberschlagig ermittehi. 15.4.2.2

[m] [m] [m] [-]

Berechnungsschema zur Vordimensionierung

Eingangsparameter zur Bemessung von Durchströmturbinen: Fallhöhe hf- [m], Durchfluß Q[m/ Festlegung der Anzahl der Maschinensätze und des jeweiligen Durchflusses QM = Q/zM (15.1)

Abschätzen der spezifischen Drehzahl nq:

(14.6)

hf>10m: n„ « 16min Berechnung von nq mit gewählter Drehzahl n: (14.6f)

Überprüfung, ob neues nq in Abb. 14.3 im zulässigen Bereich liegt

hf5

r

ja

Berechnung der Drehzahl n:

hf< 10 m: nq « 30 min •\IQM

(Auf- oder) Abrunden von n auf die J nächstliegende Synchrondrehzahl nsyn ausTabelle 16.1 zu: n =nsyn (14.7)

nein—

Berechnung des Laufradaußendurchmessers D3: D3 = kuD

(15.32)

mit ku,D « 35-39

Ermittlung der weitern Turbinenabmessungen aus (15.33a) bis (15.33d)

ENDE

I

n

Abb. 15.29: Berechnungsschema zur Vordimensionierung von Durchstromturbinen 15.5

Wasserrader und Wasserkraftschnecken

15.5.1

Wasserrader

Nach wie vor kommen heutzutage die m Kapitel 1 bereits un historischen Zusammenhang erwahnten unterschiedlichen Arten von Mtihl- und Wasserradem bei Klemwasserkraftanlagen mit geringem DurchfluB und niedrigem Gefalle vor (s.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

575

Abb. 15.30). Auch heute noch stellen sie eine sinnvolle Erganzung der Turbinen im unteren Leistungsbereich bis ca. 100 kW dar und zeichnen sich durch eine leichte Wartung, eine Unempfindlichkeit gegeniiber Verstopfungen sowie haufig geringe Investitionsaufwendungen infolge der einfachen Bauweise und wenigen notwendigen peripheren Anlagenkomponenten aus. Hinsichtlich der unterschiedlichen Radtypen unterscheidet man im wesentlichen drei Gruppen, die in Abb. 15.31 schematisch dargestellt sind. Die oberschlachtigen Wasserrader (s. Abb. 15.31c) werden im Bereich des Radscheitels beaufschlagt, wobei das Triebwasser in Zellen flieBt und diese nach etwa einer Viertelradumdrehung wieder verlaBt. Ihr Einsatzbereich liegt gemaB Abb. 15.30 bei einem DurchfluB bis ca. 0,8 m^/s sowie einer Fallhohe von ca. 27 m, wobei beriicksichtigt werden muB, daB durch den notwendigen Freihang ein Fallhohenverlust auftritt. Je nach Bauart konnen mit diesen Radtypen Wirkungsgrade bis zu 80 % erreicht werden (s. Abb. 15.32). Ein besonderer Vorteil dieses Radtypes ist, daB meist auf den Einbau eines Rechens sowie der dazugehorenden Reinigungsmaschine verzichtet werden kann. >I 88 ~ hhff [m] [m] 66 —

V\

Turbinen

/

4 —

oberoberschlächtige sch lächtige Wasserräder Wasserräder 2 —

- ^ Wasserkrafts( chnecken Wasserkraftschnecken _

_

^

1

00

^

unterschlächtige \ A/Q C C ^t*t*Q H ^ t * Wasserräder VV CIL> L>CI I dCLCI 1—^^

1

00

0,1 0,1

11

3

Q [m [m /s] /s] Q

10 10

Abb. 15.30: Haupteinsatzbereiche fiir Wasserrader, Wasserkraftschnecken und Turbinen Unterschlachtige Wasserrader (s. Abb. 15.3Id) stellen wohl die urspriinglichste Form der Wasserrader dar, auf deren stromungsmechanische Grundlagen sich nahezu alle Weiterentwicklungen, wie z. B. die sogenannte Staudruckmaschine, zuriickfuhren lassen, ohne jedoch den entscheidenden Vorteil, die Einfachheit, zu erhalten. Diese Wasserradform hat ihr wesentliches Einsatzgebiet bei kleineren Gefallen sowie groBeren Wassermengen und erreicht normalerweise Wirkungsgrade bis zu maximal etwa 50 %, bei gekriimmten Schaufeln konnen bis zu maximal 65 % erreicht werden.

576

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Abb 15.31: Typen von Wasserradem: a) mittelschlachtiges Zellenrad, b) (mittelschlachtiges) Schaufelrad, c) oberschlachtiges Zellenrad, d) unterschlachtiges Schaufelrad [15.20] Zwischen diesen beiden Bauarten sind die mittelschlachtigen Wasserrader angeordnet, die vielfach nach dem System „Zuppinger" (s. Abb. 15.31a) mit relativ flachen, nur leicht geneigten und tiefen Schaufeln oder als einfache Schaufelrader (s. Abb. 15.3 lb) gebaut werden. Bei alien Wasserradem sind zwei Grundsatze von besonderer Bedeutung [15.21]. Zum einen soil das Wasser moglichst tangential zum Radumfang und ohne StoB in das Rad eintreten sowie es mit einer moglichst kleinen Geschwindigkeit verlassen. Des weiteren sollte die Umfangsgeschwindigkeit des Rades die Halfte der Geschwindigkeit betragen, mit der das Wasser in das Rad eintritt. Daher laufen Wasserrader normalerweise mit einer langsamen Drehzahl von 5-8 Umdrehungen pro Minute und benotigen eine Drehzahltibersetzung in Form eines Getriebes oder eines Riemenantriebes (s. Abschnitt 14.3.4). Waren anfangs die Wasserrader rein aus Holz gebaut, so setzten sich bald Radachsen, Speichen und Radkranze aus Stahl durch, da diese eine gleichmaBige Form unabhangig der auBeren Beeinflussungen gewahrleisteten. Bei den Schaufeln sind einerseits reine Holz- oder Stahlkonstruktionen sowie andererseits Kombinationen aus Stahlhalterungen mit Holzflachen anzutreffen. Aus konstruktiven Griinden sind die Radachsen normalerweise beidseitig gelagert. Mit dem speziell zur Stromerzeugung neu entwickelten oberschlachtigen Tu-

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

577

ras-Wasserrad, das sich durch die einseitige Lagerung an einer kompakten, wesentlich vereinfachten Generatoren-Getriebe-Einheit auszeichnet, wird hiervon erstmals abgewichen [15.22]. Durch diese kompakte Konstruktion kann die komplette Wasserradanlage im Werk vorgefertigt und mit geringem Aufwand am Einsatzort aufgestellt werden, wodurch der bisher nicht wirtschafllich betreibbare Leistungsbereich unter 10 kW fiir die Stromgewinnung mit einem Wirkungsgrad von iiber 70 % im Beaufschlagungsbereich von 30-100 % erschlossen wurde.

Abb. 15.32: Typische Wirkungsgradverlaufe von Wasserradem sowie einigen ausgewahlten Turbinentypen Die Steuerung der Wasserrader erfolgt im wesentlichen tiber einfache Schtitze, durch die die Wasserzufuhr geregelt wu*d. In Verbindung mit einer vollautomatischen Steuerung kann die optimale Ausnutzung des zur Verfugung stehenden Wassers ermoglicht werden. Bei Anlagen mit Wasserradem konnen insbesondere zwei Problemfelder zum Tragen kommen. Dies sind zum einen Larmemissionen, die auch bei einer optimalen Konstruktion unumganglich sind, sowie die Notwendigkeit, bei starkem Frost die Anlage auBer Betrieb zu nehmen. Durch die Unterbringung des Wasserrades in einer geschlossenen Radstube konnen diese Probleme umgangen werden. 15.5.2

Wasserkraftschnecken

Bereits seit dem Altertum ist die Archimedische Schnecke zur Wasserforderung bekannt, die im 20. Jahrhundert durch ihre Anwendung in der Abwassertechnik emeut Verbreitung fand. Anfang der 1990er Jahre war es vor allem die Idee des Ingenieurs RADLIK [15.23], durch die energetische Umkehrung der Arbeitsweise diese Hebeeinrichtung zur Energieerzeugung zu verwenden.

578

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

Grundsatzlich sind Wasserkraft- und Wasserforderschnecken in ihrer Form und ihren Abmessungen gleich, und jede der Maschinen kann fiir beide Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Dabei andem sich allerdings Drehrichtung, Wasserflihrung und Betriebsverhalten. Von seiner Wirkungsweise ist dieser Maschinentyp eher den Wasserradem als den Turbinen zuzuordnen, denn er nutzt analog einem oberschlachtigen Wasserrad unter atmospharischem Gleichdruck vor allem die potentielle Energie des Wassers. Mit einem Schluckvermogen von ca. 0,05-5,5 m^/s und nutzbaren Fallhohen von etwa 0,5-10,0 m deckt dieser Maschinentyp einen groBeren Bereich als Wasserrader ab (s. Abb. 15.30). Entsprechend vorgenommener Messungen im Labor und an ausgefuhrten Anlagen verhalt sich ihr Wirkungsgrad ahnlich dem von oberschlachtigen Wasserradem (s. Abb. 15.32), wobei dieser in giinstigen Fallen im Beaufschlagungsbereich zwischen 70-80 % um bis zu 5 % dartiber liegen kann. Schnellschlußorgan Getriebe-Generator-Einheit <:^ Wälzlager

^ \

^-^^^^^^^^^ 1

Schnecke

f

\

' ^\^

Gleitlager

yC

^

\—\

V

^

^

k

Grobrechen

1w \

\

Anstellwinkel

Abb. 15.33: Schema einer Wasserkraftschnecke [nach 15.24]

Ublicherweise werden die Wasserkraftschnecken mit einem Anstellwmkel zwischen etwa 20-35° gegenuber der Horizontalen angeordnet und bestehen aus einem auf erne biegesteife Hohlwelle aufgeschweiBten Schneckenkorper mit ublicherweise drei SchneckenflUgebi (s. Abb. 15.33). Die Lagerung erfolgt oberwasserseitig in der Regel iiber ein als Traglager ausgebildetes Walzlager und unterwasserseitig durch ein wasserdicht gekapseltes, wartungsfreies Gleitlager. Direkt hinter dem oberen Lager ist die Getriebe-Generator-Einheit angeordnet, die bedarfsweise tiberstromsicher ausgefiihrt werden kann. Von Vorteil ist bei Wasserkraftschnecken, daB die notwendigen baulichen MaBnahmen und somit die Kosten sehr gering gehalten werden konnen, da sie werksseitig fast vollstandig vorgefertigt werden. Hinzu kommt noch, daB diese sehr robust sind, keinen Feinrechen zur Treibgutabweisung benotigen sowie eine hohe VerschleiBbestandigkeit und damit Wartungsfreundlichkeit aufweisen.

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

579

Durch die niedrigen Drehzahlen zwischen 80 min"^ bei kleineren und 20 min'^ bei groBeren Schnecken kann dieser Maschinentyp als verhaltnismaBig fischfreundlich eingestuft werden. Hinzu kommt, daB im Vergleich zu Turbinendurchstromungen Druckunterschiede fehlen sowie die Tatsache, daB bei entsprechend abgerundeter Ausgestaltung der Schneckenflugel keine besondere Schlaggefahrdung existiert. Inzwischen wurden zahh-eiche Anlagen an alten Muhlenstandorten, Klaranlagenauslaufen etc. im Leistungsbereich von ca. 1-300 kW ausgefuhrt und haben sich im Betrieb bewahrt. 15.6

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580

15 Hydraulische Maschinen zur Energieerzeugung

[15.16] Siervo, F. de; Lugaresi, A.: Modem trends in selecting and designing Pelton turbines. In: Water Power & Dam Construction 32 (1978), Heft 12, Seite 40-48 [15.17] Voith Hydro GmbH, Heidenheim: Personliche Auskunft, 1996 [15.18] Ossberger-Turbinenfabrik GmbH & Co: Die Wasserkraftidee. Weissenburg, 1990, Firmenschrift [15.19] Mosonyi, E.: Wasserkraftwerke. Band I/II. Dtisseldorf: VDI-Verlag, 1966 [15.20] Giesecke, J.: Technik wasserradgetriebener Mtihlen. In: Berichtsband zur Tagung Geschichte der Wasserkraftnutzung. Koblenz, 1985, Seite 45-60 [15.21] Mtiller, W.: Die Wasserrader. Nachdruck der 2. Auflage von 1939. Detmold: Verlag Moritz Schafer, 1991 [15.22] Bega Wasserkraftanlagen GmbH, Bochum: Pers. Inft)rmationen, 1997 [15.23] Radlik, K.-A.: Die Wasserkraftschnecke, das Mtihhad der Zukunft. In: Tagungsband des 2. Anwenderft)rums „Kleinwasserkraftwerke", OTTI Energie-Kolleg, Passau, 1999, Seite 41-50 [15.24] Ritz-Atro Pumpwerksbau GmbH, Ntimberg, Firmenschriften, 2002

581

16

Elektrotechnische Ausrustung

Die energetische Nutzung der kinetischen und der potentiellen Energie der natiirlichen Wasservorkommen durch den Menschen begann vor tiber 4000 Jahren und pragte seine kulturelle Entwicklung entscheidend mit. Dabei war die Nutzung der Wasserkraft allerdings weitgehend an das nattirliche Vorhandensein geeigneter Gewasser gebunden. Erst die Kombination der Nutzung der nattirlichen Krafte des Wassers mit den Moglichkeiten der elektrischen Weiterleitung und Umsetzung von Energie ermoglicht die vielfaltige Nutzung der Wasserkraft in unserer Zeit. Auf hohe Spannungen transformiert laBt sich elektrische Energie ohne groBe Verluste iiber weite Entfemungen transportieren. Am Anwendungsort kann sie einfach, gut dosierbar und mit hohem Wirkungsgrad in die jeweils gewiinschte Endenergie wie beispielsweise Warme oder mechanische Energie umgewandelt werden. Ein groBer Nachteil der elektrischen Energie ist ihre relativ geringe Speicherbarkeit. Hier erweist sich die Kombination der Moglichkeiten der Ubertragung und Umwandlung der elektrischen Energie mit den Speichermoglichkeiten der Wasserkraft als besonders vorteilhaft. Insbesondere Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke (s. Kapitel 17) erlauben es, zusatzliche elektrische Energie genau dann zu erzeugen, wenn sie vom Verbraucher als sogenannte Spitzenlast benotigt wird. Die elektrotechnische Ausrustung eines Wasserkraftwerks umfaBt alle Anlagen und Einrichtungen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, zur Umsetzung von elektrischer Energie auf andere Spannungsebenen, zur Weiterleitung elektrischer Energie sowie die zugehorige Schalt- und Leittechnik. 16.1

Grundlagen der elektrischen Energietechnik

Atome bestehen aus einem Kern aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen sowie der Htille aus negativ geladenen Elektronen. Da die Zahl der Protonen bei einem vollstandigen Atom gleich der Zahl der Elektronen ist, erscheint das Atom nach auBen hin insgesamt elektrisch neutral. Durch Abtrennung von Elektronen von Atomen eines Korpers erhalt dieser Korper eine positive Ladung, da nun die Ladung der Protonen der Atomkeme nicht mehr voUstandig von den Elektronen der Atomhiillen kompensiert wird. Jener Korper, auf den die Elektronen iibergegangen sind, besitzt eine negative Ladung, da auf ihm nun ein UberschuB von negativ geladenen Elektronen gegenuber den positiv geladenen Protonen herrscht. Elektrisch geladene Korper iiben mechanische Krafte aufeinander aus: Gleichnamig geladene Korper stoBen sich gegenseitig ab, ungleichnamig geladene ziehen sich an [16.1]. Diese Wirkungen waren bereits im Altertum in Griechenland bekannt; sie wurden dort durch Reiben von Bernstein (griechisch „Elektron") an Wolle beobachtet.

582

16 Elektrotechnische Ausrustung

16.1.1

Gleichstromtechnik

Sind durch Ladungstrennung Bereiche unterschiedlicher Ladung entstanden, dann besitzen die Ladungstrager durch die AbstoBung gleichnamiger und die Anziehung ungleichnamiger Ladungen das Bestreben, die Ladungstrennung wieder aufzuheben und zum naturlichen Gleichgewichtszustand zuruckzukehren. Dieses Ausgleichsbestreben nennt man elektrische Spannung. In jeder Quelle elektrischer Spannung werden also positive und negative Ladungen entgegen ihren Anziehungskraften getrennt; die dazu erforderliche Energie wird beispielsweise durch chemische Vorgange (z. B. in einer Batterie) oder durch mechanische Krafte (z. B. beim Generator) geliefert. Eine Spannungsquelle verftigt daher jeweils uber zwei AnschlUsse, die unterschiedliche elektrische Ladungen tragen. Die elektrische Spannung zwischen beiden Anschliissen ist das MaB far die Starke dieses Ausgleichsbestrebens. Ein Ladungsausgleich kann nur erfolgen, wenn Ladungstrager von einem AnschluB der Spannungsquelle zum andem wandem konnen, also Strom flieBt. In der elektrischen Energietechnik sind als bewegliche Ladungstrager vor allem Elektronen zu betrachten, da in metallischen Leitem die auBeren Elektronen der Atomhiille nicht fest an einen Atomkem gebunden sind, sondem sich frei im Metall bewegen konnen. In Medien, deren Elektronen jeweils fest an einzelne Atome gebunden sind, kann kein elektrischer Strom flieBen, da keine frei beweglichen Ladungstrager vorhanden smd. Diese elektrischen Nichtleiter oder Isolatoren werden verwendet, um elektrischen Strom in den gewtinschten Bahnen zu lenken. Elektrischer Strom ist also die gerichtete Bewegung von Ladungstragem; elektrischer Strom flieBt, wenn AnschlUsse unterschiedlicher Ladung tiber elektrisch leitfahige Medien miteinander verbunden werden. Dabei flieBen im metallischen Leiter die negativ geladenen Elektronen vom MinusanschluB der Spannungsquelle, an dem ElektroneniiberschuB herrscht, zum PlusanschluB, an dem Elektronenmangel herrscht [16.2]. Wahrend sich die einzelnen Elektronen im metallischen Leiter nur mit Geschwindigkeiten im Bereich von mm/s bewegen [16.3], pflanzen sich Andemngen der Stromstarke nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fort; im ganzen Leiter herrscht somit zu jedem Zeitpunkt praktisch iiberall dieselbe Stromstarke. Dieses Verhalten laBt sich mit dem einer wassergefiillten Rohrleitung vergleichen, in der die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Dmckwellen auch erheblich uber der Stromungsgeschwindigkeit des Wassers liegt. Schon bevor bekannt war, daB negativ geladene Elektronen Trager des Stromflusses in metallischen Leitem sind, wurden elektrische Stromungen als die Bewegung positiver Ladungstrager vom PlusanschluB der Spannungsquelle zum MinusanschluB definiert. Diese „technische Stromzahhichtung" liegt vereinbamngsgemaB der Behandlung elektrischer Schaltungen zugmnde [16.3]. Jeder StromfluB ist unaufloslich mit der gleichzeitigen Entstehung, der Erzeugung eines magnetischen Feldes verbunden. Dieser in der Folge noch genauer betrachtete Zusammenhang ist von gmndlegender Bedeutung fiir die mechanischelektrische Energieumwandlung.

16 Elektrotechnische Ausrtistung

583

Dem Ladungsausgleich zwischen den beiden Anschlussen einer Spannungsquelle durch einen geschlossenen Stromkreis wirken der elektrische Widerstand des Leitermaterials und gegebenenfalls elektrische Gegenspannungen Ug, z. B. eines laufenden Gleichstrommotors im batteriegespeisten Gleichstromkreis, sowie im Stromkreis eingeftigte Energieverbraucher entgegen, in denen elektrische Energie in die flir die jeweilige Anwendung gewUnschte Energieform (Warme, Licht, mechanische Energie etc.) umgewandelt wird (s. Abb. 16.1). Der Widerstand der Leiter ist vor allem vom verwendeten Leitermaterial sowie von der Leitertemperatur abhangig; bei metallischen Leitem nimmt der Widerstand mit ca. 0,4 % pro Kelvin Temperaturerhohung zu. Alle elektrischen Widerstande des geschlossenen Stromkreises konnen als in einem Element zusammengefaBt betrachtet werden, dem Widerstand /?; die Leiter konnen dann als ideale, d. h. widerstandslose Leiter behandelt werden. ideale Gegenstromquelle

J[^

-[^

C^\

+ Uo Spannungs gsquelle

Abb. 16.1:

^ r

P,W idealer Leiter

R Summe aller elektrischen Widerstande im Stromkreis

^

Geschlossener elektrischer Gleichstromkreis

Im geschlossenen Stromkreis herrscht iiberall die gleiche elektrische Stromstarke /. Bei idealen Leitem ist auch die elektrische Spannung an der Spannungsquelle Uo gleich der elektrischen Spannung am Widerstand UR. Die Stromstarke ergibt sich gemaB dem Ohmschen Gesetz zu: 7=

R

^

[A]

(16.1)

Die Widerstandswerte der einzeben Leiter errechnen sich zu: R = p-/ UR R p / q

[Q]

(16.2)

elektrische Stromstarke elektrische Spamiung am Widerstand phmscher Widerstand spezifischer Widerstand des Leiterwerkstoffs Leiterlange Leiterquerschnitt

[A] [V] [Q] [Qm] [m]

Die von der Spannungsquelle zum Widerstand iibertragene Leistung errechnet sich zu:

Pel={Uo-U,)l=UR'I=^

= l'R

[W]

(16.3)

R Pel Uo Ug

elektrische Leistung (konstant bzw. zeitlicher Mittelwert) elektrische Spannung der Spannungsquelle elektrische Gegenspannung

[W] [V] [V]

584

16 Elektrotechnische Ausriistung

In der Zeit t wird dabei von der Spannungsquelle als Energiequelle elektrische Energie zum Widerstand als „Energieverbraucher" ubertragen und dort in diesem Beispiel in Warme umgesetzt: W = \pei(t) • dt =Pei • t W Pel t

[Ws]

Energie elektrische Leistung (Momentanwert) Zeit

(16.4) [Ws] [W] [s]

Die Energie wird also iiber die ideal leitfahigen Leiter verlustfrei von der Energiequelle zum Energieverbraucher Ubertragen. Werden Spannung und Strom am Widerstand mit den in Abb. 16.1 eingezeichneten Richtungen betrachtet, so ergeben sich die in den Widerstand als Verbraucher hinein iibertragene Leistung und Energie als positive Werte. Da reale Leiter (mit Ausnahme von Supraleitem bei sehr tiefen Temperaturen) nicht ideal leitfahig sind, sondem einen endlich groBen ohmschen Widerstand besitzen, wird auch in ihnen elektrische Energie ui Warme umgesetzt, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen werden. Diese Verlustwarme ist fur die Nutzung im Verbraucher verloren; sie muB auBerdem so an die Umgebung abgefuhrt werden, daB die Leiter nicht unzulassig heiB werden. Diese ohmschen Verluste im Leiter sind gemaB Gleichung (16.3) proportional zum Widerstand des Leiters und zum Quadrat der Stromstarke im Leiter. Um die schadlichen Verluste bei der Ubertragung elektrischer Energie moglichst klein zu halten, sind Leiter mit geringem Widerstand (gute spezifische Leitfahigkeit des Materials, groBe Leiterquerschnitte) sowie eine moglichst geringe Stromstarke zu wahlen. Letzteres erfordert zur Ubertragung einer bestimmten Leistung die Wahl einer moglichst hohen Spannung. Als hydraulisches Analogon kann eine Anordnung mit zwei unterschiedlich hoch gelegenen Wasserbecken betrachtet werden, die mit einer Rohrleitung, in welche eine Turbine eingebaut ist, verbunden sind. Hierbei flieBt aufgrund der hohenbedingten Druckdifferenz (Spannung) Wasser vom oberen Becken durch die Leitung (StromfluB) und die Turbine (Verbraucher, Energiewandler) in das untere Becken, wobei die Lageenergie des Wassers zum groBen Teil in der Turbine fiir Antriebszwecke gewonnen und zu einem kleinen Teil auch durch Reibungsverluste in Warme umgewandelt wird. Bei einer groBen Hohendifferenz zwischen den beiden Wasserbecken (hohe Spannung) wird ein bestimmter Leistungsumsatz bereits mit einem geringen WasserfluB (niedriger Strom) erzielt; zur Leitung des Wassers genttgen relativ dttnne Rohrleitungen (geringe Leiterquerschnitte), die jedoch hoheren Driicken standhalten miissen (elektrische Isolation mit hoher Spannungsfestigkeit). Im Unterschied zu dieser hydraulischen Anordnung liegt im elektrischen Fall aber stets ein geschlossener Stromkreis vor. Der elektrische Strom flieBt also immer von einer Spannungsquelle uber Leitungen und Verbraucher wieder zur selben Spannungsquelle zuriick.

16 Elektrotechnische Ausrustung 16.1.2

585

Wechselstromtechnik

Aufgrund der gebrauchlichen Techniken zur Erzeugung elektrischer Energie (Generatoren mit Drehfeldem) sowie wegen der einfachen Umwandlung der Spannung (mittels Transformatoren) zur Anpassung an die Erfordemisse der Energieubertragung wie auch der Energieverbraucher spielt die sinusformige Wechselspannung und damit der sinusformige Wechselstrom in der elektrischen Energietechnik eine besonders wichtige Rolle (s. Abb. 16.2a). /

, - ^ p ( t ) = u(t)i(t) ^ - ^ \ =uWR/ \ \ =i^(t)R/

Abb. 16.2: a) Sinusformige Wechselspannung; b) Zeitlicher Verlauf von Spannung w, Strom / und Leistung p bei sinusformiger Wechselspannung an einem ohmschen Widerstand oder einem anderen Wirkleistungsverbraucher Dabei ergeben sich die Momentanwerte der Spannung zu: u(t) = U'sm(G)'t)

[V]

(16.5)

mit der elektrischen Kreisfrequenz: (0 = 2-n'f

[s^]

(16.6)

[Hz = s-']

(16.7)

und der Frequenz: f =j

u(t) Momentanwert der elektrischen Spannung [V] U Maximal-, Spitzen- oder Scheitelwert der elektrischen Spannung [V] Uss Spitze-Spitze-Wert der elektrischen Spannung, Uss = 2 - U [V] 0) elektrische Kreisfrequenz [s'^] / Frequenz [s'^] T Periodendauer [s] Wird eine solche sinusformige Wechselspannung an einen ohmschen Widerstand angelegt, so gilt zu jedem Zeitpunkt das Ohmsche Gesetz, wodurch sich ein ebenfalls sinusformiger Stromverlauf einstellt. Die im Widerstand umgesetzte Leistung ist zu jedem Zeitpunkt gleich dem Produkt aus den Momentanwerten von Spannung und Strom (s. Abb. 16.2b). Sinusformige Wechselspannungen bzw. Wechselstrome konnen durch ihre Frequenz u n d ihren Spannungs- bzw. Stromwert charakterisiert werden. U m WechselgroBen unabhangig v o n ihrem zeitlichen Verlauf benennen zu konnen, wird meist ihr Effektivwert angegeben. Als Effektivwert einer Wechselspannung gilt der Wert der Gleichspannung, die an einem ohmschen Widerstand denselben Leistungsumsatz bewirkt, der von der betrachteten Wechselspannung un zeitlichen Mittel hervorgerufen wird. Ebenso

586

16 Elektrotechnische Ausrustung

ist der Effektivwert eines Wechselstromes definiert als Wert des Gleichstromes, der in einem ohmschen Widerstand im zeitlichen Mittel denselben Leistungsumsatz wie der betrachtete Wechselstrom bewirkt. Bei sinusformigen WechselgroBen gilt dabei fur die Effektivspannung: U = U,jf=^

U_

[V]

(16.8)

Der Effektivstrom eines sinusftrmig verlaufenden Wechselstroms errechnet sich zu: / =/e#=-^

[A]

(16.9)

U, Ueff Effektivwert der elektrischen Spannung, Effektivspannung [V] /, leff Effektivwert des elektrischen Stroms, Effektivstrom [A] Die im ohmschen Widerstand im zeitlichen Mittel m Warme umgesetzte Leistung P, die hier auch als Wirkleistung bezeichnet wird, ergibt sich zu dem Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom: Pel=U'I

[W]

(16.10)

In einer bestimmten Zeit t wird damit die Energie fFumgesetzt: W = P't = U'I't [Ws]

(16.11)

Im ohmschen Widerstand wird diese elektrische Wirkleistung in Warme umgewandelt. Derselbe Wirkleistungsumsatz ergibt sich, wenn mit derselben Spannung und demselben Strom (beispielsweise mit einem Elektromotor) elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Leistung betragt:

Die umgesetzte mechanische Arbeit errechnet sich zu: W-= \F'dx

[Ws = Nm]

(16.13)

F Kraft [N] X Weg [m] Hierbei ist F die (Umfangs-)Kraft, die bei Bewegung mit der (Umfangs-) Geschwindigkeit dx/dt auf den Laufer des Elektromotors ausgeiibt wu'd. Wird eine sinusformige Wechselspannung an eine Spule der Induktivitat L anstatt an einen ohmschen Widerstand angelegt, so ergibt sich ein anderer zeitlicher Zusammenhang zwischen Spannung und Strom. Ein StromfluB durch eine Spule bewh*kt namlich ein Magnetfeld, in dem magnetische Energie gespeichert ist: Wmas=jL'i'

[Ws]

L Induktivitat Wmag magnetische Energie

(16.14) [H] [Ws]

16 Elektrotechnische Ausriistung

587

Da die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie sich nicht plotzlich andem kann, kann auch der durch die Spule flieBende Strom als energietragende GroBe seinen Wert nicht plotzlich verandem. Die Spule setzt sich somit jeder Anderung des sie durchflieBenden Stromes entgegen. Der Strom durch die Spule folgt also der Spannung an der Spule mit zeitlicher Verzogerung nach. Ftir die Momentanwerte von Spannung und Strom bei emer Spule gilt: UL

dk dt

=L'-

(16.15)

[V]

Zu einer smusformigen Spannung ergibt sich damit auch ein sinusformiger Stromverlauf (s. Abb. 16.3a). Der Strom durch die Spule ist gegenuber der Spannung an der Spule phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung betragt 90° bzw. 7i/2, da eine ganze Periodendauer T dem Wert 360° bzw. 2n im Argument der Sinus-Funktion entspricht. Fiir die Effektivwerte ergibt sich bei sinusformigen GroBen folgender Zusammenhang: UL=IL-XL

[V]

(16.16)

Die Spule wirkt als induktiver Blindwiderstand mit dem Wert: XL=(0'L = 2'n'f'L Xi

[Q]

induktiver Blindwiderstand

(16.17)

m

Abb. 16.3: a) Zeitlicher Verlauf von Spannung u, Strom / und Leistung/? bei sinusformiger Wechselspannung an einer Spule (Induktivitat); b) Zeitlicher Verlauf von Spannung u, Strom / und Leistung p bei sinusformiger Wechselspannung an einem Kondensator (Kapazitat) In der hier betrachteten idealen Spule, deren Leitermaterial keinen ohmschen Widerstand aufsveist, wird keine Energie in Warme umgesetzt. Man bezeichnet daher das Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom bei einer Spule als induktive Blindleistung (im Gegensatz zur Wirkleistung beim ohmschen Widerstand) und den VdktorXi als mduktiven Blindwiderstand. Der Momentanwert der elektrischen Leistung schwankt mit der doppelten Frequenz der angelegten Spannung zwischen positiven und negativen Werten hin und her; es wird also abwechselnd elektrische Leistung in die Spule eingespeist und von der verlustfreien, idealen Spule wieder abgegeben. Der zeitliche Mittelwert der Leistung ist gleich Null. Die Spule speichert die aufgenommene Energie also nur vorubergehend in ihrem Magnetfeld, um sie anschlieBend wieder abzugeben. Da die Energieumwandlung in elektrischen Maschinen und in Transformatoren stets uber den Umweg der magnetischen Energie erfolgt, wird zum Betrieb von

588

16 Elektrotechnische Ausrustung

elektrischen Maschinen und Transformatoren immer Magnetisierungsleistung, das heiBt induktive Blindleistung benotigt. Wird sinusfbrmige Wechselspannung an einen Kondensator der Kapazitat C angelegt, so ergibt sich wiederum ein anderer zeitlicher Zusammenhang zwischen Spannung und Strom. Ein Kondensator besteht aus zwei gegeneinander isolierten Flatten, zwischen denen somit keine Ladungstrager ausgetauscht werden konnen. FlieBt dennoch Strom durch einen Kondensator, so sammeln sich die in den Kondensator stromenden Ladungstrager auf der einen Platte, wahrend auf der anderen Kondensatorplatte durch den AbfluB von Ladungstragem erne entgegengesetzte Ladung gleicher GroBe aufgebaut wird. Die beiden Kondensatorplatten werden somit mit entgegengesetzter Polaritat aufgeladen. Zwischen ihnen entsteht ein elektrisches Feld, in dem elektrische Energie gespeichert ist; eine elektrische Spannung herrscht zwischen den beiden Flatten. Wird eine Gleichspannung an einen Kondensator angelegt, dann flieBt solange Strom durch den Kondensator und ladt ihn auf, bis die Spannung im Kondensator der von auBen angelegten Spannung entspricht. Da die im elektrischen Feld des Kondensators gespeicherte Energie sich nicht plotzlich andem kann, kann auch die Ladespannung des Kondensators als energietragende GroBe ihren Wert nicht plotzlich verandem. Der Kondensator setzt sich somit jeder Anderung der an ihm anliegenden Spannung entgegen. Die Spannung am Kondensator folgt also dem Strom durch den Kondensator mit zeitlicher Verzogerung nach. Andert sich die von auBen an einen Kondensator angelegte Spannung, so ist der Strom durch den Kondensator der Anderung der angelegten Spannung proportional. FUr die Momentanwerte von Strom und Spannung bei einem Kondensator gilt: 'c=C'^

[A]

(16.18)

C Kapazitat [F] Wird eine sinusformige Spannung angelegt, so ergibt sich auch ein sinusformiger Stromverlauf (s. Abb. 16.3b). Dieser Strom durch den Kondensator eilt jedoch der Spannung am Kondensator vor. Diese Fhasenverschiebung betragt 90° bzw. 7i/2. Fur die Effektivwerte ergibt sich bei sinusformigen GroBen folgender Zusammenhang: Uc=Ic'Xc

[V]

(16.19)

Der Kondensator wirkt als kapazitiver Blindwiderstand mit dem Wert: Xc=^=^

\ ^

[O.]

(16.20)

Xc kapazitiver Blindwiderstand [Q] Der Momentanwert der elektrischen Leistung schwankt auch hier mit der doppelten Frequenz der angelegten Spannung zwischen positiven und negativen Werten hin und her; es wird also abwechselnd elektrische Leistung in den Kondensator eingespeist und vom Kondensator wieder abgegeben. Der zeitliche Mittelwert der

16Elektrotechnische Ausrtistung

589

Leistung ist gleich Null. Der Kondensator speichert die aufgenommene Energie also nur vortibergehend in seinem elektrischen Feld, um sie anschlieBend wieder abzugeben. Im hier betrachteten idealen Kondensator wird keine Energie in Warme umgesetzt. Man bezeichnet daher das Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom beim Kondensator als kapazitive Blindleistung (im Gegensatz zur Wirkleistung beim ohmschen Widerstand) und den Faktor XQ als kapazitiven Blindwiderstand. Durch Zusammenschalten von ohmschen Wirkleistungsverbrauchem, Spulen und Kondensatoren entstehen Anordnungen, bei denen die Phasenverschiebung des Stroms gegeniiber einer angelegten sinusformigen Spannung zwischen -90° und +90° liegt. Das Produkt aus den Effektivwerten von Spannung und Strom wird dabei als Scheinleistung bezeichnet: PS=^P^+PB Ps

=U'I

Scheinleistung

[W]

(16.21) [W]

Man kann sich den Strom aus zwei Anteilen zusammengesetzt denken. Ein Anteil des Stromes ist genau in Phase mit der treibenden Spannung und ftihrt zu emer Wirkleistungsaufiiahme, die in Wirkleistungsverbrauchem beispielsweise in mechanische Arbeit oder in Warme (so in ohmschen Widerstanden) umgesetzt wird. Diese Wirkleistung berechnet sich aus dem Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom und des Cosinus' der Phasenverschiebung: P^=U'I'Cos^)

[W]

(16.22a)

PH' (p

Wirkleistung, zeitlicher Mittelwert [W] Winkel der Phasenverschiebung zwischen den sinusformigen Verlaufen von Spannung und Strom [-] cos (p Leistungsfaktor [-] Der andere Anteil des Stroms ist gegeniiber der treibenden Spannung u m +90° oder -90° phasenverschoben und ftihrt damit zu induktiver bzw. kapazitiver Blindleistung, also zu einer Pendelung von Leistung zwischen der betrachteten Anordnung und der Spannungsquelle: PB=U'I'sm(?

[W]

(16.22.b)

PB Blindleistungsanteil an der Scheinleistung [W] In Wechselstromnetzen ist zur Deckung des Bedarfs an Magnetisierungsblindleistung fur elektrische Maschinen und Transformatoren stets induktive Blindleistung bereitzustellen. Das erfolgt durch kapazitiv wirkende Komponenten des Netzes (wie z. B. Erdkabel) und insbesondere durch den iibererregten Betrieb (s. Kapitel 16.4.7) von Synchronmaschinen als Generatoren in den Kraftwerken. 16.1.3

Wechselwirkungen und Zusammenhange zwischen elektrischen Stromen und Spannungen und magnetischen Feldern

Die groBtechnische Erzeugung elektrischer Energie basiert derzeit und auch m absehbarer Zukunft fast ausschlieBlich auf der Wandlung von mechanischer Energie

590

16 Elektrotechnische Ausriistung

in elektrische Energie iiber den Umweg der magnetischen Energie. Daher sind die Zusammenhange zwischen elektrischen Stromen und magnetischen Feldem von grundlegender Bedeutung flir die elektrische Energietechnik. Jeder von einem elektrischen Strom durchflossene Leiter hat in seiner Umgebung ein magnetisches Feld zur Folge, dessen Starke mit der magnetischen Feldstarke //^beschrieben wird [16.1]. Als einfachste Anordnung sei ein unendlich langer, geradliniger, dUnner Leiter betrachtet, in dem der Strom / flieBt. Dabei bildet sich ein Magnetfeld H aus, dessen Kraftlinien den Leiter in konzentrischen Kreisen umgeben (s. Abb. 16.4a).

I

I iw Windungen

Uj

HE^

a

b

11

HL

E

B

T

Abb. 16.4: a) Verknupfung von elektrischem StromfluB und magnetischem Feld, je drei Feldlinien in drei Ebenen als Beispiele fur die Gestalt des Feldes; b) Magnetischer Kreis mit Luftspalt Das Durchflutungsgesetz besagt, dal3 das Linienintegral der magnetischen Feldstarke langs eines geschlossenen Weges gleich der Summe der vom Integrationsweg umschlossenen Strome ist. Wenn man als Litegrationsweg einen Kreis mit Radius r wahlt, der im Mittelpunkt senkrecht vom Strom durchflossen wird, ergibt sich:

i H'ds=I = H(r)'2'n'r

[A]

(16.23)

Die magnetische Feldstarke an einem bestimmten Ort errechnet sich in Abhangigkeit von der Stromstarke und vom Abstand zum Leiter: H(r) =

/ 2''K-r

[A/m]

(16.24)

[A/m] H magnetische Feldstarke [m] r Radius, Abstand zum Leiter Die magnetische Feldstarke ist also der Starke des das Feld erregenden Stromes proportional; sie nimmt bei zunehmendem Abstand vom Leiter mit 1/r ab. Die Bestimmung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien realer Anordnungen ist recht au^endig. Daher beschrankt sich diese Darstellung auf eine vereinfachte Betrachtung, die aber fiir das Verstandnis der Grundfunktionen elektrischer Maschinen ausreicht.

16 Elektrotechnische Ausrustung

591

Ahnlich wie elektrischer Strom, der von verschiedenen moglichen Wegen bevorzugt jenem folgt, auf dem er wegen der guten elektrischen Leitfahigkeit des Materials am leichtesten fliei3en kann, verlaufen magnetische Feldlinien bevorzugt in Materialien mit guter magnetischer Leitfahigkeit. In elektrischen Maschinen werden zur Fuhrung der Magnetfelder ferromagnetische Materialien wie Eisen eingesetzt. Deren magnetische Leitfahigkeit ist im ungesattigten Fall um ca. lO.OOOmal groBer als die von Vakuum oder Luft. Am Beispiel eines magnetischen Kreises (s. Abb. 16.4b), der aus ferromagnetischem Material besteht, das von einem vergleichsweise diinnen Luftspalt unterbrochen ist, werden die Zusammenhange deutlich. Neben der bereits eingeflihrten magnetischen Feldstarke H sind als weitere GroBen zur Beschreibung des magnetischen Feldes die magnetische Induktion B und der magnetische FluB ^einzufahren. Ftir die weiteren Betrachtungen werden zunachst folgende Vereinfachungen getroffen: Das magnetische Feld sowohl im Eisen als auch im Luftspalt wird als homogenes Feld betrachtet. Alle magnetischen Feldlinien sollen dem beabsichtigten Zweck, d. h. der jeweils beabsichtigten Energiewandlung dienen, sie sollen z. B. durch das Eisen und durch den Luftspalt den vorgesehenen Weg nehmen. Sogenannte „Streufeldanteile", die nicht dem o. g. Zweck dienen, werden hier zunachst nicht beriicksichtigt. Die Beziehung zwischen den magnetischen GroBen H und B wird als linear angenommen, die Abhangigkeit dieser Relation sowohl vom Betrag der GroBen (Vemachlassigung der Sattigung) als auch von der Vorgeschichte (Vemachlassigung der Hysterese) wird also nicht beriicksichtigt [16.1]/[16.2]. Das Durchflutungsgesetz nimmt mit diesen Vereinfachungen flir die in Abb. 16.4b gegebene Anordnung des magnetischen Kreises mit Luftspalt folgende Form an: JH'(S HE IE HL li w /

=

HE'IE+HL'IL=W'I

[A]

magnetische Feldstarke im Eisen mittlere Weglange im Eisen magnetische Feldstarke im Luftspalt Dicke des Luftspalts, also Weglange im Luftspalt Windungszahl der das Magnetfeld erregenden Wicklung elektrische Stromstarke in der erregenden Wicklung

(16.25) [A/m] [m] [A/m] [m] [-] [A]

Die fur die Wirkungen magnetischer Felder relevante FeldgroBe ist die magnetische Induktion B. Ihr Zusammenhang mit der magnetischen Feldstarke H wu*d hier zunachst linear angesetzt: B = \io'Vir'H

[Vs/m^ = T]

(16.26)

592

16 Elektrotechnische Ausrustung

Der magnetische FluB 0, der eine Flache durchstromt, ist gleich dem Flachenintegral der magnetischen Induktion; bei den hier betrachteten homogenen Feldem ist er also: ^=\B'dA

= B'A

[Vs = Wb]

(16.27)

0 B fio pir

magnetischer FluB [Wb] magnetische Induktion [T] Permeabilitat des Vakuums: \XQ = ^' n- 10"^ Vs/Am [Vs/Am] relative Permeabilitat des jeweiligen Materials: Vakuum: 1, Luft: ca. 1, ungesattigtes Eisen: ca. 10.000 [-] A Querschnittsflache [m^] In einem geschlossenen magnetischen Kreis ohne Streuflusse durchstromt dieser FluB die gesamte Anordnung; er ist also jeweils uberall gleich groB. Wird eine Spule von einem zeitlich veranderlichen magnetischen FluB durchsetzt, so wird in ihr gemaB dem Induktionsgesetz (s. a. (16.35)) die Spannung W/ induziert: u.=-W'—

[V] (16.28) dt Uj induzierte elektrische Spannung [V] d0/dt zeitliche Anderung des die Spule durchsetzenden Flusses [V] Wird an eine Spule eine sinusformige Spannung angelegt, so erzeugt der in der Spule flieBende Strom ein Magnetfeld. Dieser seinerseits die Spule durchsetzende magnetische FluB induziert in der Spule wiederum eine Spannung. Dabei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, in dem die induzierte Spannung betragsgleich der von auBen an die Spule angelegten Spannung ist. Sie ist ihr jedoch entgegengesetzt gerichtet und wirkt ihr daher gemaB der Lenzschen Regel entgegen, was im negativen Vorzeichen in (16.28) bzw. (16.35) zum Ausdruck kommt [16.1]. Bei einer Spule, deren magnetischer Kreis mit einem Material hoher magnetischer Leitfahigkeit (hoher Permeabilitat) geschlossen ist, geniigt bereits ein sehr geringer Magnetisierungsstrom, um diesen FluB zu erregen. Im Magnetfeld ist die far die Erregung des Flusses aufgewendete Energie reversibel gespeichert, wenn voraussetzungsgemaB der Zusammenhang zwischen B und H linear angenommen und somit die insbesondere fur Dauermagnete sehr wichtige Hysterese vemachlassigt wird. In einem homogenen Magnetfeld betragt die in dem Volumen V gespeicherte magnetische Energie unter Beriicksichtigung von (16.26): W^,,=~BH'V = ^ ~ 2

V

2

V

[Ws]

(16.29)

\io-\ir

betrachtetes Volumen des homogenen Magnetfelds

[m^]

Bei einem Vergeich der relativen Permeabilitat von Luft jUt^iu/t ^ 1 niit derjenigen von ungesatigtem Eisen jUr^Fe ~ 10.000 (s. o.) wird deutlich, daB bei gleicher FluBdichte B und identischem Volumen V in demselben Luft(spalt)volumen eine

16 Elektrotechnische Ausrtistung

593

um 10 groBere magnetische Energie W„jag gespeichert ist, d. h. daB die hauptsachliche Energieumsetzung im Luftspaltbereich elektrischer Maschinen stattfindet. Fur eine von dem magnetischen FluB 0 durchsetzte Spule mit w Windungen ergibt sich der SpulenfluB zu: vF = w O = Z / [Vs] (16.30) Damit laBt sich die un Magnetfeld einer Spule gespeicherte Energie in Abhangigkeit des durch die Spule flieBenden Stromes angeben:

W„,^,=j^^i *F / L 16.1.4

= jL^i'

[VAs = Ws]

SpulenfluB elektrischer Spule Induktivitat der Spule

(16.31) [Vs] [A] [H = Vs/A]

Kraftwirkung durch das Zusammenwirken magnetischer Felder

In bewegten elektrischen Maschinen entstehen die gewtinschten Kraftwirkungen durch das Zusammenwirken magnetischer Fremdfelder, die erregerseitig von stromdurchflossenen Wicklungen oder auch von Permanentmagneten erzeugt werden, mit anderen magnetischen Feldem, die von lastabhangig stromdurchflossenen Wicklungen erzeugt werden. Beispielhaft sei in Abb. 16.5 ein kleiner, stark vereinfachter Ausschnitt aus dem Querschnitt einer elektrischen Maschine betrachtet. Dieser zeigt Telle des Standers und des Laufers sowie den dazwischenliegenden Luftspalt. Stander und Laufer sind aus ferromagnetischem Material hoher magnetischer Leitfahigkeit aufgebaut. In einer Nut liegt ein elektrischer Leiter, der quer zur Bewegungsrichtung, d. h. hier axial in Langsrichtung der elektrischen Maschine, verlauft. Von einer hier nicht gezeigten Erregerwicklung wird ein moglichst homogenes magnetisches Fremdfeld erzeugt, das mit durchgezogenen Pfeilen eingezeichnet ist. Der von einem in die Zeichenebene hinein gerichteten, lastabhangigen elektrischen Strom durchflossene Leiter in der Nut bewirkt seinerseits ein weiteres magnetisches Feld, welches gestrichelt eingezeichnet ist. magnetisches Fremdfeld (Erregerfeld) Luftspalt lastabhangig stromdurchflossener Leiter in einer Nut Magnetfeld des lastabhangig stromdurchflossenen Leiters

Abb. 16.5: Ausschnitt aus dem Querschnitt einer elektrischen Maschine Alle Kraftwirkungen in elektrischen Maschinen lassen sich mit dem natUrlichen Bestreben erklaren, energetisch moglichst niedrige Zustande einzunehmen. So

594

16 Elektrotechnische Ausriistung

herrscht bei gleicher FluBdichte die weitaus groBte magnetische Energiedichte im Luftspaltbereich, wie dies bereits im Zusammenhang mit (16.29) erlautert wurde, Die bedeutet, daB die den Luftspalt durchlaufenden magnetischen Felder immer Krafte ausiiben, die bestrebt sind, den Luftspalt zu verkleinem, weil damit ein Zustand mit geringerer, im Magnetfeld gespeicherter Energie erreicht wtirde, was sich anschaulich in einer VerkUrzung der Lange der Feldlinien ausdriickte. Diese in tangentialer Richtung der Maschine wirkenden Krafte dienen jedoch nicht der gewiinschten Energiewandlung. Ihnen ist durch die Konstruktion der Maschine (Lagerung des Laufers, mechanische Festigkeit) so entgegenzuwirken, daB sie nicht zu unerwiinschten Bewegungen oder Verformungen flihren. Die gewunschte Kraftwirkung entsteht vielmehr durch die unterschiedliche Starke des Magnetfelds im Luftspalt beiderseits neben der Nut: Aufgrund der gleichen Orientierung der beiden magnetischen Felder im Bereich rechts von der Nut in Abb. 16.5 ist die Starke der magnetischen Induktion und damit der magnetischen Energiedichte dort groBer als im Bereich links von der Nut, wo die beiden Felder einander entgegengesetzt orientiert sind. Aus dem Ausgleichsbestreben hin zu Zustanden niedrigerer Energie resultiert daher eine mechanische Kraft F, die den unten dargestellten Teil der elektrischen Maschine gegeniiber dem oberen nach links zu verschieben trachtet. Diese in radialer Richtung der Maschine und damit langs der vorgesehenen Bewegungsrichtung wirkende Kraft wird bei der elektromechanischen Energieumwandlung genutzt. Angriffspunkt dieser Kraft ist der magnetfluBftihrende „Zahn", also der Bereich zwischen den Nuten, in dem das Eisen bis zum Luftspalt reicht. 16.2

Grundprinzip der elektromagnetischen Energieumwandlung

Die Energieumwandlung sowohl in elektrischen Maschinen (generatorisch und motorisch) als auch in Transformatoren (Herauf- oder Herabsetzen der Spannung) erfolgt inmier uber den Umweg der magnetischen Energie WmagDie Bilanz flir die elektrische Energie Wei lautet in differentieller Schreibweise: m

dWei =^U'i'dt

= dWmag "^F'dx + f 'R'dt

[Ws]

(16.32)

1

Wei elektrische Energie [Ws] m Strang-ZPhasenzahl [-] u elektrische Spannung [V] Hierin ist F die mechanische Kraft, die langs eines Wegelements dx die mechanische Arbeit dWmech zu leisten vermag. Im ohmschen Widerstand R seien als Ersatzwiderstand alle nicht nutzbaren Verlustenergieanteile mit einbezogen. Ftir das weitere Verstandnis bietet die Dualitat zwischen Elektrizitat und Magnetismus eine Hilfe. Beide Energieformen treten beim FlieBen elektrischer Strome gleichzeitig auf und bedingen einander. Analog zu elektrischen Leitermaterialien wie Kupfer, die elektrische Strome verlustarm weiterleiten, gibt es auch ferromagnetische Leitermaterialien, wie die sogenannten Dynamo- oder Transformatoreisenbleche. Sie leiten Magnetfliisse sehr gut und setzen dadurch deren Magne-

16 Elektrotechnische Ausrtistung

595

tisierungsaufwand wesentlich herab, das heiBt zur Erzeugung einer bestimmten Starke des magnetischen Feldes ist nur ein niedriger Strom und damit auch nur wenig Energie erforderlich. In Abb. 16.6a sind die in sich geschlossenen Weglinien des magnetisierenden Hauptflusses eines unbelasteten Transformators angedeutet, in Abb. 16.6b die entsprechenden HauptfluBlinien einer unbelasteten elektrischen Maschine. Hauptflußwege

J-

V d bewickelte Zone des Ständers

Sekundärspule

Abb. 16.6:

geblechter Ständer

Läufer

a) HauptfluBwege und -querschnitte am Beispiel eines einphasigen Manteltransformators im Leerlauf, d. h. im unbelasteten Fall; b) HauptfluBwege einer unbelasteten 2poligen Synchronmaschine (Leerlauf)

Das gemeinsame physikalische Wirkungsprinzip sowohl des Transformators als auch der elektrischen Maschine liegt in der Tragheit der in beiden Anordnungen jeweils enthaltenen Magnetenergie: W

=

'

L'lfn

[Ws]

(16.33)

' ' map

begriindet, mit dem sogenannten SpulenfluB W, d. h. dem durch den Spulenquerschnitt hindurchtretenden MagnetfluB CP multipliziert mit der Spulenwindungszahl ^ = L-i = w^ w 0

[Vs]

Spulenwindungszahl MagnetfluB

(16.34) [-] [Vs]

Die Induktivitat L ist in Analogic zum Massentragheitsmoment J rotierender Korper ein MaB fur die magnetische Tragheit einer stromdurchflossenen oder vom Strom / zu durchflieBenden Spulenanordnung. Aufgrund dieser Induktivitat widersetzen sich alle Leiteranordnungen wie Transformator- und Maschinenwicklungen alien Anderungen des Spulenflusses ^ u n d der damit verkoppelten magnetischen Energie dWmag (16.33). Somit wirken sie nach Gleichung (16.34) auch alien Anderungen des sie durchflieBenden Stromes entgegen. Nach der Lenzschen Kegel (Induktionsgesetz) rufen alle zeitlichen bzw. raumlichen Anderungen der Spulenfliisse d^sowie alle Anderungen der Strome di und

596

16 Elektrotechnische Ausriistung

alle Anderungen der Kopplungsfaktoren dL (s. (16.34)) sogenannte induzierte (Index /) elektrische Spannungen W/ gemaB (16.28) hervor:

Diese verursachen in alien von FluBanderungen betroffenen, elektrisch leitenden Teilen sogenannte Gegenstrome, die die ursprungliche FluBverkopplung zu erhalten trachten. 16.3

Elektrische Maschinen und Transformatoren in Wasserkraftanlagen

Die elektrischen Maschinen und Transformatoren nutzen den Effekt der Energieumwandlung iiber den Umweg der magnetischen Energie in erster Linie zur Wandlung zwischen mechanischer und elektrischer Energie bzw. zur Umsetzung von elektrischer Energie auf andere Spannungsebenen [16.4]. Bei der Erzeugung elektrischer Energie fUr die groBen Versorgungsnetze spielt die Synchronmaschine die weitaus wichtigste Rolle. Durch die mit dem Laufer rotierende und aus einer regulierbaren Spannungsquelle gespeisten Erregerwicklung ist sie bestens geeignet, um Spannung und Frequenz der Netze zu fuhren und den Blindleistungsbedarf der sehr unterschiedlichen Verbraucher zu decken. Deshalb versteht man unter Wasserkraftgeneratoren im engeren Sinne nur diese Generatorart, auf die nachfolgend schwerpunktmaBig eingegangen werden soil. In Kleinwasserkraftanlagen werden wegen ihres einfacheren Aufbaus und des geringeren Aufwandes ftir die Steuerung recht haufig auch Asynchronmaschinen eingesetzt (s. Abschnitt 16.3.4). Diese Maschine lauft im Gegensatz zur Synchronmaschine (s. Abschnitt 16.4.5) selbstandig aus dem Stillstand an. Ihre zur Erregung erforderliche Magnetisierungsblindleistung bezieht sie im Netzparallelbetrieb aus dem Netz bzw. im Inselbetrieb aus Kondensatoren. Die Verwendung von Gleichstrommaschinen, die hier nicht naher behandelt werden, blieb auf ganz wenige Sonderfalle beschrankt. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Generatorentypen gehen aus der nachfolgenden Tabelle 16.1 hervor. In Wasserkraftanlagen wird dem treibenden Wasser potentielle und kinetische Energie mittels Turbinen entzogen. Die so gewonnene mechanische Rotationsenergie wird dann in Generatoren, die bei Wasserkraftanlagen auch als Hydrogeneratoren bezeichnet werden und dort in der Kegel direkt mit den Turbinen gekuppelt sind, auf dem Umweg iiber die magnetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie lal3t sich, auf hohe Spannungen transformiert, auch iiber groBe Entfemungen iiberall hin weiterleiten, wo sie benotigt wird. Durch die bei hoherer Spannung in bezug auf eine bestimmte Ubertragungsleistung linear kleineren Strome ist der Aufsvand flir die Ubertragungsleitungen niedriger; es sind namlich stromproportional germgere Leiterquerschnitte erforderlich. Die Ubertragungsverluste sind ebenfalls niedriger, da diese ohmschen Verluste dem Quadrat der Stromstarke proportional sind (s. Kapitel 16.3.1).

16 Elektrotechnische Ausrustung

597

Tabelle 16.1: Vergleich von Synchron- und Asynchrongenerator Laufererregung notwendig leigenstandiges Anlaufen aus dem Stillstand Spannungsregelung moglich IWirkleistungsregelung moglich iBlindleistungsregelung moglich lEinspeisung ins Verbundnetz lEinspeisung ins Inselnetz moglich ISynchronisierung notwendig bei Netzverbindung llWirkungsgrad llnvestitionssumme/Betriebskosten Konstruktion [Platzbedarf

rSynchrongen. ja nein

Ja ja ja ja ja ja hoher hoher/hoher aufwendiger groBer

Asynchrongenerator 1 nein Ja nein ja nein 1 ja nur in speziellen Fallen 1 nein 1 niedriger 1 gunstiger/gunstiger 1 einfacher kleiner |

Am Verbraucherort wird die elektrische Energie, wieder auf niedrigere Spannungswerte zurucktransformiert, problemlos in praktisch jede gewiinschte Endverbrauchsform wie Licht, Kraft, Warme, mechanische bzw. chemische Energie etc. umgewandelt. Die Kombination der durch Stauen speicherbaren Wasserenergie mit der universell verteil- und wandelbaren Elektroenergie ist geradezu ideal, denn trotz vieler Vorteile ist die elektrische Energie selbst bekanntlich nur in relativ geringem MaB speicherbar. 16.3.1

Transformatoren

Bei Transformatoren, auch als Umspanner bezeichnet, mit ruhenden Spulenanordnungen kann der gewiinschte sekundarseitige Gegenstrom 12 nur durch zeitliche FluBanderungen d0/dt hervorgerufen werden, die der Primar- und der Sekundarspule gemeinsam sind (s. Abb. 16.6a): u.j=-wj'-^

dt d^

Ui2 =

-W2

dt d^ dt

Uu_

[V]

(16.36)

[V]

(16.37)

Ui2

[V]

(16.38)

W2

Wird an die Eingangs- oder auch Primarwicklung (Index 1) eine zeitlich sinusfdrmige Eingangsspannung (z. B. die Netzspannung): u,=42-U,-sin((ii-t)

[V]

(16.39)

598

16 Elektrotechnische Ausriistung

angelegt, so erzeugt diese nach (16.36) einen cosinusformigen FluB O. Dieser FluB ist sowohl mit der Eingangswicklung als auch mit der Ausgangs- oder auch Sekundarwicklung (Index 2) verkettet und ruft in der Ausgangswicklung transformatorisch durch elektromagnetische Induktion nach (16.35) eine wiederum sinusformige sekundare Ausgangsspannung: U2=42'U2'Sin((iy't)

[V]

(16.40)

hervor. Damit folgt nach (16.38) fiir das Verhaltnis der Effektivwerte Ui und U2 der Spannungen: ^

=^

[-]

(16.41)

Der enorme wirtschaftliche Nutzen der Leistungstransformatoren besteht darin, dal3 sie ermoglichen, bei einer Durchgangsleistung PD, welche sowohl der Eingangsleistung als auch der Ausgangsleistung praktisch gleicht, mit: PD=m'Uj'Ij=m'U2'l2

[W]

(16.42)

Pj) Durchgangsleistung [W] gemaB (16.41) mittels hoher Sekundarwindungszahlen W2»wi die Ausgangsspannung U2 gegeniiber der Eingangsspannung Uj wesentlich heraufzusetzen. Damit verringert sich der Ausgangsstrom I2 nach (16.42) entsprechend dem Verhaltnis: k =^ IJ

U2

=^

[-]

(16.43)

W2

Bei gleicher Stromdichte: S = Sj=^

= S2=—

[AW]

(16.44)

und somit auch etwa gleicher volumenspezifischer Erwarmung durch ohmsche Verluste verringem sich sowohl der AufWand an Leitermaterial, der bei gegebenem spezifischen Leiterwiderstand p und gegebener Lange der Uberlandleitung / dem Leiterquerschnitt ^2 proportional ist, als auch die Verluste Py2 im ohmschen Verlustwiderstand der tJberlandleitung R2 im Verhaltnis der Eingangsspannung Uj zur Ausgangsspannung U2 des Transformators: P,2=m'll'R2 /^2=P..)/

[W] [O]

(16.45) (16.46)

S Stromdichte [A/m^] Py Leistungsverlust [W] p spezifischer Leiterwiderstand [Qm] Liegen die Generatorspannungen Ui im Bereich von 10 bis 15 kV und die Uberlandleitungsspannungen U2 bei 110 bis 750 kV, so reduzieren sich sowohl Materi-

16 Elektrotechnische Ausrtistung

599

almenge als auch Verluste auf 10 % bis herab zu 2 %. Damit sind Leistungsubertragungen auch iiber groBte Entfemungen wirtschaftlich moglich. 16.3.2

Bewegte elektrische Maschinen

Wahrend Transformatoren die transformatorische Spannungsinduktion mittels zeitlich veranderlicher Spulenfliisse in ruhenden Wicklungen nutzen, ist bei den bewegten, meist rotierenden, elektrischen Maschinen der magnetische ErregerfluB in der Regel zeitlich konstant, lauft aber raumlich gegeniiber dem Stander als DrehfluB mit der konstanten, sogenannten Synchrondrehzahl um. Daher wird diese Bauform bewegter elektrischer Maschinen als Synchronmaschine bezeichnet. Durch diese raumliche Bewegung des felderregenden Laufers andert sich der von einer ruhenden Standerspule umfaBte magnetische FluB ^periodisch.

Abb. 16.7: StanderspulenfluBanderung pro achsialer Lauferlange II bei Bewegen des erregten Laufers, Stander und Laufer in ebener Abwicklung dargestellt Wenn sich die magnetische Nordpolachse des Laufers in der Mitte der Standerspule 1 befindet, umfaBt diese den maximalen positiven FluBwert (Abb. 16.7a). Wenn sich die Nordpolachse des Laufers soweit weitergedreht hat, daB sie den Bereich der Spule 1 verlaBt und von der anderen Seite die Stidpolachse in den Bereich der Spule 1 eintritt, wird der die betrachtete Standerspule durchsetzende SpulenfluB !/^ resultierend zu Null, da sich die flachengleichen Halbwellen der Nordpol- und Siidpol-Erregerfltisse gegenseitig aufheben (Abb. 16.7b).

600

16 Elektrotechnische Ausrustung

Wenn sich nach weiterer Drehung des Laufers die magnetische Siidpolachse in Spulenmitte befindet, umfalit die Spule 1 wiederum den maximalen FluBwert, nun jedoch mit negativem Vorzeichen (Abb. 16.7c). Synchronmaschinen, deren Laufer wie jener der in Abb. 16.6b skizzierten Maschine nur je einen magnetischen Nord- und einen Sudpol besitzen, heiBen 2polige bzw. Ipolpaarige Synchronmaschinen. Die Wicklung jedes Strangs der Standerwicklung erfahrt bei jedem mechanischen Umlauf des Laufers einmal den Zyklus aus maximalem FluB, keinem FluB, maximalem FluB mit negativem Vorzeichen und schlieBlich wieder keinem FluB; der nachste Umlauf beginnt dann wieder mit dem maximalen positiven FluB. Die Frequenz der in ihr induzierten Wechselspannung ist damit gleich der mechanischen Drehfrequenz des Laufers. Um bei gegebener mechanischer Drehzahl eine Wechselspannung hoherer Frequenz erzeugen zu konnen bzw. um zur Erzeugung einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz mit einer niedrigeren mechanischen Drehzahl auszukommen, werden auch Maschinen mit hoheren Polzahlen gebaut (s. Kapitel 16.3.3). Der jeweils einem Pol zugehorige Anteil am Gesamtumfang der Maschme ist die Polteilung Tp, Xp=^

[m]

(16.47)

Tp Polteilung [m] D LauferauBendurchmesser [m] p Polpaarzahl [-] Der Stander einer elektrischen Synchronmaschine ist auf seinem Umfang gleichmaBig genutet. In diesen Nuten befinden sich Wicklungen, deren Polpaarzahl und Polteilung denjenigen des Laufers entsprechen [16.5]. Fur den Betrieb an den in der Energieversorgung allgemein ublichen dreiphasigen Drehstromnetzen ist die Bewicklung des Standers dreistrangig ausgefuhrt. Die Wicklung ernes Stranges nimmt dabei jeweils den Bereich eines Drittels der Polteilung auf dem Umfang ein. Bei einer einpolpaarigen Synchronmaschine entspricht dem ein Drittel des gesamten Maschinenumfangs. Die gleich aufgebauten Wicklungen der anderen beiden Strange sind um jeweils 120° raumlich versetzt emgebaut. Der prinzipielle Aufbau der Standerwicklungen einer Synchronmaschine ist in Abb. 16.8a am Beispiel einer 2poligen Synchronmaschine dargestellt. Zur besseren Erkennbarkeit sind hier nur zwei Nuten pro Pol der Wicklung eines der drei Strange dargestellt. Die analog aufgebauten Wicklungen der beiden anderen Strange sind um je 120° raumlich versetzt angeordnet, wie dies durch die Zonen in Abb. 16.8a angedeutet ist. In Abb. 16.8b ist darUber hinaus eine vereinfachte Synchronmaschine mit je vier Nuten pro Pol bei alien drei Strangen dargestellt. Nachfolgend sei die Wicklung eines Stranges in Abb. 16.8a schematisch betrachtet: Am vorderen Ende des m einer Nut des Standers liegenden Leiters 1 sei der eine AnschluB dieser Wicklung. Leiter 1 lauft in achsialer Richtung nach hinten und sei dort mit Leiter 2 verbunden. Leiter 2 wiederum sei vome mit Leiter 3 und dieser hinten mit Leiter 4 verbunden. Am vorderen Ende von Leiter 4 befinde sich der zweite AnschluB der betrachteten Wicklung. Diese Wicklung hat also

16 Elektrotechnische Ausriistung

601

IV = 2 Windungen; sie umfaBt in der abgebildeten Stellung des Laufers den vollen magnetischen FluB, der von der felderregenden Spule des Laufers erzeugt wird. vLäuferwicklung

/ c< '\^^/>\ //Spule, in Nuten ^^^^^^=^==^==''^^y~-^ y^ des Blechpaketes eingebettet Ständerblechpaket

Abb. 16.8: Vereinfachte Darstellung des Prinzips einer 2poligen Synchronmaschine (Querschnitt, Leerlaufzustand): a) schematisch nur 1 Spulenpaar wiedergegeben; b) mit dreistrangiger gesehnter Standerwicklung Bei konstanter Synchrondrehzahl des Laufers verlauft der SpulenfluB Win den Standerwicklungen cosinusformig und induziert in ihnen gemaB (16.35) eine sinusfbrmige Spulenspannung: Ui = 42 • Uj' sinfo)' t) [V]

(16.48)

Durch die um jeweils 120° raumlich versetzte Anordnung der Wicklungen der drei einzehien Strange sind auch die in den drei Strangen induzierten Spannungen um jeweils 120° zeitlich gegeneinander verschoben. Es wird also hiermit ein symmetrisches Drehspannungssystem erzeugt (s. Abb. 16.9). Dessen besondere VorzUge werden in Abschnitt 16.6 naher betrachtet.

Abb. 16.9:

dreiphasiges, symmetrisches Drehspannungssystem

Die Spannung nach (16.48) gleicht der in der Ausgangswicklung eines Transformators gemaB (16.40) induzierten Spannung. Da es sich hier jedoch um eine durch Bewegung erzeugte Spannung handelt, nennt man die Spannung nach (16.48) auch Bewegungsspannung. Der physikalische Vorgang ist derselbe wie bei der Entstehung der transformatorisch induzierten Spannungen: In alien Fallen sind die induzierten Spannungen bestrebt, Strome zu erzeugen, die die durch die

602

16Elektrotechnische Ausriistung

angelegte Wechselspannung des Netzes oder die Antriebsdrehzahl erzwungene SpulenfluBanderung verhindem. Die zeitlichen FluBanderungen im Transformator und die raumlich in Maschinen umlaufenden Drehflusse erzeugen jedoch auch sowohl im Transformatoreneisenkem als auch in Standerzahnen und -jochen elektrischer Maschinen unerwunschte, weil verlustbehaftete Gegenstrome, die sogenannten Wirbelstrome. Zu ihrer Verhinderung bzw. Verminderung werden die den zeitlich veranderlichen MagnetfluB leitenden Eisenteile von Transformatoren und elektrischen Maschinen in einzelne, gegeneinander isolierte, dtinne Blechschichten unterteilt. Bei groBeren Standerdurchmessem werden sie in Einzelbleche unterteilt und der besseren magnetischen Leitfahigkeit wegen Uberlappend geschichtet. Diese Blechpakete werden durch Bolzen zusammengehalten, die selbstverstandlich gegenilber den Einzelblechen isoliert sein miissen. Zwischen den ruhenden Transformatoren und den umlaufenden, d. h. bewegten elektrischen Maschinen bestehen bei alien prinzipiellen Gemeinsamkeiten der physikalischen Wirkungsweise jedoch zwei gravierende Unterschiede: 1. In Transformatoren ist die magnetische Energie W^ag wegen der auBerst guten magnetischen Leitfahigkeit des geschlossenen ferromagnetischen FluBweges praktisch gleich Null. In elektrischen Maschinen bildet der aus mechanischen Griinden erforderliche Luftspalt bzw. Luftraum zwischen Stander und Laufer wegen der geringen magnetischen Leitfahigkeit von Luft zugleich den Magnetenergiespeicher zur Umwandlung der Magnetenergie dWmag in mechanische Energie Fdx bzw. umgekehrt (16.32). Der Magnetisierungsstrom i^ag liegt deshalb bei elektrischen Maschinen erheblich hoher als bei Transformatoren. 2. Eine wichtige Zusatzbedingung fur das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische oder umgekehrt mittels bewegter elektrischer Maschinen ist, daB sich die GroBe der Magnetenergie dWmag beim Bewegen langs der Weglange dx andem muB, um uberhaupt mechanische Energie Fdx erzeugen zu konnen. 16.3.3

Synchrone Wasserkraftgeneratoren

16.3.3.1 Polzahl und Frequenz Im Gegensatz zu den dampfturbinengetriebenen und daher schnellaufenden, sogenannten Turbogeneratoren in zylindrischer VollpoUaufer-Ausfiihrung (voUtourig mit 2 Polen, also Ipolpaarig, und halbtourig mit 4 Polen, also 2polpaarig) besitzen die iiblichen synchronen Wasserkraftgeneratoren ausgepragte Pole und werden daher auch haufig als Schenkelpolmaschinen bezeichnet (s. Abb. 16.10). Da es sich um Langsamlaufer handelt, sind die Polzahlen von Wasserkraftgeneratoren bedeutend hoher als die von Turbogeneratoren. Wahrend Ipolpaarige Generatoren pro Umdrehung des Laufers eine voile Periode der sinusformigen Ausgangsspannung erzeugen, entsteht bei hoherpoligen Synchronmaschinen bei gleicher Drehzahl rtsyn eine Ausgangsspannung hoherer Frequenz: f = P'nsyn [Hz]

(16.49)

16 Elektrotechnische Ausriistung

603

Dabei ist die fiir die Fliehkraftbeanspruchung des Laufers maBgebende Umfangsgeschwindigkeit v^ durch die Materialfestigkeit auf maximal 150 m/s begrenzt (s. Abschnitt 16.5.6). Sie errechnet sich zu: Vs=n'D-nsy„=2'f-Tp

[m/s]

(16.50)

Die mechanische Winkelgeschwindigkeit i7des Laufers betragt somit: Q = 2 • 71 • risyn =2'71 /P p Hsyn v^ D i2 0)

/P

(16.51)

^ ^

Polpaarzahl (2p ist damit die Polzahl) Synchrondrehzahl des Laufers (s. a. Tabelle 16.2) Umfangsgeschwindigkeit des Laufers Durchmesser des Laufers mechanische Winkelgeschwindigkeit des Laufers elektrische Kreisfrequenz der Sinusspannung: o) = 2-7T-f

Ständer-Joch Magnetpole

[m/s] [m] [Hz]

Ständerblech mit Leiternuten ' Dämpferstäbe ' DämpferKurzschlußring

Polschaft

- Nutgrundstreifen - Nutauskleidung . Einzelleiterisolierung • Hauptisolierung - Einzelleiter " Zwischenschieber mit Widerstandsthermometer . Ausgleichsstreifen Gleitstreifen " Verschlußkeil

Abb. 16.10: Schematischer Querschnitt: a) durch eine 12polige Synchronmaschine mit Einzelpolen (Bezeichnung charakteristischer Bauteile); b) Detail der Blechpakete [16.6]; c) Querschnitt einer Zweischichtleiterwicklung mit Ober- und Unterschicht

604

16 Elektrotechnische Ausriistung

In der Tabelle 16.2 sind einige bei Wasserkraftgeneratoren ausgeftihrte Polzahlen 2p und die zugehorigen Synchrondrehzahlen fur die stark verbreiteten Frequenzen 50 Hz und 60 Hz zusammengestellt. Tabelle 16.2: Synchrondrehzahlen risyn zu einigen Polzahlen 2p bzw. Polpaarzahlen/? der Maschinen und Frequenzen des elektrischen Netzes Polzahl 2p [Polpaarzahl/? risvn [min" ] fur/= 50 Hz U^„ [min'^l fur/= 60 Hz

6 3 1000

1 1200

8 4 750 900

10 5 600 720

24 12 250 300

48 24 125 150

^ ^ 1 30 100

120 1

Die Netzfrequenzen / der Energieversorgungsnetze sind genormt. So betragt diese beispielsweise in Europa 50 Hz, in den USA 60 Hz und derzeit noch zusatzlich in Deutschland, Osterreich, Schweiz, Norwegen und Schweden fUr das elektrische Bahnstromnetz 16% Hz. Die unterschiedlichen Frequenzwerte smd historisch bedingt: Beun anfanglichen Inselbetrieb, der hauptsachlich der Lichtstromversorgung diente, bestand relative Freiheit hinsichtlich der Drehzahl-, Polzahlund Frequenzwahl (s. (16.49)), so daB zunachst praktisch alle Frequenzwerte zwischen 40 und 150 Hz nebeneinander bestanden. Ftir Verbundnetze einigte man sich in Europa relativ fruh auf 50 Hz. Da die BaugroBen aller rotierenden Maschinen, d. h. sowohl der hydraulischen Maschinen zur Energieerzeugung, Brennkraftmaschinen etc. als auch der elektrischen Generatoren, Blindleistungsmaschinen, Motoren usw. nicht von deren (Schein-)Leistung P, sondem vom zugehorigen Drehmoment M = P/Q abhangen, spart man Maschinengewicht, Maschinen- und Investitionsvolumen, je hoher die Drehzahl n und nach (16.49) die Frequenz/gewahlt wird. Da die NetzfrequenzNormung z. B. in den USA spater als in Europa erfolgte, nutzte man dort den Vorteil der 60-Hz-Netzfrequenz mit 20 % Maschinengewichts-, Maschinenvolumenund Kostenerspamis zur Erzielung der gleich groBen Leistung wie bei 50 Hz. Die dabei notwendige hohere Fliehkraftfestigkeit der Maschinen, z. B. flir die Durchgangsdrehzahl, ist dabei beherrschbar. Aus diesem Grunde wUrde man heute - ware man in der Frequenzwahl noch frei - eher eine nochmals um 20-30 % hohere Netzfrequenz bevorzugen. Dabei ist die obere Frequenzgrenze durch die frequenzproportional wachsenden Blindspannungsabfalle gegeben. Auf Freileitungen sind sie gemaB (16.16) induktiv, da deren Hin- und Riickleiter eine raumlich lang ausgedehnte „Spule" mit nur einer Windung bilden. Auf Kabehi treten kapazitive Spannungsabfalle gemaB (16.19) in Erscheinung, da bei deren eng aneinanderliegenden Leitem der Kondensatoreffekt Uberwiegt. Im Widerspruch zum allgemeinen Trend zu hoheren Netzfrequenzen steht die seit Mitte des 20. Jahrhunderts technisch und wirtschaftlich nicht mehr gerechtfertigte Bahnstromnetzfrequenz von 16% Hz. Sie wurde 1904 in Deutschland mit 15.000 V Fahrdrahtwechselspannung anstelle der damals nicht transformierbaren Gleichspannung von 1.500 V eingefuhrt: Damit reduzierten sich die Wechselstrome bei gleicher Leistung auf 1/10 ihres Gleichstromwertes und dementsprechend

16 Elektrotechnische Ausrtistung

605

auch der Aufwand an Leitermaterial um 9/10 nach (16.44) sowie die Leistungsverluste nach (16.45) auf wenige Prozent der Gleichstromverluste. Allerdings storte die physikalisch prinzipiell gleiche transformatorische Spannung den Betrieb der dann mit Wechselstrom betriebenen Bahn-Kommutatormotoren und begrenzte so ihre Traktionsleistung. Daher nahm man es bei der guten Wirtschaftslage vor dem ersten Weltkrieg in Kauf, lediglich zur Erzielung hoherer Traktionsleistung die 50-Hz-Netzfrequenz ftir den Bahnbetrieb auf 1/3 zu reduzieren und als Preis daftir die 3fache Bauleistung in die Kraftwerksturbinen, die Generatoren, die Transformatoren in jedem Kraftwerk, in jedem Unterwerk und auf jeder Lokomotive zu installieren sowie ein eigenes 110-kV-Uberlandnetz ftir 16^/3 Hz zu errichten und zu betreiben. Spatestens seit der Einftihrung der Trockengleichrichter auf den Lokomotiven, die den Fahrdraht-Wechselstrom in Gleichstrom umwandebi, entfiel etwa seit Mitte des 20. Jahrhunderts die Erfordemis, die Bahnfrequenz zur Erhohung der Traktionsleistung auf 16^/3 Hz zu reduzieren. So ist die Beibehaltung der 16V3-Hz-Bahnfrequenz heute bei einem Lokantrieb durch umrichtergespeiste Drehstrommotoren im wahrsten Sinne des Wortes mit schweren Nachteilen verbunden: Jede derartige Lokomotive muB auBer den gegenuber den 50-Hz-Bahnen 3fach groBeren Transformatoren auch noch ftir die voile Traktionsleistung bemessene Glattungskondensatoren bzw. Drosselspulen mit 3fachen Volumen, Gewicht und Kosten mit sich ftihren. Auch ist die 16%-HzBahnstromversorgung im intemationalen 50-Hz-Energiemarkt kostenintensiver und aufsvendiger. LFber Maschinenumformersatze mit nur V3 der 50-Hz-Synchrondrehzahl oder uber statische Umrichterstationen mit aufwendigen Glattungskondensatoren ist der Bezug von 16%-Hz-Bahnstrom aus dem 50-Hz-Drehstronmetz heute technisch problemlos moglich, wobei dies allerdings mit zusatzlichen Energieverlusten und erheblichen zusatzlichen Livestitionen verbunden ist. Eine Umstellung des komplexen Bahnstromsystems scheiterte jedoch bisher an den Kosten der Umstellung, die daruber hinaus im Hinblick auf die permanente Aufrechterhaltung des kompletten Betriebs erschwert war, heute aber mit den sogenannten Zweifrequenzlokomotiven technisch moglich ist. Im Hinblick auf die Offhung des intemationalen Energiemarktes wiirde die Deutsche Bahn AG geme zumindest teilweise auf die recht kostspielig zu wartenden eigenen 110-kV-Einphasenbahnstromleitungen mit 16% Hz verzichten und statt dessen die Frequenzumformung aus dem praktisch tiberall vorhandenen 50Hz-Drehstronmetz dezentral mit mehreren Umrichterstationen auf 16^/3 Hz moglichst nahe an den Einspeisepunkten vomehmen. Eine Einspeisung aus dem 50-Hz-Drehstromnetz ist ftir den weiteren Ausbau der Bahnstromversorgung sowie ftir den Ersatz alter, auBer Betrieb gehender 16%-Hz-Generatoren ohnehin unvermeidlich, da diese GroBgeneratoren wegen zu hohem und veraltetem Fertigungsaufwand seit etwa Anfang der 1990er Jahre weltweit nicht mehr hergestellt werden. Mit dieser Dezentralisierung durfte in absehbarer Zeit die notwendige Flexibilitat geschaffen sein, spater vielleicht einmal sukzessiv auf eine einheitliche europaische Bahnstromversorgung iiberzugehen.

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16 Elektrotechnische Ausrustung

16.3.3.2 Ausbildung von Stander und Laufer Da sich das Magnetfeld relativ zum Stander bewegt, finden im Standereisen Ummagnetisierungsvorgange statt, die die Ursache fiir Eisenverluste sind. Um diese hinreichend niedrig zu halten, ist ein geschichteter Aufbau aus dUnnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen notwendig, die mehrfach iiberlappt geschichtet und durch axiale Bolzen miteinander verspannt werden, so daB das Joch letztlich aus einer Vielzahl von Blechsegmenten zusammengesetzt ist. Dabei werden (iberwiegend Bleche mit einer Dicke von 0,5 mm verwendet, die ein- oder beidseitig mit einem Auftrag aus warmebestandigem, 5-15 jim dickem Lack versehen sind (s. Abb. 16.10b und Abb. 16.13). Elektrobleche sind weichmagnetische Stahlbleche, die durch einen speziellen HerstellungsprozeB und besondere Legierungsbestandteile, insbesondere Silicium, einen geringen spezifischen Ummagnetisierungsverlust und erne gute Magnetisierbarkeit aufweisen. Die Festigkeitsanforderungen durch die Fliehkraftbeanspruchung bestimmen primar die Blechsorten m den Polen und im Lauferjoch. Da der Laufer im wesentlichen einen GleichfluB fthrt, konnen hier unisolierte Stahlbleche, meist mit einer Dicke von 2-3 mm, eingesetzt werden. Die Standerwicklungen von Wasserkraftgeneratoren werden fast ausschlieBlich als Zweischichtwicklungen ausgefuhrt, wobei in jeder Nut zwei Spulenseiten bzw. Roebelstabe radial tibereinander liegen. Im Querschnitt einer Spulenseite (s. Abb. 16.10c) erkennt man eine groBere Anzahl von Teilleitem, die durch eine bandformige Umwicklung mit ca. 0,2 mm Starke gegeneinander isoliert sind. Zur Verringerung von Zusatzverlusten infolge einseitiger Stromverdrangung werden zu groBe Leiterquerschnitte der Nutober- bzw. -unterschicht nach einer Erfindug von Roebel in parallele isolieterte Teilleiter unterteilt, die als Leiterbtindel iiber die Maschinenlange „verdrillt" sind. Jedes Leiterbtindel ist von der Nut- oder Hauptisolierung umschlossen, deren Dicke sich nach der Bemessungsspannung des Generators richtet. Unter betriebsmaBiger Beanspruchung ist bei modemen Isolationssystemen eine Feldstarke bis zu etwa 4 kV/mm zulassig, also kann beispielsweise die Htilsendicke einer 13,8-kV-Maschine mit ca. 3 mm bemessen werden. Die einzebien Teilleiter werden in unterschiedlicher Weise als Spulen- oder Stabwicklung zum vollstandigen Wicklungsstrang verschaltet (s. Abb. 16.8b und Abb. 16.13). Dabei zeichnen sich die Wicklungen von Wasserkraftgeneratoren durch einen groBen Variantenreichtum aus. Die Polspulen bestehen bei den groBeren, luftgekuhlten Generatoren generell aus blankem, hochkant gewickeltem Flachkupfer. Mittels Profilkupfer oder unterschiedlich breiter Leiter werden an den dem Luftstrom zugewandten Oberflachen Kuhlrippen geformt, die der verbesserten Warmeabfiihr dienen. Hauptbestandteil des Isolationsaufbaus sind Isolierstreifen zwischen den einzelnen Windungen sowie eine Ummantelung und Isolierrahmen im Bereich des Poleisens. 16.3.4

Asynchrongeneratoren

Ein Vorteil von Asynchronmaschinen mit Kafiglaufer ist deren robuster, einfacher Aufl^au des Laufers. Dabei ist die Lauferwicklung gleichmaBig am Umfang verteilt und besteht aus einzekien, in Nuten eingebetteten Kupferstaben, die an den beiden Stimseiten durch Ringe kafigartig miteinander verbunden bzw. kurzge-

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schlossen sind. Da die Moglichkeit, aus einer extemen Erregerspannungsquelle in den Laufer einzuspeisen, entfallt, ergeben sich erhebliche Einschrankungen bezuglich Spannungs-, Frequenz- und Blindleistungssteuerung. Wie bei der Synchronmaschine tragt der Stander eine Drehstromwicklung mit einer der Drehzahl- und Frequenzvorgabe entsprechenden Polzahl (s. Tabelle 16.2). Der Aufbau des Drehfeldes erfolgt durch eine induktive Komponente im Standerstrom, die das Netz zur Verfugung stellen muB. Der Weg, diesen Blindstrom aus einer Kondensatorbatterie zu beziehen, ist nur fur kleme Insehietze gangbar (s. Kapitel 16.4.6). Bei Belastung liegt die Turbinen- bzw. Lauferdrehzahl um einige 1/10 % oberhalb der Synchrondrehzahl. Infolge dieses Schlupfes vermag das Drehfeld Strome im Laufer zu induzieren und mit diesen das Drehmoment zu bilden. Der hierfur maBgebliche Schlupf ^ ist definiert zu: ^^^^VLZZ! = 7 _ _ ^

[-]

(16.52)

[-] s Schlupf der elektrischen Maschine Der Schlupf ist im ubersynchronen Betrieb negativ und die Asynchronmaschine gibt dann infolge des an der Welle ausgeiibten Momentes Mgeneratorisch mit negativem Voreichen Wirkleistung P^ an das Netz ab: P^={l-s)'ns^'M

[-]

(16.53)

Im untersynchronen Betrieb wird der Schlupf positiv und dieselbe Asynchronmaschine nimmt dann motorisch nach (16.53) aus dem Netz positive Wirkleistung auf. Im Gegensatz zur Synchronmaschine kann die Asynchronmaschme stets vom Stillstand bis nahe an die Synchrondrehzahl von selber anlaufen. Beim Ublichen Berieb der Asynchron- und Synchronmaschinen an Drehstromnetzen fester Frequenz / und starrer Spannung U lassen sich deren Wirk- und Blindleistungsaufiiahmen bzw. -abgaben sehr iibersichtlich aus den sogenannten Vierquadrantendiagrammen ablesen, die deshalb auch verkurzt als Leistungsdiagramme bezeichnet werden (s. a. Kapitel 16.4.9). Wie in der Elektrotechnik tiblich, werden die Effektivwerte Uj und // der sinusformigen Wechselspannungen und -strome derselben Frequenz durch Zeiger Ui und Ij in der komplexen Zahlenebene dargestellt (s. Abb. 16.11). In dieser vereinfachten einstrangigen Darstellung zeigt der Netzspannungszeiger Ui als konstante BezugsgroBe in die hier senkrechte positiv-reelle Achsrichtung. Dagegen verandert der zugehorige Zeiger Ij belastungsabhangig etwa kreisformig sowohl seinen Betrag als auch seinen Phasenwinkel (p. Aus der Projektion von Ij auf die Bezugsachse (/; • cos (p) ergibt sich die jeweilige Wirkleistung Py^ (s. (16.71)). Der maBgebliche lastabhangige Parameter fur 7; ist bei Asynchronmaschinen der Schlupf^ und bei Synchronmaschinen ist dies der Lastwinkel 9 in Verbindung mit deren Erregerstrom /;. Bei Asynchronmaschinen setz sich der Netzstrom li auss der geometrischen Addition des Magnetisierungsstromes 7u und des Lauferstromes h zusammen.

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16 Elektrotechnische Ausriistung

Abb. 16.11: Vierquadrantendiagramme: a) Leistungsdiagramm eines Asynchrongenerators mit Kafiglaufer; b) Belastungsgrenzen der Synchronmaschine Bei Asynchronmaschinen mit Kafiglaufem existieren Arbeitspunkte nur im rechten unteren Quadranten des Leistungsdiagramms (s. Abb. 16.11a). Im Gegensatz zur Synchromnaschine kann keine induktive Blindleistung ins Netz gegeben werden, wie sie insbesondere von den iiberaus zahlreichen motorischen Verbrauchem benotigt wird. Mit wachsender Antriebsleistung nimmt der Schlupf zu, und bei Uberschreiten des Kippunktes beschleunigt sich der Maschinensatz auf Uberdrehzahl. Die Beanspruchungen durch die Durchgangsdrehzahl und infolge kurzschluBartiger Vorgange sind auch bei Anlagen mit Asynchrongeneratoren zu beachten. Heute werden Asynchrongeneratoren mit Schleifringlaufer, eine weitere Asynchrongeneratorenbauart, ftir drehzahlveranderbaren Anlagen groBer Leistung zunehmend mehr eingesetzt (s. Abschnitt 16.3.6.1). Die Lauferwicklung ist im Prinzip wie die Standerwicklung als mehrpolige Drehstromwicklung ausgeftihrt, wobei der Kontakt zu den Wicklungsstrangen uber Schleifringe und Bursten hergestellt wird und so mit einer extemen Spannungsquelle, insbesondere einem Umrichter, verbunden werden kann. Abhangig von Hohe und Frequenz der eingepragten Spannung laBt sich ihre Synchrondrehzahl stetig verandem, und Betriebspunkte in alien vier Quadranten des Leistungsdiagramms sind moglich. Bei dieser Betriebsart handelt es sich physikalisch um eine doppelt, d. h. tiber Stander und Laufer mit voneinander unabhangigen Drehstromsystemen gespeiste Synchronmaschine allgemeinster Art. Dabei wird die Steuerung der Wirkleistungsaufiiahme bzw. deren Abgabe mittels der einstellbaren Lauferfrequenz vorgenommen, wahrend die Blindleistungsaufhahme bzw. -abgabe unabhangig davon iiber die Einstellung der Lauferspannungshohe erfolgt. 16.3.5

Generatorschutz und -iiberwachung

Auch bei Kraftwerksgeneratoren bzw. elektrischen Maschinen haben die Betriebssicherheit und Verfiigbarkeit eine groBe Bedeutung. Beide GroBen hangen in er-

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ster Linie von einer zuverlassigen Generatorkonstruktion ab, die alien Beanspruchungen Stand halten mu6, die sich aus dem Langzeitbetrieb und den zu beherrschenden Storfallen, wie z. B. dem plotzlichen KlemmenkurzschluB, ergeben. ErfahrungsgemaB lassen sich jedoch Storungen nicht grundsatzlich verhindem, so daB jeder Generator zusatzlich mit einem Schutz- und einem Uberwachungssystem versehen wird. Beide haben unterschiedliche Aufgaben. Der Schutz spricht an, wenn ein Fehler aufgetreten ist, der die unmittelbare Trennung des Generators vom Netz erfordert. Die Uberwachung beschaftigt sich hingegen mit der fruhzeitigen Erkennung sich anbahnender Fehler, die uber die Regelungs- und Leittechnik (s. Kapitel 13.2) dem Betreiberpersonal gemeldet und womit entsprechende Instandhaltungsmafinahmen initiiert werden (s. Kapitel 13.3.2). Beim Generatorschutz wird zwischen elektrischem und mechanischem Schutz unterschieden. Ersterer umfaBt in der Kegel folgende Komponenten: - Differentialschutz: Dieser tiberwacht im Prinzip, ob die Strome, die in die Anfange der Strangwicklungen hineinflieBen, auch wieder an den Enden herausflieBen. Ist das nicht der Fall, so bestehen Kurzschliisse zwischen den Strangwicklungen. - ErdschluBschutz: Mit diesem werden jeweils die Erreger- und Standerwicklungen auf unzulassig leitende Verbindungen zum Erdpotential tiberwacht. - Untererregungsschutz (mit und ohne Erregungsausfall): Mit abnehmendem Erregerstrom nahert sich der Generator der Stabilitatsgrenze (s. Kapitel 16.4.9), die eine von verschiedenen Begrenzungen des Generatorbetriebsbereiches darstellt. Der Schutz reagiert auf die Uberschreitung dieser Stabilitatsgrenze, die zum Verlust der synchronen Umlaufgeschwindigkeit fiihren konnte. - Uberstromschutz: Dieser spricht auf unzulassig groBe Strome an, laBt aber in zeitlicher Staffelung kurzzeitig sehr groBe Strome zu, wie sie z. B. beun plotzlichen KlemmenkurzschluB unvermeidlich sind. Auf Dauer unterbindet er jedoch die LFberschreitung des Bemessungsstroms. - Schieflastschutz: Er tiberwacht die Symmetric der Strangstrome. Er greift bei Unterschieden ein, die zu unzulassig groBen, gegen das Netzdrehfeld laufenden Feldem, den sogenannten Inverstfeldem, und damit verbundenen Laufererwarmungen fuhren. - Spannungssteigerungsschutz: Dieser reagiert auf unzulassig groBe magnetische Flusse im Generator. - Unterfrequenzschutz: Er spricht bei zu niedrigen Generator- und lokalen Netzfrequenzen an, die infolge der Generatorspannungsregelung zu unzulassig groBen Generatorfliissen und Erregerstromen fuhren konnten. - Riickleistungsschutz: Er hat eine wichtige finale Schutzfunktion und spricht immer dann an, wenn der Generator in den Motorbetrieb ubergegangen ist, also die Turbine antreibt, anstatt selbst von dieser angetrieben zu werden. Der mechanische Generatorschutz ist starker auf die jeweilige Konstruktion abgestimmt. So kann beispielsweise bei Generatoren mit wassergekuhlter Standerwicklung ein Primarwasser-DurchfluBschutz ansprechen, wenn der Kiihlwasserstrom zu gering ist. Weitgehend unabhangig von der Konstruktion wird z. B. die Kaltgastemperatur tiberwacht. VerlaBt dieses den Ktihler wegen eines Ktihlerfeh-

610

16 Elektrotechnische Ausriistung

lers mit zu hoher Temperatur, ist die nachfolgende Ubererwarmung der Generatorwicklungen absehbar. Da die Wicklungsisoliersysteme nur begrenzt temperaturbestandig sind, ist die Uberwachung der Wicklungstemperaturen von groBter Bedeutung. Die vom Generatorhersteller vorzuhaltenden Mindest-Uberwachungseinrichtungen sind durch die flir elektrische Maschinen geltenden lEC- bzw. VDE-Normen festgelegt. So schreibt die DIN EN 60034 [16.7] (identisch mit lEC 60034) vor, daB die Temperaturfuhler angemessen uber die Standerwicklung der Maschine verteilt sein sollen und die Mindestzahl der installierten Detektoren aber nicht unter sechs liegen darf. MeBmethode und MeBftihler sind der jeweiligen Warmeklasse der Isolierung anzupassen, wobei die heute tiblichen Warmeklassen 130, 155 und 180 IsolierungsHeiBpunkttemperaturen von 130 °C, 155 °C und 180 °C zulassen. Die Methoden der Temperaturermittlung werden in Abhangigkeit der Maschinenleistung, der Kiihlungsart der Wicklungen und der Aufstellungshohe der Maschine geregelt. Des weiteren werden einzuhaltende Grenzwerte fur die von den Temperaturfuhlem gemessenen Temperaturen angegeben, wobei diese in festgelegter Weise unter den Warmeklassentemperaturen liegen miissen, da es durchweg unmoglich ist, die Temperaturfuhler in die jeweiligen, oft sogar nicht genau lokalisierbaren HeiBpunkte der Wicklungen zu legen. In der bisherigen DIN EN 60034 sind noch keine Angaben Uber weitergehende Uberwachungseinrichtungen enthalten, die heute unter dem Oberbegriff „Diagnose- und Monitorringsysteme" von zahlreichen Herstellem und Fachfirmen angeboten werden. Dabei spielten Teilentladungs-, MeB- und Auswerteeinrichtungen wahrend des Generatorbetriebs zunehmend eine Rolle. Im Prinzip handelt es sich dabei um verschieden ausgebildete Antennen-Empfangersysteme, die in die Standerwicklung „hineinhorchen" und sich anbahnende Isolierungsschaden durch Detektion der Zunahme der Teilentladungsimpulse diagnostizieren. 16.3.6

Entwicklungstendenzen bei Wasserkraftgeneratoren

Beginnend mit einigen MVA um die Wende ins 20. Jahrhundert hat sich die maximale Einheitenleistung ausgefuhrter Wasserkraftgeneratoren pro Jahrzehnt etwa verdoppelt. Dieser ProzeB kam um 1980 zu einem vorlaufigen Stillstand, als in mehreren Anlagen Generatoren mit einer Nennscheinleistung knapp uber 800 MVA in Betrieb gingen. Selbst bei der kunftig weltgroBten Wasserkraftanlage, der Drei-Schluchten-Anlage am Jangtse mit einer vorgesehenen Gesamtleistung von 18.000 MW, werden Generatoren im Leistungsniveau von je 840 MVA eingesetzt. Eine weitere Steigerung der mit dem Stand der Technik ausfiihrbaren Grenzleistungen steht gegenwartig nicht im Vordergrund. Die Entwicklung konzentriert sich starker auf die Optimierung der Wirtschaftlichkeit, also die Verbesserung von Leistungsgewicht und Wirkungsgrad, wobei die in den letzten Jahrzehnten erzielten Fortschritte im beachtlichen Umfange zur Modemisierung von alteren Anlagen genutzt werden. Unter diesen Aspekt fallen auch die Anstrengungen zur Erhohung der VerfUgbarkeit durch genauere Vorausberechnung der Beanspruchungen, insbesondere im Storfall, und die Weiterentwicklung von Diagnose- und Uberwachungssystemen. Ebenso ist heute durch eine vollstandige oder teilweise

16 Elektrotechnische Ausrustung

611

Emeuenmg der aktiven Generatorbauteile (Wicklungen, Blechpakete etc.) im Rahmen von ModemisierungsmaBnahmen eine Steigerung der Leistungsabgabe bis ca. 30 % bzw. zumindest aber eine Verbesserung des Wirkungsgrades realisierbar, sofem es auch die hydraulischen Gegebenheiten ermoglichen. 16.3.6.1 Generatoren mit veranderbaren Drehzahlen Zunehmend finden Generatoren mit veranderbaren Drehzahlen Interesse, wenn zusatzliche Regelungsaufgaben im Netz iibemommen werden sollen oder eine in Abhangigkeit vom ZufluB stark schwankende Fallhohe vorliegt (s. Kapitel 14.4.2). Durch eine fallhohenabhangige Turbinendrehzahl oder bei Anwendung von Pumpenturbinen (s. Kapitel 14.5.2) durch unterschiedliche Drehzahlen im Pumpenund Turbinenbetrieb laBt sich der hydraulische Wirkungsgrad deutlich verbessem. Diesem Zweck dienen spezielle Schenkelpolmaschinen mit einer polumschaltbaren Erregerwicklung. Dank der Fortschritte in der Umrichtertechnik kommen jetzt auch stetig drehzahlveranderbare Generatoren zum Einsatz, bei denen mit der Inbetriebnahme des Pumpspeicherkraftwerkes Goldisthal in neue Dimensionen vorgestoBen wurde (s. Kapitel 17.8.5). Umrichter sind Schaltungsanordnungen aus Leistungshalbleitem, die den EnergiefluB zwischen zwei Netzen mit unterschiedlichen Spannungen, Frequenzen und unter Umstanden auch Strangzahlen steuem, wobei Generator und Umrichter aufeinander abgestimmt sein mtissen (s. a. Abschnitt 16.6.5.2). Die Verlustleistung betragt im allgemeinen ca. 2-3 % der Nennleistung. Ftir die Ausfuhrungsform mit standerseitiger Speisung aus einem Zwischenkreisumrichter eignen sich sowohl Schenkelpolgeneratoren wie auch Asynchrongeneratoren mit Kafiglaufer (s. Abb. 16.12a). Der Zwischenkreis mit seiner Glattungseinrichtung entkoppelt den maschinenseitigen Stromrichter 7, der den Drehstrom des Generators zunachst gleichrichtet, vom netzseitigen Stromrichter 2, der als Wechseb-ichter die erzeugte Energie ins Netz speist. Grundsatzlich lassen sich beide Funktionen vertauschen, so daB auch ein EnergiefluB in entgegengesetzter Richtung fiir den Motorbetrieb moglich ist. Netz ((7,/Starr) Stromrichter 2 Netz (C/,/Starr) Zwischenkreis mit Glattungseinrichtung Stromrichter 1 U, /variabel Synchron- oder Asynchronmaschine

Transformator Asynchronmaschine mit Schleifringlaufer

Direktumrichter C/,/variabel

Abb. 16.12: Schaltung von drehzahlveranderbaren Wasserkraftgen. mit Umrichter: a) mit Zweikreisumrichter im Standerkreis; b) mit Direktumrichter im Lauferkreis

612

16 Elektrotechnische Ausrustung

Generatorseitig sind Spannung und Frequenz variabel, wobei die Regelung die Frequenz auf den der vorgegebenen Turbinendrehzahl entsprechenden Wert einstellt. Geringe Verluste ergeben sich dann, wenn der Quotient aus Spannung und Frequenz konstant gehalten, also im Drehzahlregelbereich mit NennfluB gefahren wird. Man unterscheidet Umrichter mit eingepragter Zwischenkreisspannung, die sogenannten Puis- bzw. Spannungsumrichter, die fiir kleinere und mittlere Leistungen geeignet sind, und solche mit eingepragtem Zwischenkreisstrom, die sogenannten Stromumrichter, die bei groBeren Leistungen zum Einsatz gelangen. Bei der Ubertragung in das Netz wird der BlindleistungsfluB nicht mehr vom Generator, sondem von den Eigenschaften des netzseitigen Stromrichters bestimmt. Besondere Aufmerksamkeit ist den vom Umrichter erzeugten Oberschwingungen in den Netz- und Maschinenstromen zu widmen, da diese Oberschwingungen das offentliche Netz „verseuchen" und Zusatzverluste sowie Storungen, z. B. in der Telekommunikation, hervorrufen. Fiir sehr groBe Leistungen wird als innovative Losung gegenwartig an Asynchrongeneratoren mit Schleifringlaufer gearbeitet. Die Schlupfeinstellung, etwa im Bereich 0-20 %, erfolgt verlustarm mittels eines Direktumrichters im Lauferkreis (s. Abb. 16.12b). Im Vergleich zur anderen Losung gentigt ein Umrichter mit wesentlich kleinerer Bauleistung. Dabei ist allerdings die Bemessung der Generatoren anspruchsvoll, gibt es doch in diesem Leistungsbereich kaum Vorbilder. 16.3.6.2 Hochspannungsgeneratoren Eine noch verhaltnismaBig junge Entwicklung stellt diejenige der Hochspannungsgeneratoren dar, wie diese in Schweden in den letzten Jahren auch erfolgreich in groBeren Wasserkraftanlagen getestet wurden. Ziel dieser neuen Konstruktion ist, die elektrische Energie ohne Zwischenschaltung eines Transformators in das Netz einspeisen zu konnen und so neben der Verringerung des Investitionsvolumens den Gesamtwirkungsgrad der Anlagen um 0,5-2 % anzuheben. Altemativ konnen einfachere Transformatoren eingesetzt werden, und gleichzeitig ergibt sich die Moglichkeit, diese infolge der hoheren Ausgangsspannung des Generators weiter entfemt anzuordnen. Bisher ist bei den herkommlichen Bauweisen von Synchronmaschinen die Betriebsspannung auf etwa 25-30 kV begrenzt, da die elektrische Beanspruchung der Leiterisolationen insbesondere am Wickelkopf im Bereich der sich auf engsten Raum kreuzenden, meist rechteckig ausgefiihrten Standerwicklungen besonders hoch ist und damit vor allem die Gefahr von Glimmentladungen besteht (s. Abb. 16.13a und Abb. 16.10). Bei der neuen Bauweise werden hingegen handelsubliche Hochspannungskoaxial-Kabel anstatt der rechteckigen Leiter eingesetzt, deren Innenleiter neben isolierten auch nichtisoHerte Teilleiter enthalt (s. Abb. 16.13b). Da somit der AuBenmantel des Leiters auf Erdpotential liegt, muB das elektrische Feldpotential nicht wie bisher berucksichtigt werden, um gefahrliche Feldkonzentrationen zu vermeiden. Damit ist die Klemmenspannung bei diesem Typ nur durch die verfugbare Kabeltechnologie beschrankt, die derzeit bei ca. 400 kV liegt. Bisher wurde eine Klemmenspannung von 155 kV bei einer Nennleistung von 75 MVA mit der Wasserkraftanlage Porsi/Schweden erreicht, doch wird diese Entwicklung sicherlich weitergehen.

16 Elektrotechnische Ausriistung

613

Die Verwendung der Kabel als Leiter hat auch eine neuartige Wicklung im Standerblechpaket zur Folge (s. Abb. 16.13). So werden die Nuten anstatt bisher rechteckig als radial von innen nach auBen angeordnete zylindrische Bohrungen mit nach auBen hin gestuft zunehmendem Durchmesser ausgefiihrt. Durch diese wird der biegbare Leiter mit ebenfalls nach auBen gestuft zunehmendem Isolierungsmantel bei der Bewicklung ohne groBeren Aufsvand geschlauft.

Abb. 16.13: Vergleich (Ausschnitte) von Stator, Leiterquerschnitt und Wickelkopf eines konventionellen (a) und eines Hochspannungsgenerators (b) [nach 16.8] 16.4

Betriebsarten von Wasserkraftgeneratoren

16.4.1

Leerlauf

Bei unbelasteter Maschine laufen das magnetische Laufererregerfeld und das zugehorige Standerdrehfeld stets polachsgleich um, das heiBt die Wicklungsachse der Erregerwicklung des Laufers, die sogenannte Direktachse d-d m Abb. 16.14a, fallt mit der Hauptachse des Standerdrehflusses zusammen. Dies kennzeichnet die Leerlauflage des Laufers. Der von der Achse d-d und der Hauptachse des Standerdrehflusses gebildete Lastwinkel 3 ist im Leerlauf i9 = 0.

'd

ft^

^ X d

id

Abb. 16.14: Lastwinkel 3 einer 2poIigen Synchronmaschine (qualitativ): a) im Leerlauf; b) im Generatorbetrieb (negativ); c) im Motorbetrieb (positiv) Die magnetischen Feldlinien im Luftspalt nehmen im Leerlauf also den kUrzesten Weg. Die Magnetenergie im Luftspaltraum zwischen Stander und Laufer nimmt dabei ihren Minimalwert an. Die rotatorisch induzierte Standerwicklungsspannung (16.48) ist gleich der angelegten Netzspannung; infolge fehlender Spannungsdifferenz ist der Standerstrom gleich Null; die Maschine nimmt im idealen

614

16 Elektrotechnische Ausriistung

Leerlauf also weder elektrische Leistung aus dem Netz auf, noch gibt sie elektrische Leistung an das Netz ab. 16.4.2

Generatorbetrieb

Wird die Standerwicklung einer dreiphasigen Drehstrom-Synchronmaschine (Strangzahl w = 3) an 3 gleich groBe Lastwiderstande, also an eine symmetrische Drehstromlast angeschlossen, so versuchen die dann in der Standerwicklung flieBenden Drehstrome gemaB der Lenzschen Kegel (s. Kapitel 16.1.3) das Standerdrehfeld gegenuber dem mit gleicher Drehzahl Usyn umlaufenden Laufererregerfeld um einen bestimmten Lastwinkel 3 zu verzogem bzw. generatorisch zu bremsen. Hierdurch verlangem sich die Feldlinien im Luftspalt (s. Abb. 16.14b) nach der Art gespannter Gummiseile; der Luftspaltraum ist mit groBerer Magnetenergie aufgeladen als im Leerlauf. Der einfache mathematische Zusammenhang zwischen dem Lastwinkel & und dem Drehmoment Ms der Synchronmaschine lautet: ^-sin^

[-]

(16.54)

MK

Ms MK 3

Drehmoment Kippmoment Lastwinkel

[Nm] [Nm] [-]

Hierin ist MK das beim jeweils eingestellten Laufer-Felderregerstrom IF maximal erzielte Drehmoment, das sogenannte Kippmoment. Ftir negative Werte des Lastwinkels 3 folgt aus (16.54) ein negatives, also dem Drehsinn entgegengerichtetes Drehmoment Ms. Diese Zuordnung (s. auch Abb. 16.14 und 16.15) kennzeichnet den generatorischen Betrieb der Maschine, bei dem die elektrische Maschine die sie iiber die Welle antreibende Turbine bremst. Mit zunehmender elektrischer Belastung (Energieentnahme) steigt das daftir erforderliche Drehmoment Ms bis zu M^ = MK, und damit vergroBert sich der Lastwinkel i9 bis zu 3= 3max = 3K = - nil, Wenn das abgeforderte Drehmoment das Kippmoment tibersteigt, wird auch der maximal zulassige Lastwinkel Uberschritten, was anschaulich als Uberdehnen der in Abb. 16.14b als „Gummiseile" gedachten magnetischen Feldlinien vorstellbar ist: Beim Uberschreiten des maximal erreichbaren Kippmomentes reiBen diese „Gummiseile", der umlaufende Laufer lauft nicht mehr synchron mit dem magnetischen Drehfeld des Standers, die Synchronmaschine „fallt auBer Tritt" und gerat in den KurzschluBzustand. Dabei flieBen sehr groBe KurzschluBstrome, und das resultierende Bremsmoment bricht zusammen, wahrend jetzt Starke, um den Nullwert pulsierende Ruttelmomente (s. Kapitel 16.5.7) Gehause, Fundamente etc. erheblich beanspruchen. Deshalb muB in diesem Fall die Energiezufiihr uber die Turbine sofort gestoppt werden, indem der WasserzufluB zur Turbine unterbrochen wird, damit der Maschinensatz aus Turbine und Generator nach dem Kippen nicht durch Uberdrehzahlen oder Durchgehen zerstort wird. Da Synchronmaschinen in der Kegel nicht von selbst anlaufen konnen, ist zur Wiederinbetriebsetzung nach jedem Stillstand oder KurzschluBzustand eine Synchronisation erforderlich, wie sie in Abschnitt 16.4.5 erlautert wird.

16 Elektrotechnische Ausrustung 16.4.3

615

Motorbetrieb

Wird die Standerdrehstromwicklung einer Synchronmaschine an ein symmetrisches Drehstrom-Netzspannungssystem angeschlossen, so versucht der mit Synchrondrehzahl risyn umlaufende, d. h. synchronisierte, erregte Laufer bei zunachst unbelasteter Welle dem durch das angelegte Drehspannungssystem vorgegebenen StanderdrehfluB mit ktirzest moglichen Feldlinien im Luftspalt zu folgen. Es liegt also zunachst wieder der Leerlauffall vor. Bei motorischer Belastung an der Welle, also bei Abbremsung der Welle durch eine angekuppelte mechanische Last, bleibt der Laufer um den Lastwinkel 3 hinter dem StanderdrehfluB zurtick (s. Abb. 16.14c). Die Luftspaltfeldlinien verlangem sich jetzt in umgekehrter Richtung, das Drehmoment Ms in (16.54) wu*d positiv. In Abb. 16.15 ist der Drehmomentenverlauf M^ iiber dem Lastwinkel 3 als Abschnitt einer Sinuskurve erkennbar.

>&

Abb. 16.15: Drehmomentenverlaufe uber dem Lastwinkel 3 Wird un motorischen Betrieb das Kippmoment und damit der maximal zulassige Lastwinkel uberschritten, bleibt die Synchronmaschine nach dem „Kippen" stehen und lauft auch nicht wieder an; es flieBen dabei sehr groBe KurzschluBstrome, das mittlere Drehmoment bricht wiederum zusammen, wahrend Gehause, Fundamente etc. - ahnlich wie beim „AuBer-Tritt-Fallen" des Generators, s. Kapitel 16.4.2 - mit hohen Riittelkraften beansprucht werden. 16.4.4

tFbergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten

Ein grundsatzlicher Vorteil elektrischer Maschinen besteht darin, daB sie wie vorstehend beschrieben in der Lage sind, ohne Umschaltung und ohne Umsteuerung kontmuierlich vom Generatorbetrieb iiber den Leerlauf in den Motorbetrieb iiberzugehen; je nachdem, ob sie von der Welle her angetrieben als Generator elektrische Energie erzeugen oder aus dem elektrischen Energienetz gespeist werden und

616

16 Elektrotechnische Ausrtistung

als Motor mechanische Energie Uber die Welle an eine, sie in diesem Fall bremsende, hydraulische Maschine abgeben. Hieraus erklart sich auch die hervorragende Eignung ein und derselben elektrischen Maschine, z. B. in Pumpspeicherkraftwerken abwechsebid als Generator oder als Motor zu arbeiten. Auch eine eventuelle Drehrichtungsumkehr ist problemlos, da seitens der Standerwicklung lediglich zwei der drei DrehstromnetzanschlUsse uber Schalter zu vertauschen sind, um die Umlaufrichtung des Drehfeldes und damit auch des Laufers umzukehren. 16.4.5

Synchronisation

Synchronmaschinen mtissen aus dem Stillstand bei Inbetriebnahme zunachst auf Synchrondrehzahl hochgefahren werden. Dies erfolgt in der Regel mit Hilfe der gekuppelten Turbine. Nur in Ausnahmefallen, z. B. beim Betrieb mit Drehrichtungsumkehr in Pumpspeicherkraftwerken mit sogenannten Pumpenturbinen (s. Kapitel 14.5.2), deren hydrauHscher Teil wahlweise in der einen Drehrichtung als Pumpe und in der anderen als Turbine arbeitet, werden besondere Anfahrhilfen wie elektrische Anfahrmotoren, Anfahr-Frequenzwandler, kleine Anfahrturbinen etc. benotigt. AnschlieBend an das Hochfahren mtissen Synchronmaschinen vor dem Verbinden mit dem Drehstromnetz auf dieses Drehstromnetz „synchronisiert" werden. Hierzu sind insgesamt vier Bedingungen einzuhalten: 1. Die Drehzahl des Laufers muB moglichst nahe bei der Synchrondrehzahl risyn liegen. 2. Der Laufererregerstrom Ip ist so einzustellen, daB die induzierte Standerspannung Ui betragsgleich mit der zuzuschaltenden Drehstromnetzspannung Ui ist. 3. Dieselbe zeitliche Aufeinanderfolge der /w = 3 einzelnen Strangspannungen der Drehspannung (Phasenfolge) ist entsprechend der des Netzes herzustellen. Bei falscher Folge sind zwei der drei Anschltisse der Maschine an das Netz miteinander zu vertauschen. 4. Beim zeitlichen Zusammenfallen der Momentanwerte, also bei gleicher Phasenlage der Maschinen- und Netzspannungssysteme, ist zuzuschalten. Die Maschine befindet sich dann im idealen Leerlauffall, d. h. die Spannungsdifferenzen zwischen Maschinen- und Netzspannung sind Null, die Standerwicklungen bleiben auch nach dem Zuschalten stromlos. Nach diesem Synchronisiervorgang befindet sich die Synchronmaschine zunachst im Leerlaufzustand. Sie kann nun wahlweise als Generator oder als Motor belastet werden. Um in den generatorischen Betrieb zu gelangen, wird der WasserdurchfluB durch die Turbine gesteigert; die Turbine Ubertragt dann mechanische Energie iiber die Welle an die Synchronmaschine, welche diese in elektrische Wirkenergie umwandelt und an das angeschlossene Netz abgibt. In den motorischen Betrieb gelangt die Synchronmaschine dadurch, daB sie beispielsweise durch eine Pumpe abgebremst wird, indem diese Pumpe mit Wasser befullt und mit der Leitung zu einem hohergelegenen Staubecken verbunden wird; die Synchronmaschine nimmt dann aus dem elektrischen Netz die zur Aufrechterhaltung der Synchrondrehzahl erforderliche Wu*kenergie auf und gibt sie uber die Welle als mechanische Energie an die Pumpe ab.

16 Elektrotechnische Ausrustung

617

Bei Asynchronmaschmen miissen hingegen nur die gleiche Frequenz und der gleiche Drehsinn gegeben sein, bevor man diese Maschine an ein Netz parallel schlieBen kann (s. Abschnitt 16.3.4). 16.4.6

Inselbetrieb

Im Falle des Liselbetriebes bei beispielsweise einzelnen Wasserkraftanlagen in einem Inselnetz oder bei einem netzunabhangigen Betrieb infolge Netzzusammenbruch etc. ist weder die Frequenz noch die Spannung konstant, und diese werden innerhalb des Inselnetzes sowohl von der Anzahl und GroBe der speisenden Generatoren als auch der angeschlossenen Verbraucher bestimmt. Synchronmaschinen sind in der Regel bei ausreichender Leistungsfahigkeit aufgrund der Konstruktion des Erregersystems gut dazu geeignet, ein Inselnetz vollig alleine zu versorgen, wobei die Betriebsfrequenz von Maschinendrehzahl und damit letztlich von der Turbinenregelung abhangig ist. Asynchronmaschinen sind dagegen nur in bestimmten Fallen fur den Inselbetrieb geeignet, wobei die Erregung dann mittels einer Kondensatorbatterie sichergestellt werden muB und spezielle Regler oder Umrichter vorhanden sein miissen. Fiir die Verbraucherseite ist von Bedeutung, daB beim Betrieb keine Blindleistung erzeugt wu-d und nur ohmsche Lasten versorgt werden konnen (s. Abschnitt 16.3.4). 16.4.7

Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb

Ein groBer Vorteil der Synchronmaschine besteht darin, den Erregerstrom Ip des Laufers stets so einstellen zu konnen, daB sich bei gegebenem Antrieb von der Welle (Generatorbetrieb) oder gegebener Last an der Welle (Motorbetrieb) ein Minimum der Maschinenstrome einstellt. Dabei besteht dann kerne Phasenverschiebung zwischen den Stromen und den Spannungen der Standerwicklungen, der Leistungsfaktor betragt also cos (p = 1 (reine Wirklast). Die meisten Verbraucher un Drehstromnetz wie Transformatoren, Asynchronmaschinen, Drosselspulen etc. benotigen aber nicht nur Wirkleistung, sondem zusatzlich sogenannte induktive Blindleistung als Magnetisierungsblindleistung. Daher besteht ein weiterer Vorteil der Synchronmaschine darin, durch Erhohen der Erregerstrome tiber den fiir den idealen Leerlauf oder fiir den reinen Wh-klastbetrieb erforderlichen Wert hinaus - durch sogenanntes tJbererregen - die im Netz zusatzlich benotigte Magnetisierungsblindleistung fiir Transfi)rmatoren (s. Abschnitt 16.2) sowie fiir Asynchronmaschinen (s. 16.3.4) etc. zu erzeugen (s. Kapitel 17.1). Verringert man umgekehrt den Erregerstromwert Ip unter den fiir idealen Leerlauf oder Wirklastbetrieb benotigten Wert, so nimmt dieselbe Synchronmaschine die gleichstromerregerseitig fehlende Magnetisierungsleistung als induktive Blindleistung aus dem Drehstromnetz auf. Im reinen Blindleistungsbetrieb wird eine Synchronmaschine ausschlieBlich zur Erzeugung von Blindleistung verwendet. Zwischen Stromen und Spannungen der Standerwicklungen besteht eine Phasenverschiebung von cp = 7i/2, der Leistungsfaktor cos 9 = 0 zeigt also, daB keine elektrische Wirkleistung aufgenommen oder

618

16 Elektrotechnische Ausriistung

abgegeben wird. Auch uber die Welle wird keine mechanische Leistung aufgenommen oder abgegeben, das iiber die Welle ubertragene Drehmoment ist Null, der Lastwinkel betragt i9 = 0. 16.4.8

Reluktanzbetrieb

Die Synchronmaschinen mit ausgepragten Polen sind sogar in der Lage, vollig ohne Gleichstromerregung, d. h. bei IF=0, im Synchronlauf mit n = risyn ein sogenanntes Reluktanz- oder Reaktionsmoment Mr auszubilden. Es entsteht aufgrund der Differenz der unterschiedlichen magnetischen Leitfahigkeiten unter der Polmitte (minimaler Luftspalt, d. h. groBter Leitwert) und in der Mitte der Lucke zwischen zwei benachbarten Polen (maximaler Luftspalt, d. h. geringster Leitwert). Dieses Reluktanzmoment Mr hangt vom doppelten Wert des Lastwinkels ab: Mr

Mr,,

MK

MK

'sm2^

[-]

(16.55)

[Nm] Mr Reluktanz- oder Reaktionsmoment Mrtnax Maximalwert des Reluktanzmomentes [Nm] Der Maximalwert des Reluktanzmomentes Mr^max hegt etwa bei 10 % ± 5 % des Kippmomentenwertes MK bei voller Nennerregung. Das resultierende Drehmoment Msyn der Synchronmaschine ergibt sich damit zu: M^ = sm&^ML^^.sm2^ MK

[-]

(16.56)

MK

Msyn resultierendes Drehmoment der Synchronmaschine

[Nm]

Der Verlauf des Drehmoments in Abhangigkeit vom Lastwmkel 3 ist in der Abb. 16.15 dargestellt. 16.4.9

Belastungsgrenzen der Synchronmaschine

Die vier Betriebszustande der Synchronmaschine Motor- und Generatorbetrieb sowie Uber- und untererregter Blindleistungsbetrieb stellen sich am iibersichtlichsten im Vierquadrantendiagramm der Standerstrangstrome gemaB Abb. 16.11b dar. Als BezugsgroBe dient die Standerstrangspannung f/y, deren Zeitzeiger wie iiblich in Ordinatenrichtung weist. Zum Vergleich ist in Abb. 16.11a dieses Diagramm fur Asynchrongeneratoren dargestellt, auf das im Abschnitt 16.3.4 naher eingegangen wird. Die Belastungsgrenzen sind flir den tibererregten Phasenschieberbetrieb durch die Laufergrenzerwarmung, d. h. durch den thermisch maximal zulassigen Erregerstrom /F/WOX , als Kreisbogen 1 des ublichen Kreisdiagramms der Synchronmaschine gegeben. Daran schlieBt sich als Standergrenzerwarmung der Kreisbogen 2 mit dem thermisch maximal zulassigen Standerstrom lirmvc um den Koordinatenursprung an. Die beiden anderen Kurven 3 und 4 geben die Sicherheitsabstande vom statischen Kippwinkel (s. Abb. 16.15) und von dem absoluten Mindestwert des Kippmomentes an.

16 Elektrotechnische Ausrtistung

619

Eine Begrenzung ftir den untererregten Arbeitsbereich (Kurven 3a/b) kann auch durch die Erwarmung der Standerpaketenden infolge von Zusatzverlusten gegeben sein. Bedeutsam ist dieser Effekt insbesondere bei den niederpoligen Grenzleistungsgeneratoren (s. Kapitel 21.4.2.6). 16.5

Bemessung von Wasserkraftgeneratoren

Das erforderliche elektromagnetisch aktive Volumen, gebildet aus den Volumina des stromftihrenden Wicklungskupfers und der magnetfluBfiihrenden Eisenpakete, wird in erster Linie vom elektromagnetisch erzeugten, sogenannten inneren Drehmoment Mi bestimmt: Mi =kj''¥'i

= kj'^'W'i = k2'^'e

[Nm]

Mi inneres Drehmoment kj^ k2 Konstanten 0 Durchflutung

(16.57) [Nm] [-] [A]

Bei zylindrischen Laufem errechnet sich der FluB O, der das aktive Eisenvolumen der Maschine bestimmt, aus dem Integral der magnetischen Induktion B iiber die Zylindermantelflache in Polarkoordinaten zu: 0 =—L'[B'da

[Vs]

(16.58)

0

D L B

Lauferdurchmesser Lauferlange magnetische Induktion

[m] [m] [VsW]

Die Durchflutung 0 erhalt man aus dem Integral des Strombelages A iiber den Zylinderumfang: ©=| . p . r f a =| . | ^ : ^ . . / a 0

A

[A]

(16.59)

0

Strombelag

[A/m]

Die Durchflutung S bestimmt den Aufwand an elektrischem Leitermaterial (Kupfer) der Maschine. Multipliziert man nach Einsetzen von (16.58) und (16.59) in (16.57) das elektromagnetisch am Lauferumfang erzeugte, sogenannte innere Drehmoment Mj mit der mechanischen Winkelgeschwindigkeit /2 (16.51), so erhalt man die innere Leistung Pi zu: 2n

Pi=2"K'D'n'Vz'

\B{a)'A{a)'da

[W]

(16.60)

0

Pi innere Leistung [W] n Drehzahl [s'^] Vz Laufervolumen [m^] Jede Energiewandlung ist mit Verlusten verbunden, die als Warme anfallen und an ein geeignetes Kiihhnedium abgeftihrt werden mtissen. Bei etwa gleichbleiben-

620

16 Elektrotechnische Ausrustung

der magnetischer Induktion B, die durch die Eisensattigung begrenzt ist, und zunachst gleichbleibendem Strombelag A wurden die elektromagnetisch erzeugten Verluste ebenfalls mit dem Laufervolumen: Vz=-'L'D' =-'X'D' [m^] (16.61) 4 4 anwachsen. Sie nehmen also bei geometrisch ahnlichen Maschinen, d. h. bei konstantem Lange-Durchmesser-Verhaltnis: X = IL = const. [-]

(16.62)

proportional zur 3. Potenz des Lauferdurchmessers zu. Zur Warmeabgabe steht aber zunachst nur die Oberflache: Af

[m^]

=n'D^

(16.63)

2) X Lange-Durchmesser-Verhaltnis [-] Ap Oberflache des zylindrischen Laufers [m^] des zylindrischen Laufers zur Verfugung, die nur mit der 2. Potenz des Durchmessers wachst. Hieraus wu-d die sich mit zunehmender MaschmengroBe verscharfende Diskrepanz zwischen der Hohe der entstehenden Maschinenverluste und der verfiigbaren KUhloberflache deutlich. 16.5.1

Kuhlung

Wasserkraftgeneratoren werden in der Kegel mit Luft gekuhlt. Die dabei abzufiihrenden Verlustleistungen sind betrachtlich - bei groBen Generatoren bis zu einigen MW - und daher sind auch die fur den Warmetransport benotigten Luftmengen groB. Um einen unmittelbaren Austausch der erwarmten Kiihlluft mit der Umgebung zu vermeiden, wird bei groBeren Generatoren ein geschlossener Luftkreislauf mit Ruckkiihlung der Luft in emem Luft-Wasser-KUhler (Kiihlerart CA-CW = Cooling Air - Cooling Water) verwendet. Die geschlossene Ausfuhrung hat gegeniiber der DurchzugsbelUftung auBerdem den Vorteil einer wirksameren Schalldammung. Bei Generatoren mit sehr groBer Leistung wird haufig die du-ekte Wasserktihlung angewendet. Gangige Praxis ist es, die isolierten Teilleiter eines Wicklungsstabes teilweise oder ganz als Hohlleiter auszufuhren. Zur Sicherstellung der Spannungsfestigkeit muB nicht nur die elektrische Leitfahigkeit des Wassers auf niedrigem Niveau gehalten werden, sondem es miissen auch die Wasserverbindungen zwischen den zentralen Ringleitungen und den hochspannungsfuhrenden Standerwicklungsstaben aus Isoliermaterial (z. B. Teflonschlauchen) bestehen. Da Wasser ein wesentlich wirksameres KUhlmittel als Luft ist und da im Unterschied zur indirekten Kiihlung mit Luft das Kiihhnittel unmittelbar an die zu kiihlenden Telle herangefiihrt wird, kann ein groBerer Strombelag gewahlt werden. Dies hat wiederum zur Folge, daB das Leistungsgewicht gesenkt und die maximal ausflihrbare Generatorleistung (Grenzleistung) gesteigert werden konnen (s. Kapitel 16.5.5).

16 Elektrotechnische Ausrustung

621

Bei langsam laufenden Wasserkraftgeneratoren findet man direkt wassergekiihlte Maschinen bei Leistungen oberhalb etwa 600 MVA, wobei dann nur die Standerwicklung wassergekiihlt ist. Die Grenzleistung der niederpoligen, also schnellaufenden Generatoren liegt tiefer, deshalb lassen sich bei diesen schon ab etwa 300 MVA Vorteile aus der Wasserkiihlung ziehen. Diese Generatoren sind meist voll wassergekuhlt, d. h. auch die Erregerwicklung und das Standerblechpaket sind an den Wasserkreislauf angeschlossen. Ein besonderes Augenmerk mul3 immer auf die rotierende Dichtung fur die Kiihlwasserzu- und ableitung des Laufers gelegt werden. Zum Wasserkreislauf gehort stets eine Reinwasseraufbereitungsanlage, die nicht nur fiir die niedrige Leitfahigkeit des Wassers sorgt, sondem durch eine geeignete Konditionierung auch dafur, daB DurchfluBbehinderungen durch Schwebstoffbildung in den Hohlleitem moglichst vermieden werden. Fur die RlickkUhlung des Ktthlwassers sind Wasser-Wasser-Kuhler (CW-CW) ublich. Die von den elektrischen Maschinen (Generatoren, Transformatoren) abgegebene Warme kann fur die Beheizung der Maschinenhalle und der Betriebsraume, aber auch zur Warmwasserbereitung bis hin zur Femheizung von Wohnungs- und Industriegebauden nahe der Wasserkraftanlage Verwendung finden (s. a. Kapitel 13.1.1). 16.5.2

Einbau und Anordnung

Elektrische Maschinen fonktionieren unabhangig von ihrer Einbaulage und konnen so den Gegebenheiten der sie antreibenden Turbinen, mit denen sie direkt gekoppelt sind, sehr gut angepaBt werden. Sie werden daher je nach den hydraulischen und baulichen Gegebenheiten mit horizontaler, vertikaler oder geneigter Wellenausfuhrung gebaut und montiert (s. Abb. 16.16, 15.1 bzw. 15.7). Die sogenannten Rohrgeneratoren sind Einbaugeneratoren, die direkt in die unter dem Wasserspiegel befindlichen Gehause von Rohrturbinen eingebaut und mit diesen Turbinen unmittelbar gekuppelt sind (s. Abb. 15.3). Die Generatorenlager und die Standerbefestigung miissen die Krafte, die aus Eigengewichten, Drehmomenten und Schwingungen resultieren, schadlos aufnehmen und in die Fundamente ableiten. Diese komplexe Grundung spiegelt sich in speziellen Einbau- und Verankerungsplanen wider, die in Zusammenarbeit mit dem jeweiligen Lieferanten entwickelt werden miissen. Dabei sind bei der Bestimmung der Krafte die unterschiedlichen Betriebs- und Storfalle sowie eine von der Bauform abhangige Aufteilung zu beriicksichtigen. In Abb. 16.17 ist exemplarisch die Lager- und Fundamentbelastung am Beispiel einer bei sehr groBen Maschinen gebrauchlichen Bauform mit einem Fiihrungslager oben und einem kombinierten Trag- und Filhrungslager unten schematisch dargestellt. In Achsrichtung wirken getrennt auf jedes Bauteil die Eigengewichte des Laufers zuziiglich der Achslast durch die Turbine und die des Standers. Sehr groBe Krafte in tangentialer Richtung werden von den bei StoBkurzschliissen und Fehlsynchronisationen auftretenden StoBmomenten verursacht (s. Ende des Abschnittes 16.5.7), die von der Standerbefestigung abgetragen werden miissen. Radial wirken auf die Lager Unwuchtkrafte und in geringem MaBe eine einseitige magnetische Zugkraft, soweit sie auf nie ganz vermeidbare, in Grenzen zulassige

622

16 Elektrotechnische Ausrustung

Formungenauigkeiten des Luftspaltes zuruckzufuhren ist. Im Standeraufbau sind Radialkrafte aus thermischen Dehnungen zu beachten. Betrachtliche Radialkrafte greifen an Stander und Laufer an, wenn eine Halfte der Erregerwicklung infolge eines Doppelerdschlusses, der aber wegen geeigneter SchutzmaBnahmen auBerst selten auftritt, kurzgeschlossen ist. Hierbei findet kein Ausgleich der radial auf die Standerbohnmg und die Poloberflachen gerichteten magnetischen Zugkrafte mehr statt. .'^^^ <3^^1\^ Reinwasserringrohrleitung für Ständerwicklung, Zu- und Abfluß

Ständerwicklung (wassergekühlt) Schleifringe

Radiallager

komb. Axial-Radiallager

Turbinenseite

Pumpenseite

Welle Sternpunktklemmen Zusatzlüfter für Ständerrandzonen Lüfter für Läuferkühlung Warmluftkammer Luftkühler

3cSr Windschirm Pol Jochring (Blechkette) geräuschmindernde Kapselung

..<5cS^V^^.«.^*^

Rohwasserleitungen für Luftkühler

A

Ableitungsklemmen

Sternpunktklemmen

Abb. 16.16: Synchronmaschine als Wasserkraftgenerator, Aufbau mit horizontaler Achse, axialer und radialer Schnitt (Pumpspeicherkraftwerk Wehr; G = 623 t) [16.9]

16 Elektrotechnische Ausriistung

623

Abb. 16.17: Lager- und Fundamentbelastung bei einem Wasserkraftgenerator in vertikaler Bauform mit prozentualer GroBenangabe der Krafte, bezogen auf das Generatorgesamtgewicht

16.5.3

Lauferarten

Wasserkraftgeneratoren haben als Langsamlaufer vergleichsweise groBe Durchmesser und erreichen auf diese Weise insbesondere im unteren Polzahlbereich (Polzahl 2p = 6 bis 2p= 10) hohe Umfangsgeschwindigkeiten. Deswegen werden in diesem Bereich massive Tragkorper entsprechender Festigkeit zum Befestigen der ausgepragten Einzelpole verwendet. Aus Transportgrtinden ist es mitunter erforderlich, diese Tragkorper zwei- oder dreifach zu unterteilen. Hoherpolige Laufer werden deshalb als sogenannte Blechkettenlaufer aus festen Blechen (z. B. aus ST70-Stahl) von 3 bis 5 mm Starke aufgebaut, an denen die in der Regel ebenfalls geblechten Einzelpole fliehkraftgesichert befestigt werden. Neben ihrer gleichstromdurchflossenen isolierten Erregerwicklung sind diese Einzelpole mit unisolierten Dampferwicklungen zur Dampfung von Lastwinkelschwingungen sowie von elektrisch unsymmetrischer und nichtsinusformiger (verursacht durch Verbraucher mit Stromrichtem) Belastung ausgestattet. 16.5.4

Erregereinrichtungen

Wahrend frtiher die Erregerwicklungen des Laufers Uber Schleifringe aus Gleichstromgeneratoren gespeist wurden, wird heute der jeweils benotigte Gleichstrom nahezu ausschlieBlich aus statischen Erregereinrichtungen in Zusammenwirken mit einer kleinen, auf der Generatorwelle angeordneten Erregermaschine geliefert (s. Abb. 16.18a). Ftir das netzunabhangige Anfahren der Maschinen in Notfallen sind ausreichend dimensionierte Batterien bzw. Aggregate vorzuhalten (s. Kap. 16.6.3). Diese statischen Erregereinrichtungen bestehen aus einer steuerbaren Drehstromgleichrichterbrticke, die aus dem stets vorhandenen Drehstromnetz gespeist wird. Die Regelung erfolgt entsprechend dem Netzbedarf und automatisch lastabhangig mittels der Erfassung der Istwerte der Generatorbelastung.

624

16 Elektrotechnische Ausrtistung 40

4 C [kVAmin/m³]

20

wassergekühlt^

10 8 6 Turbine

luftgekühlt

4

2 10

2

10

10

4

10 PS/2p [kVA]- 10

5

Abb. 16.18: a) Statische Erregereinrichtung; b) Ausnutzungsziffer C von Wasserkraftgeneratoren in Abhangigkeit von der Scheinleistung je Pol 16.5.5

Dimensionierung

Einen raschen (Jberblick iiber die GroBenordnung eines Wasserkraftgenerators erhalt man iiber die sogenaimte Essonsche Ausnutzungsziffer C. Sie ist dem fiir die MaschinengroBe maBgeblichen inneren Drehmoment Mi (16.57) proportional. Sie errechnet sich definitionsgemaB aus der inneren Leistung P, (16.60), wenn man diese nach Einsetzen von (16.61) durch die Drehzahl n und den dem Laufervolumen proportionalen Faktor L D^ dividiert: C=

^

= - • f 5 ( a ) • ^ ( a ) • da

[kVAmin/m^]

(16.64)

C Essonsche Ausnutzungsziffer, s. Abb. 16.18b [kVAmin/m^] Die Esson-Zahl C ist in Abb. 16.18b uber dem Logarithmus der Generatorleistung je Pol dargestellt. Ihr groBer Vorteil besteht darin, daB sie sich fur eine gegebene Maschinenart iiber einen weiten Leistungsbereich nur wenig andert. Da man die elektrischen Maschinen stets bis an die Grenze der etwa konstanten Eisensattigung ausnutzt, ist der erste Faktor B in (16.64) etwa konstant. Der zweite Faktor, der Strombelag A, hangt von der Intensitat der Warmeabfiihr, d. h. von der Kiihlung ab. Sind die Synchrondrehzahl risyn, die Netzfrequenz / und damit die Polzahl 2p nach (16.49) sowie die Generatorleistung P, gegeben, so erhalt man mit der aus Abb. 16.18b abgelesenen Esson-Ziffer C aus (16.64) mit (16.62) den erforderlichen Lauferdurchmesser: D=s

Pi

[m]

(16.65)

risyri-X'C

Zur ersten Orientierung im Rahmen der Vordimensionierung kann hierbei das Lange-Durchmesser-Verhaltnis >. = 0,35 eingesetzt werden. Insgesamt bewegt sich X je nach Ausfuhrungsart des Wasserkraftgenerators iiblicherweise im Bereich 0,35 + 0,15; durch geeignete Wahl von X kann ein den ortlichen Einbauverhaltnissen angepaBter Generator gewahlt werden.

16 Elektrotechnische Ausrtistung

625

Natiirlich konnen die unteren Werte bei extrem hohen WasserkraftgeneratorPolzahlen noch unterschritten und die oberen Werte bei niedrigen Polzahlen iiberschritten werden. uu -

11 11 1 1 spez, Leistungsgewich t ^j I s

• 2p = 6 A 2p = 24

•2p=10

A2p=12

o 2p = 28

•2p=14

+ 2p = 30

o2p=18

x 2p = 44

x 2p = 60

a2p = 20 A

2p = 66

+

10

^ ^ •^x

o

«

i A

a • •

• Scheinleistung pro Pol [kVA]

1 1LJU LLL

1 100

Abb. 16.19: Leistungsgewichte von Drehstrom-Synchronmaschinen als Wasserkraftgeneratoren (Beispiele) Die GroBenordnung der Gesamtmasse des Generators (Stander und Laufer) erhalt man durch Multiplikation des auf die Scheinleistung bezogenen spezifischen Leistungsgewichts mit der gewUnschten Scheinleistung. In Abb. 16.19 sind beispielhaft die spezifischen Leistungsgewichte einiger Wasserkraft-Synchrongeneratoren dargestellt. Diese steigen mit zunehmender Polzahl 2p, da die Maschinen dann langsamer laufen. Die Leistungsgewichte sinken mit zunehmender GroBe des Generators. Auch durch die zunehmend verbesserte elektromagnetische Ausnutzung sowie durch geeignetere Werkstoffe und eine effizientere KiUilung konnen immer niedrigere Leistungsgewichte erreicht werden. Die Wirkungsgrade von Synchronmaschinen als Wasserkraftgeneratoren liegen meist bei tiber 98 %. Lediglich bei kleinen Maschinen treten auch Wirkungsgrade von unter 90 % auf. 16.5.6

Durchgangsdrehzahl

Zu den Besonderheiten der Wasserkraftgeneratoren gehort das unvermeidbare Auftreten von vorubergehenden Uberdrehzahlen, dem Durchgehen, da sich der WasserzufluB bei plotzlichem Generatorlastabwurf (oder KurzschluB) aus hydromechanischen Griinden nicht innerhalb kiirzester Zeit abstellen laBt. Daher wird zur Abnahme von Wasserkraftgeneratoren der Nachweis des Bestehens eines Schleuderversuchs mit der jeweils geforderten Durchgangsdrehzahl (z. B. mit kd= 1,8-2,0, s. Kapitel 14.2.6.2) verlangt. Aus Festigkeitsgrunden werden Wasserkraftgeneratoren der Polzahlen 6, 8 und 10 mit Massiveisenlaufem ausgefahrt,

626

16 Elektrotechnische Ausrustung

da sie im Vergleich zu hoherpolzahligen Generatoren recht schnell laufen, und damit recht hohe Umfangsgeschwindigkeiten (s. Abschnitt 16.3.3) und hohe Fliehkrafte entstehen. Ihre Transportierbarkeit, d. h. das Einhalten des Bahnprofils beim Bahntransport bzw. der Durchfahrtshohen von Unterfuhrungen, Tunnels etc. beim StraBentransport sind bereits vor der Bestellung eines Generators zu iiberprufen, da Massivlaufer im Gegensatz zu den bereits erwahnten Blechkettenlaufem nicht erst am Aufstellungsort zusammensetzbar sind. 16.5.7

KurzschluBfestigkeit

Elektrische Maschinen und Transformatoren miissen so konstruiert und gefertigt sein, dafi sie im Verlauf ihrer Betriebszeit mehrere plotzliche Kurzschlusse, die sogenannten StoBkurzschlusse, unbeschadet iiberstehen konnen. Physikalisch handelt es sich sowohl bei den Transformatoren als auch bei den Generatoren um denselben Vorgang. Die normalerweise im geblechten Eisenteil des Transformators bzw. Synchronmaschinenstanders bzw. Laufers auBerst energiearm verlaufenden Wechsel- und Drehfltisse werden im KurzschluB unter ungeheurer Blindenergieaufiiahme in die betreffenden Streuraume verdrangt: Bei Transformatoren im wesentlichen in die Streuspaltraume zwischen Primar- und Sekundarspule, bei Generatoren in erster Linie in den Luftspaltraum zwischen Stander und Laufer. Da es sich vorwiegend um eine KurzschluBblindenergie handelt, bricht der Wirkenergieumsatz im KurzschluB auf einen Bruchteil seiner voUen Leistung, namlich auf die Wicklungsverlustenergie, zusammen. Damit ein zuvor mit Wirkleistungsabgabe belasteter und mit dementsprechender Wirkleistung angetriebener Generator beim plotzlichen Lastmomentenverlust im KurzschluB nicht durchgeht, muB die Energiezufiihr seitens der Turbine so schnell wie moglich unterbunden werden. Auch wenn der zeitliche Mittelwert des Drehmomentes beim KurzschluB stark zuriickgeht, treten insbesondere unmittelbar nach KurzschlieBen der Generatorstanderwicklung vorubergehend sehr hohe Stromamplituden und Ruttelmomente auf. Sie beanspruchen die kurzgeschlossenen Wicklungen, das Blechpaket, das Gehause, die Fundamente sowie die Laufer von Generator und Turbine, deren Wellen, Kupplung etc. mit Strom- und Momentenspitzen, die am Entstehungsort eine Zehnerpotenz tiber den ublichen VoUastbeanspruchungen liegen. Alle genannten Teile mussen so dimensioniert sein, daB der Maschinensatz mehrere StoBkurzschltisse im Laufe seiner Betriebsdauer unbeschadet tibersteht (s. (16.66)). Die erwahnten Strom- und Momentenspitzen sind physikalisch durch sogenannte Ausgleichsvorgange bedingt und konnen prinzipiell nicht vermieden werden. Bei plotzlichem drei- oder zweistrangigem KurzschluB wird der ursprtingliche DrehfluB des Generators schlagartig zu einem stillstehenden GleichfluB, der einen entsprechenden Gleichstromanteil in dem ihn festhaltenden kurzgeschlossenen Standerwicklungsteil zur Folge hat. Erst die LFberlagerung der Gleich- und Wechselstromanteile des Standerstromes ergeben die maximalen Strom- und Drehmo-

16Elektrotechnische Ausrustung

627

mentenamplituden. Die hochste sogenannte StoBmomentenspitze Mstofi, bezogen auf das Nenndrehmoment M^^bei den verschiedenen KurzschluBarten, betragt: Mstofi

M^ Mstofi MM UN

X" ZM

^1,3-

( U \

1

[uj

{x'lz^)

[-]

StoBmoment Nenndrehmoment Nennspannung Subtransientreaktanz Nenn-Scheinwiderstand

(16.66) [Nm] [Nm] [V]

Die Subtransientreaktanz X'' ist der fiir stoBartige Lastanderungen, d. h. im Storfall maBgebliche Innenwiderstand der Synchronmaschine. Als (X'7Zj^) auf den Nenn-Scheinwiderstand der Maschine bezogen betragt ihre GroBe 0,15-0,20 und ist zwecks Begrenzung des StoBmomentes als jeweiliger Bestellwert vom Hersteller des Generators zu garantieren. Die fur die Schalterbemessung etc. wichtige StoBstromspitze Istofi, bezogen auf den Nennstrom 7;^, betragt:

^-^^l8-42-

^

^^^ [-]

(16.67)

und der auf den Nennstrom l^i bezogene DauerkurzschluBstrom IK ist: IK

IN

1 \XjlZff)

U

[-]

(16.68)

^stofi StoBkurzschluBstrom [A] IN Nennstrom [A] Ijc KurzschluBstrom [A] Xd Synchronreaktanz [Q] wobei Xd die Synchronreaktanz als Innenwiderstand des Generators unter ublichen Betriebsbedingungen darstellt sowie (Xd/Z]^ deutlich groBer als die obengenannte bezogene Subtransientreaktanz (X^/Z^) ist und ebenfalls bei der Generatorbestellung fest vereinbart und eingehalten werden muB. Die wesentlichen Anteile der StoBkurzschluBstrome htofi und StoBkurzschluBmomente Mstofi verlaufen zeitlich mit der Netzfrequenz; insbesondere beim zweistrangigen KurzschluB sind Anteile der doppelten Netzfrequenz enthalten. Die in der ersten Halbperiode nach KurzschluBeintritt hochste Strom- bzw. Momentenspitze wu*d im weiteren Verlauf durch die Wicklungsverluste des Generators auf die sehr viel kleineren, dem DauerkurzschluBstrom 1^ entsprechenden Werte gedampft. Die auf Nennstrom 7;^ bezogenen DauerkurzschluBstrome IK liegen bei Nennerregung etwa bei dem 1,5- bis 2fachen Nennstromwert 7^^. Dies entspricht gemaB (16.68) Synchronreaktanzwerten von 0,7-1,5, bezogen auf den NennScheinwiderstandswert Z^v. Bei Transformatoren liegen die Verhaltnisse etwas einfacher. Ihr DauerkurzschluBwert ist durch die sogenannte KurzschluBspannung t/^, die - bezogen auf

628

16 Elektrotechnische Ausrustung

den Nennspannungswert U^ - im wesentlichen der Streureaktanz XK entspricht, bestimmt: U ] ^NL/O

(UK/U^)

[UJ

1

I U^

(ZK/Z^)

[UJ,

[-]

(16.69)

UK KurzschluBspannung [V] ZK KurzschluBimpedanz [Q] und die Amplitude des auf den Nennstrom 7;^^ bezogenen StoBkurzschluBstromes ^stofi betragt beim Transformator: ^Istofi^ . h

, . rr ^18-42'-

JTrafo

1 U —r--— [ZK/ZN)

[-]

(16.70)

UN

Im Gegensatz zum Generator tibt der kurzgeschlossene Transformator nur innere Wicklungskrafte, aber keine zusatzlichen Fundamentbeanspruchungen aus. Zusammengefafit bedeuten die KurzschluBvorgange in Generatoren: 1. Im KurzschluB entsteht ein mit Netzfrequenz um den Nullwert schwankendes Drehmoment. Erfolgt der StoBkurzschluB, was haufig der Fall ist, nur zwischen zwei Strangen, kommt eine Drehmomentpulsation mit doppelter Netzfrequenz hinzu. Der Maximalwert des StoBmomentes liegt bei alien KurzschluBarten etwa um eine Zehnerpotenz hoher als das Nennmoment. Dieser auBerordentlich hohen Beanspruchung hat die Bemessung von Gehausen, Fundamenten und des Wellenstranges Rechnung zu tragen. Da der Generator wegen seines notwendigerweise sehr kleinen Standerwiderstandes bei weitem kein ausreichendes Bremsmoment erzeugt und zudem der Generatorschutz wirksam wird, droht die Turbine wie beim plotzlichen Lastabwurf durchzugehen. 2. KurzschluBartig verlauft auch der Vorgang einer Fehlsynchronisation, wenn die in Kapitel 16.4.5 beschriebenen Bedingungen beim Zuschalten verletzt werden. Die StoBmomente konnen bei bestimmten ungtinstigen Schaltzustanden noch extremere Werte annehmen.

16Elektrotechnische Ausriistung 16.6

629

Aufbereitung und Verteilung der Drehstromenergie

Symmetrische Drehstromsysteme mit m = 3 Strangen, deren Spannungsverlaufe in Bild 16.9 dargestellt sind, haben folgende Vorteile: 1. Da sie sich aus Wechselspannungen und Wechselstromen zusammensetzen, sind sie transformierbar, ihre Sparmungsebene ist also leicht den Erfordernissen von Erzeugung, Transport und Verbrauch der Energie anpal3bar. 2. Aufgrund der zeitlichen Versetzung der unvermeidbaren Nulldurchgange der Strang-Wechselstrome, -Spannungen und -Leistungen addieren sich die drei Strangleistungen zu einer zeitlich konstant verlaufenden Wu*kleistung (wie eine Gleichstromleistung): p^=P^=3'U'I'Cos^> Py^, Py^,

= const. [W]

Wirkleistung, Momentanwert Wirkleistung, zeitlicher Mittelwert

(16.71) [W] [W]

3. Da sich in symmetrischen Drehstromnetzen die Momentanwerte der 3 Strangsparmungen bzw. der 3 Strangstrome jederzeit zu Null addieren, kann ein vierter Leiter als Ruckleiter entfallen. Die den 3 Strangspannungen nach dem Induktionsgesetz entsprechenden magnetischen Fliisse addieren sich ebenfalls jederzeit zu Null, wodurch auch beim Transformator der vierte Schenkel, der sogenannte RiickschluBschenkel, entfallen kann. Wahrend z. B. in den USA durchaus 3 Einphasentransformatoren in modularer Bauweise zu einem Dreiphasen-Transformator kombiniert werden (s. Abb. 16.20a), wird in Europa die integrierte Bauweise beispielsweise als DreiSchenkel-Transformator (s. Abb. 16.20b) oder zur weiteren Reduzierung der Bauhohe als Fiinf-Schenkel-Transformator (s. Abb. 16.20c) ausgefuhrt. 4. Das Drehstromsystem ist das einzige, das mit nur 3 gleichen Leitem eine zeitlich konstante Leistung Ubertragen kann. Ein symmetrisches Zweiphasensystem, dessen beide Phasen um 90° gegeneinander verschoben sind, benotigt auch mindestens 3 Leiter, von denen der dritte jedoch mit um den Faktor V2 hoheren Stromen als die beiden anderen Leiter belastet wird. Ein Einphasensystem besitzt zwar nur 2 Leiter, kann aber wegen der naturgemaBen Nulldurchgange von Strom und Spannung nur eine zeitlich pulsierende, d. h. nicht konstante Leistung iibertragen. Zu beachten ist, daB infolge der zeitlichen Versetzung der Spannungen um je 120° bei StoBkurzschlUssen stets in einem der 3 Strange der Zeitpunkt des Kurzschlusses nahe dem ungunstigsten Schaltzeitpunkt liegen wird, wahrend er in den beiden iibrigen Strangen zwangslaufig gunstiger liegt. D. h. aufgrund dieser Unsymmetrie werden auch in zuvor symmetrisch betriebenen Drehstrommaschinen stets m einem ihrer 3 Strange die zuvor nur fur Einphasenbetrachtung hergeleiteten StoBkurzschluB-Stromspitzen und Momentenpendelungen auftreten.

630

16Elektrotechnische Ausriistung

16.6.1

Leistungsbilanz und Wirkungsgrad

Die an das Netz abgegebene Wirkleistung in einem Dreiphasensystem Pei ergibt sich mit der Spannung an dem Wicklungsstrang einer Phase (Strangspannung) Ustrang und dem jeweiligen Strangstrom htrang aus (16.22a) zu: Pel=S'

Ustrang ' I Strang ' COS (p

[W]

(16.72a)

Oder mit der Spannung Uau^en zwischen zwei AuBenleitem ( K l e m m e n ) u n d d e m Strom Iieiter ^ einem AuBenleiter zu: Pel=4S'

Uaufien ' I Letter ' COS 9

[W ]

(16.72b)

Pel Wirkleistung in einem Dreiphasensystem [W] Ustrang Strangspannung [V] Uaufien AuBenleitcrspannung [V] ktrang Strangstrom [A] heiter AuBenleitcrstrom [A] Die Differenz zwischen der vom Generator aufgenommenen, d. h. auf der Welle verfugbaren mechanischen Leistung P^ech (s. Kapitel 14.2.1) und der abgegebenen Leistung entspricht den Gesamtverlusten im Generator und damit dem Generatorwirkungsgrad: riG=-^

[-]

(16.73)

7]G Generatorwirkungsgrad [-] Pmech mechanischeLeistungauf der Welle [W] Der Generatorwirkungsgrad bewegt sich in der Regel im Bereich von 96-98 %, wobei dieser bei wassergekiihlten Maschinen meist an der oberen Grenze liegt und ein besseres Teillastverhalten aufweist. Um einen hohen Generatorwirkungsgrad zu erreichen, ist der Betrieb dahmgehend zu optunieren, daB der Leistungsfaktor cos (p moglichst nahe bei 1 - meist leicht induktiv bei cp = 0,90-0,95 - gehalten wird. 16.6.2

Transformatoren

Wegen der relativ geringen verfugbaren Isolationsabstande innerhalb der Maschinengehause werden Wasserkraftgeneratoren nur flir Spannungen bis ca. 30 kV m konventioneller Bauweise ausgeflihrt (s. a. Kapitel 16.3.6.2). Vom Generator wird in diesem Fall die Energie Uber isolierte Leitungen zum moglichst nahe stehenden Transformator abgefuhrt. Zur material- und verlustsparenden Fortleitung der elektrischen Energie wu-d die dreiphasig erzeugte Generatorenergie in Drehstromtransformatoren (s. Abb. 16.20a bis c) auf sehr hohe Spannungswerte heraufgesetzt. Diese symmetrischen Drehspannungs- bzw. Drehstromsysteme bestehen aus m = 3 gleich groBen Wechselspannungen bzw. -stromen, wobei diese 3 Wechselspannungen bzw. -strome um je 120° gegeneinander phasenverschoben sind und die Aufeinanderfolge (Phasenfolge) der 3 Spannungen und 3 Strome dieselbe ist. Dadurch bildet sich in alien 3 Strangen entsprechend der symmetrischen Dreh-

16 Elektrotechnische Ausrustung

631

stromlast stets der untereinander gleiche Phasenwinkel cp zwischen den zusammengehorigen Spannungen und Stromen eines Strangs heraus.

Abb. 16.20: Drehstromtransformator: a) aus drei Einphasenkem-Transformatoren; b) in Drei-Schenkel-Bauform mit Scheibenspulen; c) als Funf-Schenkel-Transformator mit Rohrenspulen

Im Hinblick auf ihre gute Transportierbarkeit durch eine geringe BaugroBe werden Leistimgstransformatoren fur Wasserkraftgeneratoren groBerer Leistung nach wie vor mit speziellen, elektrisch gut isolierenden Transformatorolen gekiihlt. Diese werden in angebauten Luft- oder Wasserkiihlem rtickgekiihlt. Zwischenzeitlich wurden an besonders brandgefahrdeten Aufstellungsorten und fur kleinere Leistungen Transformatoren mit nicht brennbaren, synthetischen Transformatorflussigkeiten wie Askarel, Clophen etc. verwendet, die jetzt aus Umweltschutzgriinden jedoch wieder durch 5l- oder GieBharz-Transformatoren ersetzt werden. Als Anordnungsbeispiel ist in Abb. 16.21 einer der Transformatoren des Kavernenkraftwerkes Wehr gezeigt (s. Kapitel 21.4.2). 16.6.3

Eigenversorgung

Im Normalbetrieb sind in einer Wasserkraftanlage zahlreiche Einrichtungen zu versorgen, die den Betrieb der Anlage aufrecht erhalten. Hierzu wird ein separates internes Versorgungsnetz niederer Spannung, meist 230 V bzw. 400 V, betrieben. Aber auch fur den netzunabhangigen Betrieb und fiir Notfalle muB die Eigenversorgung sichergestellt und ein netzunabhangiges Anfahren oder Weiterbetreiben der Maschinen ermoglicht werden. Daher werden zusatzlich ausreichend dimensionierte, iiber die Eigenversorgungsanlage gespeiste Batterien oder separate Notstromaggregate vorgehalten. 16.6.4

Schaltanlagen und Energieableitung

Um die in Wasserkraftanlagen erzeugte elektrische Energie je nach anfallendem Bedarf auf die verschiedenen Verbraucherleitungen zu verteilen und im Storungsfall (Kurz-, Erdschliisse etc.) jederzeit abschalten zu konnen, sind den Transformatoren meist oberspannungsseitig Leistungs- und Trennschaltanlagen nachgeschaltet (s. Abb. 16.22).

632

16 Elektrotechnische Ausrtistung

Abb. 16.21: Transformatorenkaveme im Kraftwerk Wehr (Quer- und Langsschnitt) [16.10] Wahrend die oberspannungsseitig zu schaltenden Strome nur relativ klein sind, erfordem die hohen Betriebsspannungen entsprechend spaimungsfeste Isolationen. Diese wurden friiher stets durch erhebliche isolierende Luftabstande zwischen den spannimgsfUhrenden Teilen realisiert. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften des Schwefelhexafluorids SF6 insbesondere unter Uberdruck verringert sich

16 Elektrotechnische Ausriistung

633

der Flachen- und Volumenbedarf bei sogenannten gekapselten, SF6-isolierten Schaltanlagen und -Leitungen (s. Abb. 16.22) gegeniiber den luftisolierten Schaltanlagen bzw. Leitungen so betrachtlich, daB zunehmend von den ausgedehnten und auch witterungsabhangigen Freiluftschaltanlagen auf gekapselte Innenraumanlagen iibergegangen wird. Besonders vorteilhaft sind diese gekapselten Schaltanlagen nattirlich bei beengten Raumverhaltnissen wie sie beispielsweise in Kavemenkraftwerken oder in dichtbebauten Gebieten herrschen; zunehmend wird auch aus Griinden des Landschafts- und Larmschutzes die Errichtung von solchen kompakten Anlagen anstelle von Freiluftschaltanlagen gefordert. ^^ G SF6-Cras

Leiter aus Aluminium 5

•

^^^--

_Überspannungsableiter SF6-Endverschluß

Abb. 16.22: a) Aufbau eines SFs-isolierten Rohrleiters [16.11]; b) Energieableitung aus einem Kavemenkraftwerk mit SFg-isolierten Rohrleitem in einem Stollen; c) Ubergang von SFe-isolierten Rohrleitem in einem Stollen auf eine Freileitung (Kavemenkraftwerk Wehr) [16.10] 16.6.5

Einbindung der Kraftwerke in das elektrische Verbundsystem

Die Emfiihrung der Wechselstromubertragung Ende des 19. Jahrhunderts erlaubte es, zu einem zentralisierten Konzept der Energieversorgung uberzugehen, indem die groBen Kraftwerke in der Nahe der Energiequellen (Wasser, Kohle etc.) gebaut und durch das elektrische Netz die erzeugte Energie kostengiinstig zum Verbraucher transportiert werden konnte. So entstand das heutige elektrische Verbundsystem (s. Abb. 16.23), wobei sich in Europa eine Netzfi*equenz von 50 Hz und in den USA von 60 Hz durchgesetzt haben (s. Abschnitt 16.3.3.1). In der Regel wird der Strom in den Kraftw^erken unterschiedlichen Typs in einer Spannungsebene von 3-30 kV erzeugt. Durch den Einsatz von Transft)rmatoren bzw. Umspannem wird die Spannung auf eine Ubertragungshohe von bis zu 400 kV in Europa und bis tiber 1.000 kV in RuBland bzw. in den USA umgewandelt und tiber Hochspannungsnetze, die uberwiegend als Freileitungen ausgefiihrt

634

16 Elektrotechnische Ausriistung

sind, verteilt. Uber die Verteilungsnetze auf Mittelspannungsebene (0,4-20 kV) erfolgt die regionale und lokale Verteilung, bevor der Strom im Niederspannungsnetz auf die vom Kunden gewunschte Ebene (z. B. 230/400 V) herabgestuft wird. Bei diesen beiden Netzteilen sind die Kabeltrassen in Deutschland beispielsweise zu tiber 70 % unterirdisch verlegt. Durch die Transformierung auf eine hohere Spannung ist ftir die LFbertragung der notwendigen Leistung nur ein kleinerer Strom notwendig, und gleichzeitig werden die Verluste, die vom Quadrat des Stroms abhangig sind, verkleinert. Kraftwerk (G

Erzeugung © (6-30 kV) ^

s

fm_ s

Blocktransformator

Hochspannungsnetz Ubertragung (220-400 kV)

X X

5LJd, ^-pr

^

Br

Umspannwerk Umspanner

r

Netzstation Verteilung (20-0,4 kV)

J H^

Mittelspannungsnetz Schalter nnn^

nnrv\

Niederspannungsnetz

Abb. 16.23: Systematische Unterteilung des elektrischen Energienetzes Heute versorgen groBe Kraftwerke mit Leistungen bis zu 10 GW dank der elektrischen Netze die Verbraucher. Ein Beispiel hierfur bildet das europaische Verbundnetz, das sich mit der installierten Kraftwerksleistung von ca. 500 GW tiber ganz Europa von Portugal bis RuBland ausdehnt und eine gleichbleibende Versorgung, unabhangig von witterungs- und jahreszeitlichen Einfltissen etc., garantiert. 16.6.5.1 Aufgaben der Kraftwerke im Netzbetrieb Neben der Ubertragung der Energie tiber weite Distanzen trugen aber auch die zunehmend bedeutsamer gewordenen Bedtirfiiisse der Verbraucher nach einer sicheren und qualitativ gleichbleibenden Energieversorgung dazu bei, ein tiberregionales Netz zu schaffen.

16 Elektrotechnische Ausrustung

63 5

Charakteristisch flir die Energieabnehmer ist der sich stochastisch andemde Bedarf, der immer durch die Kraftwerke gedeckt werden sollte. Da das elektroenergetische System keine bedeutenden SpeichermogHchkeiten hat, z. B. kann ein 1.000-MW-Turbosatz kinetisch nur ca. 2.000 kWh speichem, muB der Energiebedarf durch entsprechende Automatisierungsanlagen in Kraftwerken sowie insbesondere durch den Netzverbund gedeckt werden. Bei den Kraftwerken in einem Netz unterscheidet man heute aufgrund der Aufgaben zwischen Grundlast- und Regelungskraftwerken (s. Kapitel 3.2.2). Wurden bis in die dreiBiger Jahre als Energiespeicher zusatzUch auch Batterien eingesetzt, so sind die heutigen Anforderungen an die EnergiequaUtat durch die Verbraucher (Frequenzhaltung, Spannungshaltung etc.) nur durch Automatisierungsanlagen in Kraftwerken sowie durch permanent und kurzfristig verfugbare, gespeicherte Energie vor allem in Pumpspeicherkraftwerken (s. Kapitel 17) zu ermoglichen. Zur Regelung von Frequenz und Spannung wu-d die sogenannte Prunarregeh-eserve in den Kraftwerken vorgehalten (s. a. Kapitel 17.1). In einem vermaschten Netz verteilt sich die gesamte notwendige Reserveleistung auf alle an der Regelungsaufgabe mitwu*kenden Kraftwerke, wobei aus Wirtschaftlichkeitsgrtinden meistens nur einige ausgewahlte Kraftwerke, die sogenannten Regelungskraftwerke, mit dieser Aufgabe betraut sind. Diese miissen dann insgesamt ca. 2,5 % der Gesamtleistung innerhalb von 5 s und weitere 2,5 % innerhalb der nachsten 2530 s zur Verfugung stellen konnen, um beispielsweise die Frequenz im zulassigen Bereich zu halten. AnschlieBend Uberfiihrt gegebenenfalls die Sekundarregelreserve innerhalb von maximal 15 Minuten das Netz innerhalb einer Regelzone, d. h. einem eigenstandigen Bereich im Verbundnetz, nach z. B. einem Kraftwerksausfall wieder m den gewiinschten Betriebszustand. Etwa 15 Minuten nach der Stoning Ubemimmt dann die Minutenreserve (Tertiarregelreserve) den Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch und ersetzt so die regelungstechnisch anspruchsvollere Sekundarregelung. Befmdet sich dagegen nur ein Kraftwerk in einem Inselbetrieb, so muB es selbst sowohl den Anforderungen fiir einen sicheren Betrieb als auch fur die Frequenzregelung etc. gerecht werden. Dies ist mit einer besonderen Ausrustung der Regelungskreise realisierbar und dariiber hinaus bei hohen Anforderungen an die Energiequalitat sehr kostenintensiv. In derartigen Sonderfallen wurde die Verwendung von Batteriespeichem wieder aktuell und teilweise umgesetzt. 16.6.5.2 Hochspannungs-Gleichstrom-Kopplung unterschiedlicher Netze Drehstromversorgungsnetze konnen nur dann direkt miteinander verbunden werden, um Energie zwischen ihnen auszutauschen, wenn sowohl ihre Netzfrequenzen einander gleich sind als auch die Phasenlagen und damit auch die zulassigen Frequenztoleranzen exakt tibereinstimmen, sie also genau synchron miteinander laufen (s. a. Abschnitt 16.4.5). An einigen Landergrenzen mit verschiedenen, nicht synchron betriebenen Netzen (z. B. mit unterschiedlichen Netzfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz) werden Wasserkraftwerke gemeinschaftlich betrieben. Der dabei notwendige Energieaustausch zwischen den beteiligten Netzen erfolgt tiber Stromrichter. Diese entkoppebi die Netze unterschiedlicher Frequenz zunachst durch Gleichrichtung der

636

16 Elektrotechnische Ausrustung

Drehspannung, die zuvor hochtransformiert wurde, um durch kleine Strome die Verluste gering zu halten. AnschlieBend wird die Gleichstromenergie mittels Glattungskondensatoren und Glattungsdrosselspulen zwischengespeichert und dann Uber Wechselrichter in die abweichende andere Drehstronmetzfrequenz umgewandelt. Um den Energieaustausch in beide Richtungen zu ermoglichen, werden auf beiden Drehstromnetzseiten Stromrichter verwendet, die wahlweise als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden konnen. Das Grundprinzip dieses relativ kostengiinstigen Energieaustausches beruht auf der zeitlichen Konstanz des Leistungsflusses symmetrischer Drehstromnetze gemaB Gleichung (16.71). Bei Einphasennetzen unterschiedlicher Frequenzen erfordert der Energiespeicher des Gleichspannungs- bzw. Gleichstrom-Zwischenkreises Glattungsglieder mit etwa einer halben Zehnerpotenz hoherer Speicherfahigkeit. Auch bei langeren Seekabeb, die tiber die Ubertragungsgrenze von ca. 40 km von Hochspannungs-Drehstromkabeln hinausgehen, wird auf die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung zunickgegriffen. Dabei werden diese Kabel einpolig ausgefuhrt und das Meerwasser sowie der Meeresboden als Ruckleiter verwendet. Beispielhaft sei hier das „Baltic Cable" genannt, das seit 1994 zwischen Deutschland und Schweden eine 250 km lange Verbindung mit einer Leistung von 600 MW bietet. Weitere derartige Verbindungen sind im Betrieb oder stehen vor der Verwirklichung (s. a. Kapitel 3.2.2). 16.6.5.3 Aufgaben der Netzleitwarte und Kraftwerkseinsatzplanung Der Netzbetrieb mit groBen, vermaschten Netzen stellt eine technisch komplizierte Aufgabe dar und muB daher durch eine Leitwarte kontroUiert und gesteuert werden. Mit Hilfe von Netzleitsystemen, die die notwendigen MeB- und Zustandswerte bis in die Warte iibertragen, konnen dort optimale Entscheidungen beziiglich der Netzfuhrung getroffen werden. In den heutigen modemeren Leitwarten sind m leistungsfahigen Computem Programme in Form von sogenannten Expertensystemen im Einsatz, mit deren Hilfe die automatische bzw. bedarfsweise auch manuelle Anpassung des Netz- und Kraftwerkseinsatzes vorgenommen wird. Zu den Aufgaben der Netzleitwarte gehoren insbesondere Zustandserkennung, Netzsicherheits- und BetriebsUberwachung sowie letztendlich vor allem die wirtschaftlich optimale FUhrung des Systems. Um den Kraftwerksbetrieb wirtschaftlich fiihren zu konnen, ist neben der grundlegenden GroBen- und Standortermittlung der Kraftwerke der optimale Betrieb zu planen. Die Erstellung eines wirtschaftlich optimierten Kraftwerkeinsatzplanes erfolgt fur alle beteiligten Kraftwerke entsprechend den Leistungs- und Erzeugungsverhaltnissen un Hinblick auf eine Minimierung der Brennstoff- bzw. Energieeinsatzkosten und der Reserve. Dabei kommt computerbasierten Expertensystemen zur Prognose von Erzeugung und Verbrauch eine zunehmend wichtigere Rolle zur Steuerung der hochkomplexen Versorgungssystenmen zu. Diese Simulationsprogramme konnen jedoch trotz der Integration neuer Ansatze und Methoden, wie beispielsweise derjenigen der Fuzzy Logik (s. Kapitel 13.2.2), nicht ohne die Erfahrungswerte des Leitwartenpersonals auskommen, stellt dieses Potential doch die Grundlage flir samtliche Betrachtungen dar.

16 Elektrotechnische Ausriistung

63 7

Man unterscheidet bei der Kraftwerkseinsatzplanung zwischen verschiedenen Planungsperioden. Die langfristige, mehrjahrige Planung erlaubt die wirtschaftliche Bestimmung des Kraftwerksparks fiir ein Versorgungsgebiet sowie die Planung von groBeren WartungsmaBnahmen, wobei die Lastzuwachsprognosen tiber einen langeren Zeitraum die entscheidende Planungsgrundlage darstellen. Die Tageseinsatzplanung wird fur einen Zeitabschnitt von 24 bis 48 Stunden auf der Basis der prognostizierten Tagesbelastungsdiagramme, die von der Jahreszeit, vom Wochentag und von den Witterungsprognosen etc. abhangig sind, ermittelt (s. Abb. 3.4), wobei hier vielfach mathematische Optimierungsverfahren, wie z. B. die lineare Programmierung, verwandt werden. Diese Planung fuhrt zur Rahmeneinsatzplanung fur die Kraftwerke in dieser Periode. Die feine Kraftwerksfuhrung wird im Rahmen der Fahrplane m einem 1/4-Stunden-Raster bzw. letztlich der Minuteneinsatzplanung gestaltet, wobei hier die kurzfristigen Lastprognosen hilfreich sein konnen. 16.6.5.4 Entwicklung des Strommarktes Die elektrischen Netze wurden verstandlicherweise stets als strategische Bereiche der Staaten gehandelt. In den letzten Jahren verstarkte sich aber unmer weiter der Trend, den Energiemarkt zu offhen und die elektrische Energie als „Ware" frei handebi zu lassen. Durch eine Liberalisierung der entsprechenden Energiegesetze wird in vielen Staaten ein Konzept verfolgt, das die Einheitlichkeit des Verbundnetzes aufbricht und insbesondere den engen Zusammenhang zwischen Energieerzeuger, Netzbetreiber und der Vertriebsseite lockert oder gar auflost. Bei einer vollstandigen Marktoffiiung werden selbstandige uberregionale und regionale Verteilungsnetze zur Ubertragung der Energie genutzt und von unabhangigen Betreibem kontrolliert, wobei die jeweiligen Transitmodalitaten auszuhandeln sind. Erklartes Ziel ist dabei, eine solche Struktur zu erreichen, die es jedem Kunden ermoglicht, die Energie von einem frei wahlbaren Anbieter zu beziehen, wobei der Handel vor allem mit Spitzen- und Regelleistung zusatzlich iiber eine Stromborse erfolgen kann. Als Entscheidungsgrundlage dienen fur den Kunden dabei der Preis, die Energiequalitat und in Grenzen auch die Erzeugungsquelle, wobei in diesem Zusammenhang Herkunftszertifikaten, auch als „Label" bezeichnet, eine wichtige Rolle zukommen kann [16.12]. 16.7

Literatur

[16.1] Lehner, G.: Elektromagnetische Feldtheorie fiir Ligenieure und Physiker. Berlm, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona: Springer-Verlag, 1990 [16.2] Beitz, W. (Hrsg.); Kiittner, K.-H. (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch fiir den Maschinenbau. Korrigierter Nachdruck der 15. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag, 1986 [16.3] Kupfintiller, K.: Einfuhrung in die theoretische Elektrotechnik. 11. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag, 1984 [16.4] Kleinrath, H.: Grundlagen elektrischer Maschmen. Wiesbaden: Akademische Verlagsgesellschaft, 1975

638

16Elektrotechnische Ausriistung

[16.5] Richter, R.: Kurzes Lehrbuch der elektrischen Maschinen. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1949 [16.6] Labahn, D.: Grenzen im Bau von Wasserkraftgeneratoren. In: Elektrizitatswutschaft 75 (1976), Heft 20, Seite 704-709 [16.7] Norm DIN EN 60034 Telle 1-22. Drehende elektrische Maschinen [16.8] Leijon, M.; Berggren, B. et al.: High voltage power generation without transformers. In Hydropower & Dams 5 (1998), Heft 4, Seite 37-40 [16.9] Schluchseewerk AG (Hrsg.): Hombergstufe. Freiburg, 1976 [16.10] Schluchseewerk AG, Freiburg: Personliche Auskiinfte, 1996 [16.11] Schluchseewerk AG (Hrsg.): Vom Wasser zur elektrischen Energie. 1978 [16.12] Giesecke, J.; Heimerl, S.: Wasserkraftnutzung im sich verandemden Strommarkt. In: Osterreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 51 (1999), Heft 9/10, Seite 242-248

639

17 17.1

Pumpspeicherkraftwerke Zielsetzung

Die ersten Grundzuge von Pumpspeicherkraftwerken und deren energiewirtschaftliche Bedeutung m einem Stromverbundnetz wurden bereits in Kapitel 4.3.1 angesprochen und durch ein ausgewahltes Beispiel belegt; auf die besonderen wirtschaftlichen Aspekte wurde bereits im Abschnitt 3.3.1.7 detailliert eingegangen. Im einzelnen laBt sich die Zielsetzung der hydraulischen Pumpspeicherung durch ft)lgende technische und energiewirtschaftliche Gesichtspunkte umreiBen [17.1]/[17.2]: - Uberfiihrung von Schwachlastenergie in Spitzenenergie (Energieveredelung im Walzbetrieb); - Verwertung von UberschuBstrom aus dem Grundlastbereich (Erganzung von Warmekraftw^erken und Laufwasserkraftwerken); - unmittelbare Deckung von Spitzenbedarf im Stromversorgungsnetz (Spitzenregelung); - Opthnierung des Betriebes von Warmekraftwerken durch Einschrankung deren Einsatzes zur Leistungsregelung (Ausdehnung der Betriebszeiten bei konstanter Leistung von Warmekraftwerken); - Bereitstellung von momentan einsetzbaren Leistungsreserven (Erhohung der Betriebssicherheit im Stromverbund); - schnelle Aufiiahme von UberschuBleistung beim plotzlichen Ausfall groBer Abnehmer; - Ausgleich der unbeeinfluBbaren meteorologischen und atmospharischen Bedingungen, die vor allem auf der Erzeugerseite zu fluktuierenden, nicht verbrauchskonformen extremen Schwankungen fiihren konnen (Windstille Oder Starkwindphase bei Windkraftanlagen, Tag und Nacht bei Solaranlagen etc.); - Aufflillung von Restspeicherraum durch Pumpenforderung bei nicht geniigendem, natiirlichem ZufluB (Optimierung der Stauraumbewirtschaftung); - Einsatz flir Leistungsfrequenzhaltung; - Phasenausgleichsbetrieb bzw. Phasenschieberbetrieb (Spannungsregulierung). Diese Aufstellung laBt die unterschiedlichen Betriebsarten bzw. die Mehrzwecknutzung von Pumpspeicherwerken erkennen. Die aus dem Energieverbund herriihrenden Aufgaben sind insbesondere: - Ausgleich (tages-, wochen- oder jahresweise) zwischen EnergieiiberschuB und Energiebedarf im regionalen, Uberregionalen und intemationalen Verbundnetz, die sogenannte Prunarregelung (Walzbetrieb, Stromveredelung). - Frequenzhaltung: Um die kleinen, aber rasch auftretenden Schwankungen der Netzfi-equenz (in der Bundesrepublik Deutschland 50 Hz) als Folge des Belastungsgrades innerhalb eines minimalen zulassigen Bereiches (± 0,05 Hz) zu halten, sind empfindlich reagierende Regeleinrichtungen notwendig. Hierzu sind Pumpspeicheranlagen gut geeignet, da sie durch eine entsprechend abgestimmte Feinregelung der Wasserzufiihr zu den hydraulischen

640

ITPumpspeicherkraftwerke

Maschinen in beiden Betriebsarten (Turbinen- bzw. Pumpenbetrieb) Schwankungen auffangen konnen und so sowohl innerhalb von 25-30 s die sogenannte Primarregelung als auch innerhalb von maximal ISMinuten die Sekundarregelung als Netzdienstleistung besorgen. - Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb (Phasenausgleichsbetrieb) (s. Kapitel 16.4.7): Infolge von Selbstinduktion durch Abnehmeranlagen (Motoren, Transformatoren etc.) kommen Phasenverschiebungen im Netz zustande, durch die der Strom gegenuber der Spannung in der Phase zurtickbleibt und so der sogenannte Leistungsfaktor cos (p absmkt. Durch die iibererregte Leerlauffahrt und die damit folgende Bereitstellung von induktiver Blindleistung als Magnetisierungsblindleistung von Synchronmaschinen der Pumpspeicheranlagen, die an das Netz gekoppelt sind, konnen die Phasenverschiebung im Netz verringert und somit der Leistungsfaktor verbessert werden. - Schnelles Abfangen von extremen Leistungsschwankungen (z. B. Tages- oder Wochenanfang, Tages- oder Wochenende sowie auBergewohnlicher Strombedarf bei extremen Witterungsbedingungen, Sportveranstaltungen etc.). - Uberbriickung plotzlicher Kraftwerksausfalle im Verbundnetz (Reserve- und Storungsbereitstellung). - Unterstiitzung bei Strom- und Spannungsprtifungen vor der endgiiltigen Inbetriebnahme von GroBtransformatoren, Freileitungen und Stromnetzen. - Hilfestellung beim Zusammenschalten einzebier Netzteile im europaischen Stromverbund sowie beun Wiederaufbau eines Versorgungsnetzes nach einem Netzzusammenbruch, bei dem sogenannten Schwarzstart. Von der ursprunglichen Aufgabenstellung der taglichen Energieveredelung und Spitzenlastdeckung hat sich bei Pumpspeicherkraftwerken seit Mitte der 1980er Jahre zusehends die Zielsetzung hin zur Leistungsfrequenzregelung, d. h. zur Frequenz- und Spannungsregulierung verlagert. Als Richtschnur sei angegeben, daB einem Leistungsmangel von 100 MW in einem Stromnetz eine Frequenzemiedrigung von etwa 0,01 Hz zuzuordnen ist. In diesem Falle setzt die Primarregelung aller primargeregelten Maschinen ein, indem sie ihre Leistung etwas steigem. Mit der hierdurch nach wenigen Sekunden bewerkstelligten Lastdeckung geht die in einem Verbundnetz notwendige Frequenzangleichung durch Einschaltung eines Regelkraftwerkes, z. B. eines Pumpspeicherwerkes, mit geringfugiger Leistungserhohung einher. Daraufhin greift die Primarregelung emeut ein, wodurch die primargeregelten Maschinensatze die Leistung wieder etwas zuruckflihren, bis nach 10 bis spatestens 30 s das Regelkraftwerk das Leistungsdefizit ausgeglichen hat (s. a. Kapitel 16.6.5.1). Den energiewirtschaftlichen Nutzen eines Pumpspeicherwerkes kennzeichnet hauptsachlich die Differenz zwischen dem hohen Erlos aus der Stromlieferung (Turbinenbetrieb) und dem relativ niedrigen Aufsvand fur den Pumpenbetrieb zur Bereitstellung des Turbinenzuflusses, d. h. flir das Hochpumpen des Wassers aus dem Unterbecken in das Oberbecken. Hinzu treten die Aufwendungen fiir Zinsen und Tilgung der Investitionssummen, ftir Wartung und Unterhaltung, aber auch fiir den Stromtransport. Letzterer erweist sich um so gunstiger, je naher das Pump-

ITFumpspeicherkraftwerke

641

speicherwerk dem Erzeugerstandort fiir den Pumpstrom und dem Verbrauchsschwerpunkt fiir den Turbinenstrom liegt. Einen weiteren, unschatzbaren Vorteil einer Pumpspeicheranlage bildet die kurzzeitige Inbetriebnahme. Diese betragt je nach Anlagentyp 1 bis 3 Minuten, bis die installierte Leistung vol! genutzt werden kann. Derartige rasche Leistungsbereitstellung ist typisch fiir solche Speicherwasserkraftwerke. Ahnlich giinstige Eigenschaften haben auch Luftspeicherkraftwerke (s. Abschnitt 17.8.4), die gleichfalls zur Energiespeicherung bzw. Energieveredelung dienen und nach dem Prinzip des durch Gasturbinen bewirkten Druckabbaues von unterirdisch gespeicherter, in Schwachlastzeiten komprimierter Luft arbeiten. Eine weitere Technik zur groBvolumigen Speicherung elektrischer Energie zeichnet sich mittels Wasserstoff vor allem in Verbindung mit Brermstoffzellen ab, doch liegen hierfur die Kosten derzeit noch weitaus iiber jenen der hydraulischen Speicherung durch Pumpspeicheranlagen. Mittelfristig konnte die im Wasserstoff gespeicherte Energie dann auch von entfemt liegenden Quellen, wie beispielsweise groBen Solaranlagen oder Gletscherkraftwerken (s. Kapitel 4.4.6), zu den Verbrauchem transportiert werden. Berticksichtigt werden muB dabei, daB selbst bei gUnstigen Annahmen die Ausbeute an elektrischer Energie nur ca. 25 % des Ausgangswertes erreicht. Bereits in kleineren Leistungsbereichen bis zu knapp 10 MW werden die fiir eine Energiespeicherung ebenfalls in Frage kommenden Schwungsmassenspeicher sowie groBen Batteriespeicher eingesetzt, deren Einsatzgebiet vor allem als Kurzzeitstromspeicher und Spannungsfilter insbesondere zur Sicherung und Optimierung der Stromversorgung untemehmenskritischer Anwendungen bzw. sensibler Prozesse (EDV-Systeme, automatisierte Fertigungsprozesse etc.) gesehen wird. Noch in der Entwicklungsphase befindet sich die Nutzung der Supraleitung (magnetische Energie) in Speichersystemen. 17.2

Pumpspeichersysteme

Ein wesentliches Unterschiedsmerkmal zur systematischen Gliederung variierender Pumpspeicherkraftwerkstypen bildet der Pumpwasserstrom. Sobald dieser mehr als die Halfte des Turbmenzuflusses ausmacht, handelt es sich um ein Pumpspeicherwerk. Im anderen Falle spricht man von einem kombinierten Speicherkraftwerk, dessen TurbinenzufluB uberwiegend aus nattirlichem ZufluB besteht. Ein weiteres Merkmal gemaB Abb. 17.1 ist die Relation zwischen der manometrischen Forderhohe der Pumpenaggregate Hp und der Bruttofallhohe der Turbinensatze Hj. In den meisten Fallen sind beide geodatischen Hohen gleich (Fall a); hierfiir sind als ausgeftihrte Beispiele das Pumpspeicherwerk Glems (s. Abb. 4.13) und die Hombergstufe des Hotzenwaldkraftwerkes (s. Abb. 21.11) zu nennen. Davon abweichende Verhaltnisse ergeben sich beispielsweise bei Wasserforderung aus benachbarten, tiefer gelegenen Einzugsgebieten (Fall b) oder bei Wassernicklauf in Wasserkraftwerken, die auf vom Pumpwerk unterschiedlichen Hohen liegen (Fall c und d).

642

Abb. 17.1:

17 Pumpspeicherkraftwerke

Systematik von Pumpspeicherkraftwerken: Varianten fiir die Zuordnung von Pumpwerk und Wasserkraftwerk unterschiedlicher Hohenlage [17.2]

Ein gutes Beispiel fiir den Fall b bietet bei der ersten groBtechnischen Pumpspeicherung die Kombination des Schwarzenbach-Speicherkraftwerkes mit dem durch den Aufstau der Murg bei Kirschbaumwasen bedienten Murg-Hochdruckkraftwerks des Rudolf-Fetlweis-Werks in Forbach/Nordschw^arzwald der EnBW, das 1926 in Betrieb gegangen ist. In bedarfsschwachen Zeiten wird durch zwei mit den Schwarzenbach-Turbinensatzen gekoppelten Hochdruckspeicherpumpen Wasser aus dem Staubecken Kirschbaumwasen in den ca. 220 m hoher gelegenen Schv^arzenbach-Stausee gepumpt und von dort zusammen mit den dortigen Zufliissen in bedarfsstarken Zeiten wieder im Schw^arzenbach-Kraftwerk in Forbach abgearbeitet. Fur den Fall c bietet sich die oberste Stufe der Ill-Werke mit dem fiir Beileitungen eingesetzten Pumpwerk bei GaltUr-Wirl im Paznauntal/Osterreich an, welches das in einem Ausgleichsbecken aus drei Seitentalem ankommende Wasser in den gut 130 m hoher gelegenen Speicher Kops fi)rdert. Dieser ist an das Kavemenkraftwerk Partenen im Montafon bei einer Fallhohe von knapp 800 m angeschlossen. SchlieBlich laBt sich als Beispiel fiir den Fall d die Hotzenwaldkraftwerksgruppe der Schluchseewerk AG anflihren. Im Endausbau wird aus dem Unterbecken Wehr uberschiissiges Wasser (Hochwasser) zunachst in das Oberbecken Homberg gepumpt. Im natiirlichen Gefalle kann es dann zu dem Jahresspeicher Lindau iibergeleitet werden (s. Abb. 21.1). Die Abarbeitung der mit natiirlichen Zufltissen vermehrten Wassermengen erfolgt dann in den beiden Kraftwerksstufen Kavernenkraftwerk Atorf und Kavemenkrafiwerk Sackingen. Die Kombination der Pumpspeicherung mit einem durch natiirlichen ZufluB iiberwiegend gespeisten Speicherkraftwerk erlaubt eine groBziigige Handhabung der Speicherbewirtschaftung und damit der temporaren Spitzenstromerzeugung im Walzbetrieb. Es verlagert sich der iibliche Tagesspeicherbetrieb einer klassischen

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Pumpspeicheranlage oft zum Wochen-, Monats-, Jahres- sogar in Einzelfallen zum Uberjahresspeicherbetrieb. Eine derartige Verknupfting von reinen Speicheranlagen mit der Pumpspeicherung (Saison-Jahresspeicherung) fuhrte aufgrund ihrer hervorragenden Regelfahigkeit, ihrer optimierten Speichemutzung und Wirtschaftlichkeit verstarkt zu einem weit verbreiteten Ausbau bestehender Speicherkraftwerke durch die zusatzliche Einfilgung von Speicherpumpensatzen. Allerdings darf der Nachteil einer moglichen Standortfeme vom Verbrauchsschwerpunkt in vielen Fallen nicht Ubersehen werden. Erhohte Stromtransportverluste sowie ebenso lange Beileitungen fiir Pumpwasser schranken die Moglichkeit fur kurzfristigen Umwalzbetrieb (Kurzzeitzyklus) ein und lassen sich eher im Jahresspeicherbetrieb (Langzeitzyklus) vertreten. Das klassische Pumpspeicherwerk als hydraulisches Energiespeichersystem, bei dem im Tagesbetrieb eine mehr oder weniger konstante Wasserfracht zwischen etwa gleich groBen Unterbecken und Oberwasserbecken hochgepumpt und wieder abgelassen wird, wurde mit dem Beispiel Glems in Kapitel 4.3.1 bereits vorgestellt. 17.3

Historische Entwicklung der Pumpspeicherung

Die Idee der hydraulischen Energiespeicherung mittels Pumpen und der okonomischen Veredelung elektrischer Energie ist kurz vor der Wende ins 20. Jahrhundert in der Schweiz und in Deutschland aufgekommen. So entstand in Ziirich 1891 an der Limmat ein erstes, von der Firma Escher-Wyss errichtetes Pumpspeicherwerk. Weitere folgten 1894 am Lago Maggiore und an der Aare 1899. hi Deutschland wurde das Prinzip der Pumpspeicherung erstmalig 1891 verwirklicht, indem zur Wasserhaltung fiir die Erzgrube Rosenhof im Oberharz eine Dampfinaschine zur Aufflillung eines einem Wasserrad dienenden Speicherbeckens mit Pumpwasser iiber eine Kreiselpumpe eingesetzt wurde. Doch soil der 14. November 1908 als Geburtsdatum fiir das erste groBe Pumpspeicherwerk in Wiirttemberg und damit in Deutschland hervorgehoben werden. Es ist auch das Datum fiir die Einrichtung der Versuchsanstalt Brunnenmiihle der Firma Voith, Maschinenfabrik in Heidenheim/Brenz. An diesem Tage nahmen in der fruheren Getreidemiihle im Siiden von Heidenheim die hydraulischen Maschinensatze (2 Pumpen mit 60 kW und 120 kW und eine Pelton-Turbme (180 kW)) fiir die Pumpspeicherung ihren Betrieb auf. Diese fiir die wasserbaulichen und maschinentechnischen Forschungs- und Versuchszwecke errichtete, bis heute bestehende Pumpspeicheranlage hatte ihren Anfang mit dem ein Jahr zuvor von Voith erworbenen Laufwasserkraftwerk an der Brenz in Hermaringen, 15 km fluBabwarts von Heidenheim. Der fhiheren Getreidemiihle stand eine Karstquelle mit 1,5 w?/s Schuttung un Jahresdurchschnitt zur Verfiigung, deren Wasser sich fiir das Hochpumpen auf ein 100 m hoher gelegenes, auf einer Bergkuppe kiinstlich geschaffenes Oberbecken (Stauinhalt 8.000 m^) anbot. Der im FluBkraftwerk (300 kW) gewonnene elektrische Strom wurde auBerhalb der Arbeitszeit in der Maschinenfabrik fiir den Betrieb der beiden Speicherpumpen genutzt. Neben der Energieerzeugung zu Hochlastzeiten konnte das gespeicherte Wasser ebenso fUr die Modelluntersuchungen von Hoch-

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druckturbinen, Pumpen und Pumpenturbinen in der Versuchsanstalt Brunnenmuhle herangezogen werden. Nach diesem eindrucksvollen Vorbild folgten eine ganze Reihe von Pumpspeicherwerken fur die offentliche Stromversorgung im Sudwesten Deutschlands. 17.4

Bautechnische Gesichtspunkte

Die Standortwahl richtet sich in erster Linie nach den Versorgungszentren, den Speichermoglichkeiten bei groBen Hohenunterschieden unter weitgehender Ausnutzung naturlicher Vorfluter, insbesondere naturlicher und kiinstlich geschaffener Stauseen, sowie nach der kiirzestmoglichen Lange des Triebwasserweges, d. h. nach der Entfemung zwischen Unter- und Oberbecken. Hinzu kommen als wesentliche Bewertungskriterien die Baugrundbeschaffenheit, die hydrologischen Verhaltnisse, auch zum Ausgleich von Verlustwassermengen, und die erforderliche Tiefenlage ftir groBe Forderhohen bzw. fur groBe Leistung ausgelegter Speicherpumpen wegen eines genugend hohen Zulaufdrukkes, um Kavitationsgefahren ftir die Laufrader zu begegnen. Letzteres fiihrte zu einer eindeutigen Bevorzugung der groBe Einbautiefen erlaubenden Kavemenbzw. Schachtbauweise bei geeignetem Felsuntergrund, die dariiber hinaus eine moglichst klein zu haltende Stollenlange und einen verstarkten Landschaftsschutz erlaubt. Ein Pumpspeicherwerk laBt grundsatzlich einen groBen Spiehaum ftir eine optimale bautechnische und energiewirtschaftliche Losung zu, zumal modeme Speicherpumpen Forderhohen von 500-800 m in einer Forderstufe ermoglichen. Die mit immer groBeren Leistungen aufwartenden Pumpenturbinen, die sowohl als Francis-Turbine als auch in anderer Drehrichtung als Speicherpumpe arbeiten, gestatten eine ca. 30 %ige Reduzierung der Baukosten ftir Pumpspeicherwerke. Aus Abb. 17.2 sind die ftir eine reine Pumpspeicheranlage, hier mit unterirdischer Anordnung des Krafthauses, ublichen Baukomponenten ersichtlich. Eine besondere Vielfalt ergibt sich je nach den topographischen, geotechnischen, wasserwirtschaftlichen und bautechnischen Gesichtspunkten bei den Bautypen fiir Oberbecken und Unterbecken, ebenso bei den Dammdichtungen. hi den meisten Fallen entstehen Unterbecken durch Aufweitung von Bach- und FluBlaufen. Mit der Bildung eines natUrlichen Stauraumes durch eine Betonstaumauer oder einen Steinschutt- bzw. Erdstaudamm gehen die zugehorigen Betriebseinrichtungen wie GrundablaB zur VergleichmaBigung des Abflusses in das Unterwasser und Hochwasserentlastungsanlage einher. Das meistens auf einer Bergkuppe oder Hochebene angeordnete Oberbecken kann vorwiegend durch Abtragen der die kiinftige Beckensohle iiberlagemden Bodenschichten geschaffen und mit einem aufgeschtitteten Ringstaudamm eingefaBt werden. Fiir dessen Schiittung (moglichst mit Massenausgleich) bietet sich bei entsprechend guten Bodenverhaltnissen weitgehend der Abraum an. Hiemach richten sich die Dammtypen (einheitlich dichter, homogener Erdstaudamm oder Mehrzonendamme), femer die Dammdichtungen (vertikale oder schrag angeordnete hmendichtungen aus bindigem Boden, Erdbeton oder AuBendichtungen aus Zement- oder mehrschichtigem Asphaltbeton) (s. auch Kapitel 6.4). In jiingster

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Zeit tritt der Walzbeton fiir die AuBendichtungen auch in den Vordergrund, worunter ein durch Riittelwalzen verdichteter, erdfeuchter, zementarmer Frischbeton verstanden wird. OW-Druckstollen

UW-Schwallkammer UW-Stollen

Unterbecken

Krafthaus

Oberbecken

Einlaufbauwerk I (Zylinderschütz)

Kabelschacht Zufahrtsstollen

Zufahrtsstollen Auslaufbauwerk Unterbecken

UW-Schwallkammer

Abb. 17.2: Hauptbauelemente einer Pumpspeicheranlage mit Krafthauskaveme [17.2] Innendichtungen mit bindigen Boden (Schluff, Ton, Erdbeton) erfordem komabgestufte Filterschichten fiir den Ubergang zu StUtzkorpem, d. h. fiir den erosionssicheren Ausgleich der nach vielfachen Zehnerpotenzen unterschiedlichen spezifischen Durchlassigkeiten und fiir die gefahrlose Ableitung von Sickerwasser in zonenweise unterteilten Drainageschichten und Drainageleitungen. Heute bevorzugte Altemativen bilden variantenreiche Schmal- und Schlitzwande mit Erdbeton und Geotextilien, ebenso Kerne aus Zement- bzw. Asphaltbeton. Letzterer erfiihr auch fiir bituminose AuBendichtungen auf der wasserseitigen Dammboschung eine tiberaus groBe Verbreitung beim Bau von Pumpspeicherbecken. Modeme Einbautechniken fiihrten zu betrachtlichen Kostenvergiinstigungen hinsichtlich optimalem Schichtenaufl^au in Verbindung mit einer Erhohung der Dammboschungsneigung, was gleichzeitig eine Minimierung des Schtittvolumens fiir den nach der Standsicherheit zu bemessenden Dammkorper erlaubte. AuBerdem bewahrten sich die bituminosen Deckschichten bei den betrachtlichen Spiegel- bzw. Lastschwankungen mit Leeren und Fiillen von Tages- oder Wochenspeichem. Filterschichten unterhalb von Deckschichten entlang der Dammboschungen und unter der Beckensohle verhindem bei bindigem Untergrund den die Standsicherheit gefahrdenden Porenwasseriiberdruck und kompensieren die zugehorigen ungleichen Konsolidations- bzw. Quellvorgange. Insbesondere bei Oberbecken ist bei alien Dichtungstypen wahrend der Bauphase stets auf eine sorgfaltige Ausfiihrung zu achten, da sich groBere Undichtigkeiten sofort auf den Anlagenwirkungsgrad auswirken und eine Verringerung desselben um bis zu 10 % zur Folge haben konnen, womit diese deutlich iiber den mog-

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lichen Wirkungsgradsteigerungen der Maschinensatze liegen. Dai3 derartige EinbuBen des Anlagenwirkungsgrades erhebliche Auswirkungen auf die Standsicherheit des Bauwerkes und vor allem auf die Wirtschaftlichkeit des Pumpspeicherbetriebes haben, liegt auf der Hand. Diesbezugliche Untersuchungen anhand von Schadensereignissen in den USA und von Erfahrungen bei ausgefiihrten Dichtungstechniken sind in [17.3] dargestellt. Im iibrigen konnen ausgepragte Spaltwasserstromungen zu erheblichen Zusatzbelastungen der betroffenen Anlagenteile fuhren, und derartige Schadensfalle infolge Wassereintrag traten bei einigen Kraftwerkskavemen auf [17.4]. Zur umgehenden Lokalisierung und anschlieBenden Behebung solcher eingetretener Beschadigungen ist ein systematise!! aufgebautes Drainagesystem mit MeBeinrichtungen vorzusehen und zu betreiben. Auch wahrend des Betriebes sind bei den den haufig exponiert liegenden und damit der Witterung besonders ausgesetzten Oberbecken die Einrichtungen und insbesondere die Dichtungssysteme mit besonderer Sorgfalt regelmaBig zu kontrollieren, da diese durch die verschiedenstartigen Lastwechsel vor allem infolge der Wasserspiegelschwankungen und Temperaturanderungen stark beansprucht werden. Zur Verminderung der Lasteinwirkungen in langer andauemden Kalteperioden infolge von Eis und der Sicherstellung des Betriebes wahrend dieser Zeit hat sich vielfach das Einperlen bzw. Einblasen von Druckluft unter der Wasseroberflache iiber entsprechende Rohr- oder Schlauchleitungssysteme als kostengUnstige und effektive Methode bewahrt (s. a. Kapitel 5.2). Weitere, in jtingster Zeit den technischen Fortschritt dokumentierende Entwicklungen zeigen sich bei den das Oberbecken mit dem Krafthaus bzw. dem Unterbecken verbindenden Triebwasserleitungen. Hierzu gehoren vor allem der Einsatz von Tunnelbohrmaschinen, selbst bei groBvolumigen Stollenleitungen, femer die Ausfuhrung geschweiBter Hosenrohr- bzw. Abzweigkonstruktionen groBter Durchmesser und Betriebsdriicke und schlieBlich im Falle von langen, durch ein WasserschloB unterteilten Triebwasserleitungen der Einbau von Rtickstromdrossebi zur Beschleunigung der Schwingungsdampfung. In Abb. 17.3 ist hierfiir das Beispiel der far einen Pumpspeicherbetrieb herangezogenen Oberstufe der Kraftwerksgruppe Zemm-Ziller/Osterreich dargestellt, bei der das Krafthaus RoBhag etwa in der Mitte der beiden 17 km entfemten Oberund Unterbecken liegt. Gerade im Hinblick auf den oftmals rasch wechselnden Turbinen- und Pumpenbetrieb mit entgegengesetzten Forderrichtungen sind hohere dynamische Beanspruchungen fiir das gesamte Leitungsnetz einschlieBlich der Einlauf- und Auslaufbauwerke zu beriicksichtigen. Bei automatischer Steuerung eines Pumpspeicherwerkes verscharfen sich die Betriebsbedingungen, da mit dem beispielsweise bei Netzregelungen raschen Lastwechsel die WasserschloBschwingungen kaum ausklingen, sondem immer wieder neu angefacht werden. Die Riickstromdrossel, auch Wirbelkammerdiode genannt (s. auch Kapitel 11.4.2), fiihrte mit dem Einbau zwischen der Unterkammer und dem Schragschacht der beiden Wasserschlosser Pitzenalpe und RoBhag zu whtschaftlich und hydraulisch vorteilhaften Losungen. Ihre Wirksamkeit erklart sich aus unterschiedlichen DurchfluBwiderstanden in den zwei DurchfluBrichtungen. So entsteht mit dem Abschwingen im WasserschloB (Ruckstromrichtung) durch den in der Wirbelkammer erzeugten, zwischen der tangentialen ZufluB- und der zentrischen AbfluBoffhung ablaufenden Rotationswirbel ein sehr hoher Energieverlust. In der

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umgekehrten FlieMchtung, also mit dem Aufschwingen im WasserschloB, ist die Wasserbewegung rotationsfrei und damit verlustarm. Es zeigte sich, daB die bislang ublichen getreimten Untersuchungen der langsam ablaufenden Massenschwingungen mit groBen Amplituden zwischen gedrosseltem WasserschloB und Oberbecken und der rasch schwingenden DruckstoBvorgange ungenaue Ergebnisse liefem. Vielmehr muB die gegenseitige Abhangigkeit des gesamten Schwingungssystemes betrachtet werden (s. Kapitel 11.4.9). Ebenso kommt den durch die Stromungsbedingungen vorgezeichneten Energieverlusten mit Rucksicht auf den Gesamtwirkungsgrad der Pumpspeicheranlage eine erhohte Bedeutung zu [17.5]. (a)

Speicher Schlegeis -?-

Oberkammer >

Wasserschloss Pitzenalpe

® Beliiftungsrohr

Hauptbeliiftung

Schragschacht

Nabenbeliiftung

Riickstromrichtung

Hauptstromrichtung

Abb. 17.3: Zweifacher Einsatz von Ruckstromdrosseln bzw. Wirbelkammerdioden bei zwei Zweikammer-Wasserschlossem, Oberstufe Kraftwerksgruppe ZemmZiller: a) Schnitt durch die Gesamtanlage; b) Schnitt (oben) und GrundriB der Ruckstromdrossel; c) Funktionsweise der Ruckstromdrossel [17.2] Auch wenn in bezug auf das Krafthaus mit den beachtlichen Fortschritten des Tutmelbaues die Kavemen dank der groBen Freizugigkeit fur die Kraftwerksanordnung je nach Baugrund und Kostensituation starker in den Vordergrund treten, haben ober- oder unterirdische Kraftwerksbauten direkt am Unterbecken ihre spezifischen Vorteile. Dies zeigt sich beispielsweise beim Pumpspeicherwerk Glems mit einem rund 35 m tiefer liegenden, 32 m breiten und 80 m langen Krafthausgebaude (s. Abb. 4.13). Dessen wasserseitige, ohne Dichtungshaut und fugenlos ausgebildete Langswand bildet gleichzeitig die Stauwand zum Unterbecken. Um eine Rissegefahr infolge Schwinden und Kriechen des Betons, ebenso infolge Temperaturdehnungen auszuschalten und damit eine hochstmogliche Betondichtigkeit zu erzielen, wurden die bis zu 7 m starken Krafthauswande und die 5-10 m dicken Bodenplatten zweiachsial vorgespannt; die Krafthausdecke erhielt nur eine Langsvorspannung. FUr diese allein durch die zuvor genannten Betonverformungen bestimmte, sogenannte „maBige Vorspannung", kamen Einzelspannglieder zur Verwendung. In den zuriickliegenden Jahrzehnten seit Ende der 1960er Jahre hat sich diese neue Bauweise im Wasserbau bestens bewahrt, so daB diese bei-

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spielsweise mit der „maBigen Vorspannung" der Stauanlage Kehl am Oberrhein eine Wiederholung fand [17.6]. In Glems betragt der Pumpenzulaufdruck 30 m Wasserspiegelhohe. Im Vergleich hierzu moge die in Tirol errichtete (kombinierte) Pumpspeicheranlage Kiihtai der Kraftwerksgruppe Sellrain-Silz genannt sein, wo der Zulaufdruck mit 67 m gewahlt und das Krafthaus in Schachtbauweise (s. Kapitel 13) ausgefuhrt worden ist. Mit groBerem Zulaufdruck fiir die Speicherpumpen, aber auch aus geotechnischen, energiewirtschaftlichen und okonomischen GrUnden, fuhrte die Kavemenbauweise zu imposanten Losungen. Bin bekanntes Beispiel ist die italienische Anlage Edolo mit rund 1.300 m Forderhohe. 17.5

Maschinentechnische Gesichtspunkte

Zwangslaufig bilden die hydraulischen Maschinen eines Pumpspeicherkraftwerkes mit den Bauelementen der Gesamtanlage eine Einheit. Ebenso wie diese richten sie sich nach den ortlichen topographischen, hydrologischen und bautechnischen Verhaltnissen sowie nach den energiewirtschaftlichen und betriebstechnischen Anforderungen. So sind horizontal- bzw. vertikalachsige Maschinensatze mit getrennter Anordnung von Turbine und Generator, gleichfalls von Pumpe und Motor ebenso denkbar wie Turbine und Pumpe sowie Generator und Motor vereinigende Maschinengruppen. Angesichts der haufigen Betriebswechsel miissen die Maschinen langfi-istig funktionstuchtig bleiben, d. h. erheblichen Belastungen gewachsen sein und eine moglichst kurze BetriebsUbergangszeit vom Stillstand bis zur Volllast gewahrleisten. Auch ist eine direkte, exakte Reaktion des Maschinensatzes auf Lastanderungen mit Frequenzschwankungen unabdingbar. Im Prinzip werden zwei verschiedene Bauweisen von Maschinengruppen unterschieden (s. auch Abb. 17.8). Bei dem sogenannten, Motor bzw. Generator einschliefienden Tandemsatz ist die Pumpe von der Turbine getrennt. Hier werden als Hilfsmaschinen hydraulische Wandler und Kupplungen zusatzlich eingesetzt. In diesem Fall kommen sowohl Francis- als auch Pelton-Turbinen zum Einsatz. Dabei kann es bei Fallhohen Uber ca. 600 m bei Maschinensatzen mit PeltonTurbinen aufgrund des notwendigen Frei- bzw. Uberhanges und der daraus resultierenden Einbaulage notwendig werden, entweder den Pumpenzulaufdruck durch Zubringerpumpen zur Vermeidung von Kavitationsproblemen zu erhohen oder in der Turbinenkammer einen kiinstlichen Luftiiberdruck zu erzeugen (s. a. Kapitel 15.3.1). Dagegen ist beim Zweimaschinensatz die hydraulische Umkehrmaschine, d. h. die Pumpenturbine (s. Kapitel 14.5.2), mit einem Motorgenerator direkt gekuppelt. Diese reversible Stromungsmaschine tragt zu erheblichen Kostensenkungen bei baulichen und maschinellen Einrichtungen bei. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erreicht heute bis zu 80 %. Mit der zunehmenden Forderhohe, heute bis zu fast 800 m, hat die Entwicklung einstufiger anstelle bisheriger mehrstufiger Speicherpumpen bemerkenswerte Fortschritte erzielt und stark den Ausbau von Pumpspeicherwerken gefordert. Mit einer mehrstufigen Ausfiihrung vermindem sich andererseits Laufradgrofie und er-

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forderlicher Zulaufdruck. Die Entwicklung geht auch von der mehrflutigen zur einflutigen Pumpengestaltung. Im Kraftwerk Baldeney-See des Ruhrverbandes, Essen, kam bereits 1931 die erste Pumpenturbine (s. Kapitel 14.5.2) zum Einsatz. Als ein erstes Beispiel aus Baden-Wiirttemberg mogen die achsialen, doppelt regulierten Kaplan-PumpenRohrturbinen fiir die Stauhaltungsbewirtschaftung des Kraftwerkes Deizisau am Neckar genannt sein. Jeder Maschinensatz ist hier bei 5,1 m Nutzfallhohe und 22,5 m^/s TurbinendurchfluB auf rund 1 MW Leistung ausgelegt. Die Pumpenforderung betragt 8,5 w?/s. Die iiberschlagigen Verluste bzw. Wirkungsgrade der einzelnen Anlagenkomponenten sowie die Gesamtbilanz einer Pumpspeicheranlage ist aus Abb. 17.4 ersichtlich.

Rohrleitung Pumpe Rohrleitung

Motor Transformator

Turbine Generator Transformator

Abb. 17.4: Uberschlagige Wirkungsgrade und Verluste einer Pumpspeicheranlage [17.7] Eindrucksvoll zeigt sich der deutliche Unterschied hinsichtlich der Gesamtwirkimgsgrade von Warmekraflwerken und Wasserkraftwerken, insbesondere Pumpspeicherwerken. Konventionelle thermische Kraftwerke kommen je nach Anlagentyp, Zusatzeinrichtungen, Kuhlung und Modemitat auf 40-45 %, nukleare Anlagen auf 30-34 %; es sei denn, daB durch Kraft-Warme-Kopplung unter erhohter Nutzung der Abwarme weitere 10-15 % Wirkungsgradverbesserung hinzutreten. Der resultierende Gesamtwirkungsgrad einer Pumpspeicheranlage folgt aus dem Verhaltnis der durch Turbinenbetrieb erzeugten Energie und der flir den Pumpenbetrieb erforderlichen Energie. Fur eine Reihe von Pumpspeicherwerken in Deutschland sind diese Gesamtwirkungsgrade in Tabelle 17.2 aufgefiihrt. 17.6

Betriebsweisen von Pumpspeicherwerken

Eine LFbersicht uber Einsatzbereiche und Betriebsweisen von Pumpspeicherwerken vermitteln das typische Tagesbelastungsdiagramm in Abb. 3.4 sowie das Tagesbetriebsdiagramm in Abb. 17.5. Beim klassischen Pumpspeicherwerk handelt es sich um einen reinen, sich zwischen Unterbecken und Oberbecken abspielenden Walzbetrieb zur Energieveredelung, der flir den Turbinen- und Pumpenbetrieb von der gleichen Bruttofallhohe bzw. Bruttoforderhohe ausgeht. Im Oberbecken ist so viel Wasser gespeichert, daB beispielsweise zur

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ist so viel Wasser gespeichert, dal3 beispielsweise zur Spitzenbedarfsdeckung ein drei- bis funfsttindiger Vollastbetrieb der Turbinen sichergestellt ist (s. Abb. 3.4). Mit noch groBeren Speicherbecken bietet sich eine Wochenend-Pumpspeicherung mit Nutzung des durch die mehrtagige Arbeitspause anfallenden Pumpstromes an. Mit weiter wachsender SpeichergroBe kann sogar die Pumpspeicherung auf Monats- oder gar Saisonausgleichsbetrieb ausgedehnt werden, um neben preiswert anfallendem Pumpstrom einen wasserwirtschaftlichen Mengenausgleich bei schwankenden natUrlichen Zufliissen vorzunehmen. Mit einer derartigen Freiztigigkeit des Pumpspeicherbetriebes an optimaler Verwertung von tJberschuBenergie und UberschuBwasser ermaBigen sich die spezifischen Kraftwerkskosten und ebenso die mittleren Pumpstromkosten, so daB die Anlage zusehends die Funktion einer Reservevorhaltung erhalt. Die bereitstehende Spitzenenergie nimmt die hochste Wertigkeit an.

Abb. 17.5: Tagesbetriebsdiagramm (durchschnittlicher Tag) des Pumpspeicherwerkes Sackingen (4 Maschinensatze), Schluchseewerk AG [17.8] Aufgrund des in Europa vor wenigen Jahren eingefuhrten liberalisierten Strommarktes und der neuen Wettbewerbsbedingungen, die unter anderem durch Stromborsen, unterschiedlichste Liefer- und Bezugsvertrage gekennzeichnet sind, wird die Bedeutung ernes Veredelungsbetriebes bzw. Walzbetriebes zur Abdekkung von Lieferrisiken und zur Reservevorhaltung zunehmen (s. a. Kapitel 16.6.5.4). Auch ein kurzfristiger Einsatz zur Gewinnoptimierung im Stromhandel wird haufiger in Betracht kommen. Andererseits hat sich die Zahl im Verbundnetz zusammengeschlossener thermischer Kraftwerke und deren Anteil an der Primarregelung vergroBert. Zahh-eiche Kraftwerke konnen an der Sekundarregelung durch Leistungsbereitstellung teilnehmen. Ebenso ist hinsichtlich der Minutenreserve den Pumpspeicherwerken eine Konkurrenz durch die GUD-Kraftanlagen mit Dampferzeugem und Dampfturbinen entstanden, womit SpeicherbeckengroBe und

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momentaner Fiillungsgrad als augenblicklich verfugbare Pumpspeicherkapazitat keine Rolle mehr zu spielen brauchen. Jedoch steht auBer Zweifel, daB auch kiinftig Pumpspeicherwerke ein wichtiges Wettbewerbselement und ein unentbehrlicher Faktor fiir die Versorgungssicherheit sind. Die Flexibilitat der Bedarfsdeckung durch eine Pumpspeicherung bestimmt unmittelbar die Effizienz, die Wirtschaftlichkeit und die energiewirtschaflliche Bedeutung. Der energiewirtschaftliche Nutzen ist letztlich als die Differenz zwischen dem Wert der Energieerzeugung und den Kosten des Pumpstromaufsvandes zu verstehen. Eine Untersuchung an 20 Pumpspeicherkraftwerken mit 78 Maschinengruppen ergab, daB im Durchschnitt 1.730 Betriebsartenwechsel pro Maschinensatz und Jahr angefallen waren [17.9]. Einen interessanten AufschluB hieniber vermitteln die beiden Abbildungen 17.6 und 17.7.

VDEW-Untersuchung Kraftwerk Vianden Durchschnitt Durchschnitt Abb. 17.6:

KraftwerkWehr Durchschnitt

KraftwerkWehr Einzelmaschine

Anzahl der Betriebsartenwechsel in Pumpspeicherkraftwerken [17.9]

Betrachtet man die fur das Kavemenkraftwerk Wehr der Schluchseewerk AG durchschnittlichen Betriebswechsel von 3.600 pro Maschine und Jahr, so erreichte eine Einzelmaschine bis zu 4.350 Wechsel zwischen Turbinen- und Pumpenbetrieb. In Verbindung damit standen rund 1.200 Offhungs- und SchlieBvorgange im Jahr, die ein Hochdruckkugelschieber in der Druckleitung zu leisten hatte. Auffallend sind nach Abb. 17.7 die iiberwiegend kurzzeitigen Einsatze, die unter 2 h im Generatorbetrieb liegen. Welche hohen dynamischen, mechanischen sowie thermischen Beanspruchungen und damit auch alle Bauelemente der Maschineneinheiten erfahren, moge sich an dem einen Beispiel eines Generatorleistungsschalters verdeutlichen, der 890mal pro Jahr betatigt worden ist. Den zugehorigen VerschleiBerscheinungen muB naheliegenderweise mit groBem Unterhaltungs- bzw. Reparaturaufwand begegnet werden.

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652 Anzahl 4.000

3.678 3.500 -]- -i 3.000 -\- -i 2.558 2.500 2.000

1.761

1.500 1.000

944 620

500 0

434

396

336

236

221

n

n m

n

146

•7

Abb. 17.7: Einsatzhaufigkeit iiber der Einsatzdauer im Generatorbetrieb 1998 [17.9] Neben der Veredelung von Schwachlastenergie in Spitzenenergie und Reservevorhaltung wird die hohe Wechselfahigkeit fur die Sekundarregelung, die Leistungsfrequenzhaltung und durch den Phasenschieberbetrieb genutzt (s. Abb. 17.5). Im Gegensatz zu den ersten Jahren der Pumpspeicherung, in denen faktisch eine etwa 6- bis lOstundige Pumpzeit wahrend der Nachtstunden einer rund 4stundigen Turbinenzeit gegeniiber stand, liegt heute im Zuge der Netzregelung ein haufiger Wechsel zwischen beiden Betriebsarten vor. Aus den Abb. 3.4 und 17.5 laJJt sich dies unmittelbar ablesen. Mit der durch Pumpspeicherwerke moglichen Bereitstellung von Leistungsreserven konnen Ausfalle von thermischen Kraftwerken oder sonstige Netzstorungen innerhalb kiirzester Zeit, d, h. innerhalb von 1-2 Minuten, aufgefangen werden. Modeme Pumpspeicheranlagen lassen sich in diesen extrem kurzen Zeitspannen aus dem Stillstand heraus bis zur Vollast hochfahren. Die Anlaufzeiten und die fur unterschiedliche Betriebsweisen erforderlichen Umschaltzeiten ernes Pumpspeicherwerkes sind von der Maschinenanordnung abhangig, woriiber Tabelle 17.1 in Verbindung mit Abb. 17.8 AufschluB gibt. Zunehmend kommen auch hier fuzzy-basierte Regelungssysteme zum Einsatz (s. Kapitel 13.2.2), um die Umschaltzeiten weiter zu verkiirzen und gleichzeitig die notwendigen Regelaufgaben sicherer zu erbringen [17.10].

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Tabelle 17.1: Schaltzeiten bestimmter Anordnungsmoglichkeiten von Maschinensatzen fur Pumpspeicherkraftwerke (s. Abb. 17.8) [17.2] Schaltzeiten in Sekunden Aggregatanordnung Stillstand bis Pumpbetrieb bis 1 Stillstand bis Turbinen- bis (s. Abb. 17.8) Turbinenbetrieb Turbinenbetrieb Pumpenbetrieb Pumpenbetrieb I 80 ^ 110 50 ^ 70 90 ^ 120 50 ^ 70 II 60 ^ 90 50 ^ 70 90 ^ 120 360 ^ 480 120 ^ 180 III 60 ^ 90 50 ^ 70 90 ^ 120 100 ^ 130 IV 60 ^ 90 40 ^ 50 80 ^ 110 30 ^ 40 V 60 ^ 90 40 ^ 50 80 ^ 110 30 ^ 40 VI 60 ^ 100 90 ^ 120 160 ^ 240 VII 60 -^ 100 90 -^ 120 300 -^ 480 540 -^ 720 1 VIII 60 -^ 100 90 -^ 120 180 -^ 210 210-^ 390 150 -^ 180 180-^ 360 1 IX -60 -^ 100 90 -^ 120

1 1

I) P

MGNTI

IV) "^ P p ^ ' ^ ^ MG p| TI W/ZK

(VI) MG

VII

MG

^ ^ I—I I 1 I—I /^V I—^ ^ ^ I 1 I—I IPT| IPT IIJ P pC^^ MG y T (YJ -dP pH^Ad MG p } ^ Tp- /^III i IX) MG ZK W/ZK ZK ^ ^ W/ZK^LL A/ZK [A III "^ P pi^"^ MG p] TI |PT| Abb. 17.8: Anordnung von Maschinensatzen ftir Pumpspeicherkraftwerke (P Pumpe, T Turbine, MG Motorgenerator, W Wandler, ZK Zahnkupplung, A Anwurfturbine) [17.2] Dabei warden die Aggregatanordnungen I bis V in Abb. 17.8 heute weniger realisiert. Die Anordnung VI stellt diejenige dar, die sich durchgesetzt hat, wobei zunehmend haufiger diese Maschinensatze flir den drehzahlvariablen Betrieb ausgelegt werden diirften, um sowohl Primarregelungs- als auch Sekundarregelungsaufgaben ubemehmen zu konnen (s. Kapitel 14.5.2 und 16.3.6.1). Die hohe Schaltzeit vom Stillstand m den Pumpenbetrieb beim Typ VII mit starr gekoppeltem Anwurfmotor auf der Motorseite laBt diesen an Bedeutung verlieren. Der Anlagenaufbau VIII mit hydraulischen Anfahrwandlem bzw. Anfahrturbinen (sowohl Francis- als auch Pelton-Turbinen, s. Kapitel 16.4.5) stellt eine verhaltnismafiig teuere Losung dar, die bisher einerseits im Bahnnetz mit 16% Hz und andererseits vor allem zur Verkurzung der Schaltzeiten realisiert wurde. Die Version IX ist theoretisch moglich, wurde bisher jedoch noch nie verwandt und scheint auch in Zukunft ohne Aussichten zu sem. Mit der Leistungsfrequenzhaltung wh*d die Aufgabe erfiillt, beim Verbund mehrerer Versorgungsnetze trotz standig wechselnder Belastung die Frequenz des elektrischen Stromes (50 Hz) und die tJbergabeleistungen zwischen den zusam-

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mengeschlossenen Netzen konstant zu halten. Die Regelbewegungen fiir den Turbinenbetrieb, d. h. fur die erforderliche Kraftwerksleistung, werden iiber den Belastungsgrad von zentralen Netzreglem gesteuert. Die Frequenzschwankungen konnen beim auf rasche Veranderung eingestellten Regelbetrieb deutlich niedriger (± 0,05 Hz) gehalten werden als beim Veredelungsbetrieb (± 0,1-0,2 Hz). Eine besondere Betriebsart stellt der sogenannte hydraulische KurzschluBbetrieb dar, bei dem wahrend des Pumpens stets mindestens eine Teilmenge des Wassers wieder iiber die Turbine in das Unterbecken zuriickgefuhrt wird (s. Abb. 17.9c). Entsprechend ist ein solcher Betrieb nur bei Maschinensatzen mit getrennten Pumpen- und Turbinenlaufradem sowie hierfiir geeigneten, d. h. hinreichend verlustarm ausgeformten Druckrohrverbindungen und insbesondere -abzAveigen moglich bzw. sinnvoU. Mit dieser Betriebsweise wird bei voller Leistungsbandbreite der Anlage ein letztlich uneingeschrankter Primar- und vor allem auch Sekundarregelbetrieb sowie eine Leistungsfrequenzregelung mit einer Verfugbarkeit in einem extrem kurzen Sekundenbereich ermoglicht. Zusatzlich kann mittels der Turbinenregelung gesteuert werden, ob gleichzeitig das Oberbecken gefiillt, entleert oder auf gleichem Niveau belassen wird. Vor allem bei langen, verlustbehafteten Verbindungen hin zum Oberbecken kann der hydraulische KurzschluBbetrieb eine wirtschaftlichere Form des Regelbetriebes darstellen als die klassische. Diese Betriebsweise wird bereits seit einigen Jahren in den Pumpspeicherkraftwerken Geesthacht an der Elbe sowie Glems (s. Kapitel 4.3.1) gefahren und ist bei der neuen Anlagen Kops II in Vorarlberg, die 2007 in Betrieb gehen soil und 3 Maschinensatze a 150 MW besitzen wird, vorgesehen. Oberbecken

c

b

\

i

Unterbecken Abb. 17.9: Schematische Darstellung der Betriebsarten eines Pumpspeicherkraftwerkes: a) Pumpbetrieb, b) Turbinenbetrieb, c) hydraulischer KurzschluBbetrieb Unter dem Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb (Phasenausgleichsbetrieb) versteht man eine Spannungsregulierung, indem der Generator bei abgekuppelten oder auch bei gekuppelten, jedoch dann entleerten Turbinen und Pumpen im Stromnetz lauft und vorhandene Phasenverschiebungen ausgleicht und Verluste bei der Stromiibertragung minimiert. (s. Kapitel 16.4.7)

17 Pumpspeicherkraftwerke

655

Die vorgenannte Aufgabenftille tragt heute dazu bei, daB innerhalb eines Tages eine Pumpspeicheranlage je nach der geforderten Leistungserganzung bis zu 20mal, in Extremfallen wie beispielsweise in Vianden mit insgesamt 1.100 MW Leistung bis zu 40mal, seine Betriebsart wechselt (s. Abb. 17.5). Der tJbergang vom Kurzzeitzyklus zum Langzeitzyklus laBt sich am ehesten bei Speicherkraftwerken mit groBem Speicherraum vollziehen, deren jahreszeitlich veranderliches, zur Hydrologie des Einzugsgebietes in Abhangigkeit stehendes Stauvolumen durch eine Uberlagerte Pumpspeicherung intensiver und okonomischer genutzt werden kann, beispielsweise durch Hochpumpen von dh*ekt unterhalb des Speichers bzw. Kraftwerkes emeut aufgestauten Wassers. Der Gesamtwirkungsgrad modemer Pumpspeicheranlagen, der das Verhaltnis von Energieriickgewinnung und Energieeinspeisung darstellt, kann bei optimaler Ausfuhrung der Einzelkomponenten, d. h. bei Minimierung der Energieverluste im Leitungssystem, bei Armaturen, Turbinen, Pumpen, Generatoren, Transformatoren und Schaltanlagen, je nach Anlagentyp 70-80 % erreichen, bei Anlagen mit reversiblen Maschinen, also Pumpturbinen, liegt dieser stets ca. 2 % niedriger (s. Tabelle 17.2 und Abb. 17.4). 17.7

Pumpspeicherkraft in Deutschland

Eine interessante Ubersicht tiber die in Deutschland betriebenen Pumpspeicherwerke sowohl mit (Pm) als auch ohne (Po) nattirlichen ZufluB vermittelt die Tabelle 17.2. Hierbei sind neben den Leistungsdaten der Maschinen Pjur bzw. Ppump auch die durchschnittliche Fallhohe hf, der Wirkungsgrad r|, der Speichemenninhalt VoB sowie die NettoengpaBleistung Pgng angegeben. In Deutschland kann die Stromerzeugung aus natiirlichem ZufluB in den Pumpspeicherkraftwerken (Pm) im langjahrigen Mittel erfahrungsgemaB mit ca. 25 % der Erzeugung bzw. rund 1.200 GWh/a angesetzt werden [17.11]. Die Differenz zwischen beiden Werten in Hohe von etwa 75 % der Pumpspeichererzeugung beinhaltet somit den reinen Walzbetrieb. Die EngpaBleistung stellt dabei die momentan hochste fahrbare elektrische Dauerleistung eines Pumpspeicherkraftwerkes bei maximaler Fallhohe dar, die bei der NettoengpaBleistung noch um die Verluste bereinigt ist. Bei Laufwasserkraftwerken dagegen ist vergleichsweise die EngpaBleistung die von einer Anlage dauemd fahrbare elektrische Leistung unter der Voraussetzung, daB der DurchfluB in Verbindung mit der Fallhohe den Optimalwert aufweist; vielfach ist dieser Wert bei VerfUgbarkeit aller eingebauten Maschinensatze identisch mit der Ausbauleistung (s.Kapitel 2.1.3).

656

17 Pumpspeicherkraftwerke

Tabelle 17.2: Ubersicht uber die Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland mit (Pm) und ohne (Po) natiirlichen ZufluB, Stand 2004 [17.11] 1 Pumpspeicherkraftwerk

Typ

PTUV

1 Bleiloch 1 Einsiedel 1 Erzhausen 1 Geesthacht 1 Glems 1 Goldisthal 1 Happurg 1 Hausem 1 Hohenwarte I 1 Hohenwarte II 1 Hollbach 3 1 Koepchenwerk Herdecke 1 Langenprozelten 1 Leitzachwerk 1 1 Leitzachwerk 2 1 Markersbach 1 Maxhofen-Oberberg 1 Niederwartha 1 Rabenleite (Reisach) 1 Rabenleite (Tanzmiihle) 1 R5nkhausen 1 Sackingen 1 Schwarzenbachwerk 1 Sorpetalsperre ' 1 Waldeck 1 |waldeck2 Waldshut 1 Wehr 1 Wendeftirth 1 Witznau

Pm Po Po Po Po Pm Po Pm Pm Po Pm Po Po Pm Pm Po Pm Po Po Po Po Pm Pm Pm Po Po Pm Po Po Pm

[MW] [MW] 80,0 99,6 1,3 1,2 220,0 220,0 105,0 120,0 90,0 90,0 1.060,0 1.075,0 160,0 160,0 144,0 119,4 62,8 69,0 320,0 397,6 1,5 1,4 150,0 150,0 168,4 164,0 50,0 51,0 49,2 45,0 1.150,0 1.135,2 10,4 10,2 120,0 130,8 100,0 105,0 35,0 25,0 140,0 140,0 353,0 369,2 45,0 43,0 9,9 7,3 140,0 140,0 440,0 440,0 176,0 159,4 992,0 977,0 80,0 95,2 220,0 219,4

1 Summen

...

6.674,5 6.758,9

^Pump

[m]

[Mio. m^]

1,1 230,0 96,0 68,0 1.140,0 126,0 104,0 34,0 310,0 0,8 150,0 154,0 40,0 38,0 1.150,0 10,8 117,6 84,0 24,5 140,0 301,0 18,0 6,3 96,0 476,0 80,0 1.000,0 72,0 128,0

[%] kA. kA. 74,0 68,0 72,5 kA. 72,0 kA. kA. 68,0 kA. 64,9 kA. kA. 66,0 73,0 65,0 kA. 75,0 69,0 75,1 76,8 55,5 kA. 64,0 kA. 65,0 76,0 71,0 61,0

49,4 127,0 293,0 83,0 292,0 302,0 211,9 205,0 56,5 303,8 89,0 165,0 310,4 128,0 127,0 288,3 220,0 142,5 188,0 122,0 266,0 413,0 368,0 56,0 296,0 329,0 160,0 626,0 125,6 250,0

215,000 1 0,020 1 1,566 1 3,300 1 0,900 1 12,000 1 1,800 1 108,000 1 182,000 1 3,300 1 1,700 1 1,530 1 1,565 1 2,100 1 2,100 1 6,460 1 0,252 1 1,980 1 1,500 1 1,500 1 1,000 1 2,000 1 14,290 1 67,000 1 0,760 1 4,400 1 1,350 1 4,400 1 1,800 1 1,300 1

6.228,1

...

—

[MW] 32,0

1

Wie die Pumpspeicherkraftwerke bei kombinierter Energiebedarfsdeckung durch Warme- und Wasserkraftwerke innerhalb dieser Versorgungsstruktur nach Leistungsgruppen und Ausnutzungsdauer emzuordnen sind, geht aus Tabelle 17.3 m Verbindung mit Tabelle 2.6 hervor. Zu beachten ist, daB die in Tabelle 17.3 ausgewiesene Ausnutzungsdauer, also die VoUaststundenzahl, sich nur auf die abgegebene Wirkarbeit mit verhaltnisma-

17 Pumpspeicherkraftwerke

657

Big geringen Stundensummen von unter 1.000 h bezieht. Nicht beriicksichtigt sind hierbei der Einsatz der Pumpspeicherkraftwerke fiir den Pumpbetrieb und Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb, bei dem Blindarbeit geleistet wird. Bezieht man in die mit der Wirkleistung in Verbindung gebrachten Ausnutzungszeiten zusatzlich die Zeiten ftir den Blindleistungs- bzw. Phasenschieberbetrieb und ebenso fiir die Einsatzbereitschaft ein, dann laBt sich feststellen, daB die betreffenden Pumpspeicherwerke uber die Halfte der Jahresnennzeit (8.760 h) am Netz sind und entweder im Turbinen-, Pumpen- oder Phasenschieberbetrieb - hier als mitlaufende Reserve - arbeiten. In diesem Fall wiirden die Pumpspeicherkraftwerke auf eine durchschnittliche Ausnutzungsdauer von ca. 1.850 h kommen. Uber 30 % der Jahresnennzeit entfallen auf die Bereitschaftszeiten und lediglich 10 % sind Zeiten der Nichtverfugbarkeit, z. B. infolge Revision. Die tatsachlichen Betriebsstunden der in der erwahnten Betrachtung untersuchten 20 Pumpspeicherkraftwerksanlagen mit den 78 ausgewahlten Maschinengruppen betrugen 4.730 h, somit 54% der Jahresnennzeit mit 8.760 h [17.9]. Unter Hinzuziehung der Bereitschaftszeiten sind es sogar 7.709 h, die 88 % der Jahresnennzeit entsprechen. Tabelle 17.3: Kraftwerksgesamtleistung und Ausnutzungsdauer der Kraftwerke der offentlichen Elektrizitatsversorgung in Deutschland 1996 [nach 17.12] 1 LaufWasser 1 Speicherwasser 1 Pumpspeicher mit nat. ZufluB 1 ohne nat. ZufluB 1 Wasser gesamt 1 Kemenergie 1 Braunkohle Steinkohle Steinkohle/01/Gas Heizol

1 Erdgas 1 sonstige 1 Warme gesamt [1 Insgesamt/Durchschnitt

Anzahl Gesamtleistung [MW] Ausnutzungsdauer [h] 1 2.632 603 5.271 242 59 1.971 821 15 1.197 817 4.327 18 695 8.398 — 1 7.414 17 20.901 6.913 18.779 28 4.816 16.497 53 9.641 4.477 32 336 42 7.573 1.477 98 14.956 2.634 43 448 90.654 4.731 315 4.520 1 99.052 1.010

17.8

Sonderausfiihrungen

17.8.1

Extreme Forderhohen und Leistungen

Die bisher groBte maximale Forderhohe einer einstufigen Pumpturbine besaB seit der Inbetriebnahme des ersten Maschmensatzes im Oktober 1994 die Pumpspeicheranlage Chaira, Bulgarien, mit 701 m zu. Im Endausbau sollen die vier vertikalen, einstufigen Francis-Pumpturbinen dieser Anlage im Pumpbetrieb mit einer maximalen Eingangsenergie von jeweils 220 MW arbeiten und im Turbinenbetrieb bei einer maximalen Fallhohe von 676,8 m bis zu jeweils 216 MW liefem [17.13]. Ubertroffen wird diese Forderhohe seit Dezember 1999 durch die Anlage

658

ITPumpspeicherkraflwerke

Kazunogawa in Japan mit maximal 782 m, die nach vollstandiger Fertigstellung 2003 im Turbinenbetrieb mit vier Maschinensatzen bei einer nutzbaren Fallhohe von 714 m mit neu entwickelten speziellen Pumpenturbinenlaufradem insgesamt 1.600 MW erzeugen soil (s. a. Kapitel 14.5.2) [17.14]. Mehrstufige Anlagen dagegen erreichen bereits Pumpenforderhohen von mehr als 1.200 m, und groBere Hohen scheinen durchaus realisierbar. Nach zehnjahriger Bauzeit ist im Jahr 2000 das mit 2.400 MW leistungsstarkste Pumpspeicherwerk der Welt komplett in Betrieb gegangen. Es handelt sich um die un Sudosten Chinas in der Provinz Guangdong (nahe Hongkong) entstandene Anlage Guangzhou. Die beiden rund 3 km weit auseinanderliegenden, einen gegenseitigen Hohenunterschied von 535 m aufweisenden Pumpspeicherbecken haben ein Speichervermogen von je 25 Mio. m^ und konnen damit 6 Vollaststunden lang insgesamt 8 Maschinensatze von je 300 MW Leistung bedienen. Die zwei Maschinenkavemen sind allein 92,5 m lang, 21 m breit und 47,6 m hoch. Das gesamte unteru-dische Krafthaus mifit 150 m Lange [17.15]. 17.8.2

Untertage-Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicheranlagen wurden bisher nur in Gebieten mit naturlichen Hohenunterschieden gebaut, indem das Oberbecken auf z. B. einem Berg und das Unterbekken im Tal angeordnet wurden. Da jedoch auch in relativ flachen Gebieten in Verbindung mit groBeren Verbrauchszentren und anderweitigen Erzeugem Pumpspeicheranlagen eine wichtige RoUe im Netz iibemehmen konnten und dartiber hinaus die gUnstigen Standorte bereits genutzt werden, wird seit einigen Jahrzehnten dartiber nachgedacht, auch dort derartige Anlagen mit einem unterirdischen Unterbecken zu errichten. Derartige tJberlegungen existieren momentan vor allem in den USA und Japan. VerhaltnismaBig weit fortgeschritten sind derzeit die Planungen fur ein Pumpspeicherkraftwerk in Mt. Hope, New Jersey, USA, dessen Bau ursprtinglich 1996 beginnen und das im Jahr 2002 in Betrieb gehen sollte (s. Abb. 17.10). Infolge der Veranderungen auf dem amerikanischen Energiemarkt muBte jedoch alles um mehrere Jahre verschoben werden. Die Jahreserzeugung soil bei ca. 10 GWh liegen; damit stellt diese Anlage das weltweit zweitgroBte Pumpspeicherprojekt dar [17.16]. Das besondere Merkmal dieser Anlage ist, daB ein ausreichend beltiftbares Kavemensystem, das sich in 762 m unter der Erdoberflache befindet, als Unterbecken fungiert und dadurch eine Pumpenforderhohe von 744 bis 810 m bei einer Leistung von mindestens 368 MW ergibt. Im Turbinenbetrieb konnen bereits bei der kleinsten moglichen Fallhohe von 732 m insgesamt 339 MW genutzt werden.

17 Pumpspeicherkraftwerke

659

Felspfeiler Kavemenreihung Gefalle 0,5 % Umspannanlage Transformatorenstollen Beliiftungstunnel

New-Leonard-Schacht 300 q_Oberbecken ^ ^ ^

^Bauschacht

^!T Hauptzugangsy schacht

3 Einlaufschacht

Beluftungsschacht fur das Unterbecken

-300

Pumpensumpf I

Unterbecken

I II t !

-600 Hohe u. NN [m]

^ Hauptzugangstunnel Entwasserungs-^ bntwasserungs-/ -j \\ V Transformatoren-StoUen stollen _ i L_Sa Saugschlauch / Verschlusse Krafthaus Energieableitungstunnel

Abb. 17.10: GrundriB und Querschnitt der geplanten Pumpspeicheranlage Mt. Hope, New Jersey, USA [17.16] 17.8.3

Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerke

Nachdem in Japan tiber 40 Pumpspeicherwerke in Betrieb sind und sich nur noch in sehr eingeschranktem MaBe weitere FluBgebiete zu Pumpspeicheranlagen heranziehen lassen, wurde 1991 mit dem Bau einer ersten kustenangrenzenden Anlage auf der Insel Okinawa begonnen. Zwei Jahrzehnte wahrende Voruntersuchungen und Ausfuhrungsplanungen ergaben eindeutige Vorteile derartiger Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerke angesichts der ausgedehnten, oftmals steil abfallenden Kustenzonen Japans, der vielfachen kiistennahen GroBstadte und Industriezentren und schlieBlich angesichts der Erspamis von Unterbecken. Allerdings bringt die Nutzung von Meerwasser neue Anforderungen an Werkstoffe, Betriebsweise und SchutzmaBnahmen fur die Umwelt mit sich. Im wesentlichen sind hierbei zu nennen: - Eine Infiltration von Salzwasser in den Untergrund von Triebwasserstollen und Oberbecken und damit auch die Gefahrdung des Grundwassers sind zu unterbinden. - Das Meeresgetier muB vom Triebwassersystem und von den Turbinen femgehalten werden.

660

17 Pumpspeicherkraftwerke

-

Ein Korrosionsschutz ist fur alle Stahl- bzw. Metallkonstmktionen, ob Stollenauskleidung, Rohrleitungen, Armaturen oder Turbinen, unabdingbar. - Die Zu- und Abstromung des Turbinenwassers miissen ungeachtet der Wellenbewegungen und Meerwasserspiegellagen in stetigem FluB erfolgen. - Auch bei heftigem Wind darf das im Oberbecken gespeiclierte Salzwasser nicht auf die umgebende Pflanzen- und Tierwelt verspriiht werden. Nach einwandfreier Klarung dieser Fragestellungen erfolgte der BaubeschluB fiir das 1999 in Betrieb gegangene, zunachst als Pilotprojekt zu verstehende Pumpspeicherwerk Okinawa Yambaru mit einer installierten Leistung von 30 MW. Wie im einzelnen aus Abb. 17.11 hervorgeht, befindet sich das im GrundriB oktogonal geformte Oberbecken auf 152 m Hohe uber dem Meereswasserspiegel und 600 m landeinwarts. Die mit Oberwasser- und Unterwasserstollen verbundene Krafthauskaveme liegt 25 m unter Meeresniveau. Der neben dem Vertikalschacht den Zugang zur Maschinenhalle bildende StraBentunnel ist ebenso wie das im Korallenriff angelegte Einlaufbauwerk durch einen Wellenbrecher wirksam geschiitzt. Die achteckige Gestaltung des durch Aushub auf einer Bergkuppe entstandenen, im Durchmesser 252 m groBen und 25 m tiefen Speicherbeckens ergab sich einmal aus der Minimierung von Erdbewegungen und Ringdammschiittung, zum anderen aus der fiir die Oberflachendichtung einfachen, geometrischen Formgebung. Die Beckenversiegelung erfolgte durch eine in Bahnen aufgelegte und verschweiBte Ethylen-Propylen-Membran in 2 mm Starke, die hinsichtlich Dichtigkeit, Dauerbestandigkeit, Widerstandsfahigkeit gegen Witterungseinfliisse (Ozon, UV-Strahlung etc.) und gegen mechanische Beanspruchungen (darunter Sogkraften infolge eines Taifiins) in Langzeitversuchen gepriift worden ist. Die Oberflachendichtung liegt auf einer 50 cm starken, kiesigen Drainageschicht auf, wobei eine Polyester-Zwischenschicht fur eine glatte Auflagerflache sorgt. Das in den Drainageleitungen gesammelte Sickerwasser wird in das Oberbecken zurlickgepumpt. oberer Betriebswasserspiegel 152,00

unterer Betriebswasserspiegel 132,00 154 00

Zugangstunnel zum Auslaufbauwerk

flächige Kunststoffabdichtung

Kavernenkrafthaus mit Umspannwerk

Unterwasserkanal

Ein- und Auslaufbauwerk

-D

Abb. 17.11: Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerk Okinawa Yambaru, Japan: Schnitt (oben) und GrundriB (unten) [17.17]

17 Pumpspeicherkraftwerke

661

Ahnliche Sorgfalt zum Schutz gegen das Salzwasser lieB man bei dem fur maximal 26 m^/s ausgelegten Triebwassersystem in all seinen Komponenten mittels wirksamer Kunststoffummantelungen und Fugenabdichtungen walten. Feinste Flugasche fand bei den Betonverpressungen langs der AuBenschale der ausgekleideten Stollen Verwendung. Gleichfalls erfuhren Pumpenturbine und Generator hochsten Korrosionsschutz, beispielsweise durch rostfreien, in Austenit und Martensit ausgefiihrten Stahl fiir alle Konstruktionselemente. Im ersten Betriebsjahr leistete die neuartige Pumpspeicheranlage sehr erfolgreich iiber 3.500 Stunden Turbinen-Pumpbetrieb [17.18]. 17.8.4

Luftspeicherkraftwerke

Luftspeicherkraftwerke sind Gasturbinenanlagen mit Druckspeichem fiir die zwischengespeicherte Verbrennungsluft, eine seit etwa Mitte des 20. Jahrhunderts verfolgte Idee fur Speicherkraftwerke im thermischen Bereich. Man unterscheidet zwischen Speichem mit konstantem Druck, den Gleichdruckspeichem, und Speichem mit Druckgefalle, den Gleitdruckspeichem. Luftspeicherkraftwerke sind jedoch im Gegensatz zu den Wasserkraftanlagen mit Pumpbetrieb nicht fur den Walzbetrieb geeignet, so sehr sie die gleiche Qualitat zur Spitzenbedarfsdeckung haben. Beim Gleichdruckspeicher gemaB Abb. 17.12 wird die Luft durch eine Pumpe wahrend Schwachlastzeiten in einen unterirdischen, wassergeflillten, dichten Speicher gepreBt, woraufhin das Wasser iiber einen Steigschacht in ein oberirdisch ausgelegtes Ausgleichsbecken verdrangt wird. Im (Gas-) Turbinenbetrieb tritt der umgekehrte Stromungsvorgang ein, und die komprimierte Luft, die sowohl beim Fiill- als auch Entleerungsvorgang unter konstantem Druck steht, stromt zuruck in die Brennkammer des Warmekraftwerkes.

Abb. 17.12: Schematische Darstellung eines Gleichdruckspeichers Auch beim Gleitdruckspeicher wird Luft in eine unterirdische, trockene Kaveme gepreBt. Ein derartiger Speicherraum mit sehr hohem Innendruck kann beispielsweise durch Aussolen eines Salzstockes hergestellt werden. Ein erstmalig in der Welt nach diesem Konstruktionsprinzip ausgefuhrtes Modell ist die seit 1977

662

17 Pumpspeicherkraftwerke

einwandfrei arbeitende Anlage Huntorf/Oldenburg mit 290 MW installierter Leistung (s. Abb. 17.13). Zur Spitzenstromerzeugung wird die bis zu einem maximalen Druck von 72 bar gespeicherte Luft unter einem reduzierten Druck von 42 bar der zweistufigen Gasturbine zurtickgefuhrt. In Huntorf konnen bei ganzlicher Ausnutzung der in 700 m Tiefe geschaffenen Speicherkapazitat von 300.000 m^ im Vollastbetrieb 2 h gefahren werden. Die Fiillung des Luftspeichers dauert dagegen 8 h.

Abb. 17.13: a) Schema des Gleitdruckspeichers Huntorf ; b) Schema einer LuftspeicherGasturbine [nach 17.19] Interessant ist ein Kostenvergleich. Das mit einem Luftspeicher ausgestattete Gasturbinen-Kraftwerk Huntorf kam auf einen spezifischen Preis von ca. 195 €/kW, das parallel errichtete Hotzenwaldkraftwerk mit dem Kavemenkraftwerk Wehr und dem Oberbecken Homberg kam 1977 auf ca. 275 €/kW. Neben der zweiten bisher existierenden Anlage gleicher Bauart in Mcintosh im US-Bundesstaat Alabama mit 110 MW installierter Leistung und einem Speichervolumen von 540.000 m^ und Druckniveaus von 75 und 46 bar sind bisher noch keine weiteren Anlagen in Betrieb. Seit Mitte der 1990er Jahre erleben derartige Luftspeicherkraftwerke vor allem in den USA wieder eine gewisse Renaissance, indem diese dort dazu beitragen sollen, die in emigen Bundesstaaten vorhandenen Energieengpasse zu gewissen Zeiten infolge fehlender Kraftwerksreservekapazitaten auszugleichen. Auch wird diesem Kraftwerkstyp eine Chance als Kombinationskraftwerk mit Windparks eingeraumt, kann damit doch die stark schwankende Erzeugung aus Windkraftanlagen gut gepuffert und so die Netzbelastung reduziert werden. Neben einigen in der Planung befindenden Projekten ist dasjenige des Luftspeicherkraftwerkes Norton im Bundesstaat Ohio derzeit am weitesten vorangetrieben. Bei diesem in der Realisierungsphase begriffenen Kraftwerk wird eine in 800 m Tiefe gelegene, aufgegebene Kalkmine als Luftspeicher mit 9 Mio. m^ Volumen

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663

genutzt. Bei einem Uberdruck von 110 bar soil das Kraftwerk in der Endphase eine Leistung von 2.700 MW erreichen. 17.8.5

Pumpspeicherwerk mit drehzahlvariablen Maschinensatzen

Im Herbst 1997 wurden die Bauarbeiten fiir eines der groBten deutschen Pumpspeicherwerke mit 1.060 MW installierter Leistung aufgenommen (s. Abb. 17.14). Die in Thiiringen gelegene Anlage Goldisthal nutzt das Wasser des kleinen Flusses Schwarza, wie es Planungen bereits Mitte der 1960er Jahre vorsahen, zehn Jahre spater sogar bergmannische und bauvorbereitende Arbeiten angelaufen waren, aber 1981 aus finanziellen Grunden durch die damalige DDR-Regierung zuriickgestellt werden muBten. Vor der Wiederaufiiahme dieses Projektes muBte mit Umweltverbanden ein auBergerichtlicher Vergleich gefunden werden. Anfang 1997 kam dieser nach langen Miihen schlieBlich zustande, wonach durch den Betreiber 3,6 Mio. € in eine Umweltstiftung zu zahlen waren, aus der Naturschutzprojekte und regenerative Energienutzung gefordert wurden. a

Unterbecken Stauraum b. Vollstau Trockenwetterreserve Nutzinhalt Staufläche max. ca. Dammhöhe ca. Dammvolumen ca. Dammkronenlänge

b

Oberbecken Stauziel 874,00

900

800 [mü. 7001 6005001

Abb. 17.14: Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal: a) Lageplan; b) Langsschnitt [17.20] Aus dem Lageplan und dem Langsschnitt in Abb. 17.14 gehen Konzeption und Entwurfsdaten des Pumpspeicherwerkes Goldisthal hervor. Das Oberbecken hat einen Stauraum von 12 Mio. m^ bei 55 ha FlachengroBe im Vollstau und ermoglicht einen achtstUndigen Turbinenvollastbetrieb. Der 3,4 km lange Ringdamm mit 5,4 Mio. m^ Schiittvolumen erhalt ebenso wie die Beckensohle eine Asphaltbetondichtung an der Wasserseite. Zwei 870 m lange, gepanzerte Druckstollen von 6,20 m Innendurchmesser verbinden das Oberbecken mit den Pumpturbinen in der

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17 Pumpspeicherkraftwerke

137 m langen, 26 m breiten und 48,5 m hohen Maschinenkaveme, neben der eine separate Trafokaveme angeordnet ist. Ebenfalls zwei 340 m lange, betonausgekleidete Unterwasserstollen von 8,2 m Innendurchmesser schlieCen an das Unterbecken an, das durch den Aufstau der Schwarza mit einem 67 m hohen Steinschtittdamm geschaffen wird. Auch hier wurde eine AuBendichtung mit Asphaltbeton gewahlt. Eine Vorsperre verhindert ein Trockenfallen der Stauwurzel bei betriebsbedingten Wasserspiegelschwankungen. Vier Pumpturbinen a 265 MW kommen zum Einsatz. Hiervon haben zwei Maschinensatze mit Asynchronmaschinen eine variable Drehzahl zwischen 300345 min'^ (s. Kapitel 14.4.2 und 16.3.6.1) Bei einer Nennfallhohe von 301,65 m und einem maximalen DurchfluB je Turbine von ca. 100 m^/s im Turbinenbetrieb kann die Hochstleistung von 269 MW binnen 75 s vom Stillstand aus erzielt werden. Fur den erwahnten Verstellbereich der Drehzahl wird eine Regelbandbreite von 80 MW im Pumpbetrieb (max. Durchsatz je 80 m^/s) zur Leistungsregelung im Netz verfiigbar sein. Dagegen reichen im Turbinenbetrieb fur die Wirkungsgradoptimierung Drehzahlanderungen zwischen 300-320 min"^ aus. Mit niedrigen Drehzahlen im Turbinenbetrieb, bei gleichzeitiger Wirkungsgradverbesserung, und beim Anfahren in den Pumpenbetrieb geht eine Verringerung der dynamischen Belastung der Pumpturbine und des Motors einher. Tabelle 17.4: Pumpspeicherkraflwerk Goldisthal: ausgewahlte technische Daten der Motor-Generatoren [17.21] 1

Synchronmaschinen

iNennscheinleistung [MVA] iMotorleistung/Kupplimg [MW] iNennspannung Stator/Laufer [kV] iDrehzahl/Durchgangsdrehzahl [min'^] IWirkungsgrad Turbinenbetrieb Generator/Pumpspeichersatz 100%Nennlast [%] 70%Nennlast [%] 30%Nennlast [%] lAuBendurchmesser/Bauhohe [mm] Gewicht Stander/Laufer [t] [Massentragheitsmoment [tm^] L

331 261 18/3,8 333,3/535

Asynchronmaschinen mit variabler Drehzahl | 340 300 18/3,8 333,3 + 4 % bzw. -10 %/535

98,6/86,5 98,3/87,7 96,7/68,7 8700/4895 271/433

97,4/85,5 97,2/89,4 95,3/77,5 8200/5580 290/493

2250

2500

1

Der Betreiber, die Vattenfal Europe AG, hat eine Energieerzeugung mit einem hohen Anteil an Braunkohlekraftwerken zur Grundlastdeckung und einen relativ geringen Mittellastanteil. Daher muB das in GroBe und Technik herausragende Pumpspeicherwerk Goldisthal Regelarbeit im Spitzenlastbereich und teilweise im Mittellastbereich leisten. Neben schneller Startbereitschaft und kurzfristigen Betriebsartenwechsehi mussen daher die Maschinensatze auch zur Netzregelung tiber ausgedehnte Zeitspannen herangezogen werden. Konventionelle Pumpspeichersatze eignen sich hierzu weniger. Nach umfangreichen Voruntersuchungen kam es zur Entscheidung, daB zwei Motorgeneratoren als drehzahlgeregelte Asynchronmaschinen mit Umrichtem ausgefuhrt werden sollen. In dieser GroBenordnung von Maschinen wird in Europa Neuland betreten. Die unterschiedlichen Merkmale

17 Pumpspeicherkraftwerke

665

der vorgesehenen je zwei Synchron- und Asynchronmaschinen sind in Tabelle 17.4 zusammengestellt. Bemerkenswert ist der zu erwartende hohe Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Bei im Mittel 70 %iger Auslastung der vier Maschinengruppen belauft er sich auf 80 %. Eine Steigerung um bis zu 10 % kann bei den beiden drehzahlvariablen, neuartigen Maschinensatzen im Turbinenbetrieb unter Teillast erwartet werden. SchlieBlich sei noch das Dotationskraftwerk (s. a. Kapitel 4.3.3) am Unterbekken erwahnt, in dem das an den Unterlauf der Schwarza abzugebende Mindestwasser energetisch genutzt wird. Aufgrund der groBen AbfluBschwankungen und der starken Fallhohenanderungen wurde hier eine Durchstromturbine mit einem Synchrongenerator ausgewahlt, die eine installierte Nennleistung von 770 kW besitzt. Diese Kleinwasserkraftanlage dient daruber hinaus der Eigenversorgung bzw. als Notstromaggregat. Die Kosten der Gesamtanlage werden sich auf ca. 600 Mio. € belaufen, woraus sich die spezifischen Kosten von etwa 560 €/kW errechnen. Die vorlaufige Inbetriebnahme des ersten Maschinensatzes erfolgte im Herbst 2002 und dessen endgultige Anfang Marz 2003. Die Inbetriebnahme des vierten Satzes fand Anfang 2004 statt, und die Anlage ging Ende Oktober 2004 in den regularen Dauerbetrieb iiber. 17.9 [17.1]

[17.2] [17.3] [17.4]

[17.5] [17.6] [17.7] [17.8] [17.9] [17.10]

[17.11]

Literatur Giesecke, J.: Pumped-storage Plants - their Role and Future Significance for the Electricity Supply in Germany. In: Dams in Germany. Essen: VerlagGluckauf,2001 Giesecke, J.: Entwicklungsstufen von Pumpspeicherwerken in BadenWurttemberg. In: Schriftenreihe des DVWK (1986), Band 78, Seite 7-49 Mosonyi, E.: Folgen der Sickervorgange aus Oberbecken von Pumpspeicherwerken. Li: Wasserwirtschaft 70 (1980), Heft 3, S. 133-137 Sargent, S. C : Seepage Problems of Pumped Storage Reservou*s. In: Proceedings of the International Conference on Pumped Storage Developments and its Environmental Effects. University of Wisconsin, Milwaukee, USA, 1971 Giesecke, J.; Brombach, H.: Stromungsmechanische Elemente im Wasserbau. hi: Wasser & Boden 26 (1974), Heft 12, Seite 340-345 Giesecke, J.: Entwicklungstendenzen im Wehrbau. In: Wasser & Boden 38 (1986), Heft 4, Seite 182-188 Mosonyi, E.: Wasserkraftwerke. Bd. I + II. Dusseldorf: VDI-Verlag, 1966 Schluchseewerk AG, Freiburg: Personhche Auskunft, 1996/2002 Rost, M.: Pumpspeicherkraftwerke - Aufgaben und Zukunft im Stromwettbewerb. In: Wasserwirtschaft 90 (2000), Heft 7-8, S. 328-331 King, D.; Bradley, D. et al.: Control of pumped-storage hydro plant using multiple fiizzy inference systems. In: Hydro 2002 - Development, Management, Performance, Conference Proceedings, Kiris, 2002, S. 21-28 Heimerl, S.: Giesecke, J.: Wasserkraftanteil an der elektr. Stromerzeugung in Deutschland 2003. In: Wasserwutschaft 94 (2004), H. 10, S. 2840

666

17Pumpspeicherkraftwerke

[17.12] Vereinigung Deutscher Elektrizitatswerke (Hrsg.): Pumpspeicherkraftwerke - Emsatz und Betriebsergebnisse. VDEW-Materiahen M-35/97 [17.13] N. N.: Fu*st Chau*a pumped storage generation unit commissioned. In: Water Power & Dam Construction 46 (1994), Nr. 12, Seite 3 [17.14] Nakamura, T.; Inagaki, T. et al.: Development for 700 m class head and large capacity pump-turbines. In: Hydro 2001 - Opportunities and Challenges, Conference Proceedings, Riva del Garda, 2001, Seite 459-468 [17.15] Dansie, J.: Civilised engineering succeeds at Guangzhou. In: Water Power & Dam Construction 48 (1996), Heft 4, Seite 24-27 [17.16] Reynolds, P.: The need for speed. In: Water Power & Dam Construction 46 (1994), Nr. 8, Seite 62-64 [17.17] Agency of Natural Resources and Energy, The Ministry of International Trade and Industry (MITI), Japan (Hrsg.): Seawater pumped-storage power plant. [17.18] Pritchard, S.: Japanese pumped storage embraces the ocean waves. In: Water Power & Dam Construction 52 (2000), Nr. 8, Seite 30-34 [17.19] Herbst, H.-C; MaaB, P.: Das 290-MW-Luftspeicher-Gasturbmenkraftwerk Huntorf. In: VGB Kraftwerkstechnik 60 (1980), Heft 3, S. 174-187 [17.20] Zimmermann, J.: Baubeginn des PSW Goldisthal in Thiiringen. In: Wasserwirtschaft 88 (1998), Heft 2, Seite 96-97 [17.21] Bogenrieder, W.: Neubau des Pumpspeicherwerkes Goldisthal (Thiiringen). In: Wasserwutschaft 88 (1998), Heft 12

667

18

Wasserkraft und Umwelt

Entsprechend der ausgepragt individuellen Eigenschaften eines jeden Wasserkraftprojektes muB die Betrachtung und Priifiing der jeweiligen Umweltwechselwirkungen sehr detailliert durchgefiihrt werden (s. Abb. 18.1). Die Wasserkraftnutzung unterscheidet sich von den anderen Moglichkeiten der elektrischen Stromerzeugung dadurch, daB die Wahl des Standortes, die Gestaltung der Anlage mit alien dazugehorigen Bauwerken und schlieBlich auch der Ausbaugrad im Grunde vollstandig von der Natur und weniger von der anthropogenen, also vom Menschen beeinfluBten Situation, abhangig sind. Zu derartigen anthropogenen Eingriffen werden Gewassergiiteveranderungen, fluBbauliche Eingriffe wie Begradigungen und harte AusbaumaBnahmen insbesondere kleiner Gewasser, die Unterbrechung des Gewasserkontinuums durch nicht tiberwindbare Wehre, naturfeme Uferbefestigungen, Kiesentnahmen, Freizeitaktivitaten und nicht zuletzt falsche fischereiliche Bewirtschaftung gezahlt. Darunter fallen auch die konstruktive Ausbildung und die Betriebsweise der Wasserkraftanlagen. 1. Anlagenart

Speicher Überleitungen Kraftstufen

2. Effekte im physikalischen System

Bauwerke und Gelände

Spiegelschwankungen

Wildbachverhalten Gewässerregime Bodenerosion / Hangbewegung Wasserversorgung Abwasserbeseitigung Kleintiere / Pflanzen 3. Auswirkungen Aquatisches Fische auf die Umwelt Ökosystem Bodenwasserhaushalt Bodenbiologie Terrestrisches Ökosystem Flora Fauna Natürlicher Landschaftscharakter ^ ^ ^ ^ ^ ^ H Auswirkung ist wirkung ist ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ sehr wahrscheinlich ^ ' wen g wahrscheinlich

Abflussund Wasserstand

Geschiebeführung

Berg-

Grund-

Makroklima

Wasserverhältnisse

•

Abb. 18.1:

Mikroklima

-• 1 Auswirkung befürchtet,

1jedoch unwahrscheinlich

1

icher 1 kein Einfluss

Wesentliche Umweltwirkungen von wasserbaulichen Anlagen [18.1]

Weitere prinzipielle Unterschiede im Vergleich zur thermischen und nuklearen Energieerzeugung bestehen darin, daB die Wasserkraft eine emeuerbare Energiequelle ist und daB viele Wasserkraftanlagen neben der Stromerzeugung auch anderen bedeutenden Zielsetzungen (Mehrzweckanlagen z. B. zur Bereitstellung von Nutz-, Branch- und Kiihlwasser, Verbesserung der Schiffahrt etc.) dienen konnen (s. Kapitel 1.5 und 1.7). Aus diesen speziellen Eigenschaften der Wasserkraft folgt, daB die aus dem Betrieb einer Wasserkraftanlage resultierenden Effekte je nach Standort und zu betrachtendem Aspekt sowohl umweltbelastend als auch umweltfordemd sein konnen. Die Beurteilung dieser einzebien Effekte, deren Abhangigkeiten voneinander sowie deren Gesamtheit kann dabei letztlich nur in einem umfassenden Bewertungsverfahren unter Hinzuziehung einschlagiger Methodiken vorgenommen werden (s. Kapitel 3), um schlieBlich eine sachlich korrekte Aussage treffen zu konnen [18.2].

668

18 Wasserkraft und Umwelt

Unter dem Begriff „Umwelt" ist in der hier nachfolgend verwandten Definition die Natur inklusive des Menschen mit seinen sozialen, psychischen und kulturellen Forderungen zu verstehen. Diese auf den Menschen bezogenen Aspekte werden zur klaren Trennung zusammenfassend als „humane Elemente" der Umwelt bezeichnet. Unter dem Ausdruck Okosystem werden Schutzgiiter der Natur, die die Pflanzen- und Tierwelt mit ihren terrestrischen und aquatischen Umgebungen enthalten, verstanden. Die Bereiche der Natur, auf die die Auswirkungen einer Wasserkraftanlage zu untersuchen sind, konnen auf folgende Weise gegliedert werden [18.3]: - Atmosphare; - Hydrosphare, also die ober- und unterirdischen Gewasser; - biologisches System, das heiBt Flora und Fauna; - obere Bodenschichten (Landwhtschaft, Forstwirtschaft, Siedlungen etc.); - Erdkruste, insbesondere seismische Auswirkungen und Rohstoffe. Die primaren Veranderungen in der Hydrosphare beziehen sich auf physikalische, chemische und physiographische Faktoren. Dazu gehoren beispielsweise FlieBgeschwindigkeiten und Wassertiefen, morphologische Eigenschaften sowie das Sauerstoff- und Temperaturregime, jeweils in ihrer raumlichen und zeitlichen Heterogenitat. Diese Veranderungen wiederum betreffen direkt das Lebensraumangebot fiir gewassergebundene Tiere und Pflanzen. Daraus ergeben sich sekundar neue Lebensgemeinschaften, welche an das veranderte System angepaBt sind. Zu den humanen Bereichen, auf die die Wasserkraftanlagen je nach ihrer Gesamtgestaltung EinflUsse haben konnen, gehoren insbesondere: - sozialer Bereich: Lebensqualitat, Sicherheit des Lebens und des Arbeitsplatzes, Erholung, Sport, Tourismus; - psychologische Aspekte: Sicherheitsgeftihl, Staubbelastung, Larmbelastigung, allgemeines Wohlbefinden auch der in dem Kraftwerk arbeitenden Menschen, Auswirkung infolge eventueller Umsiedlung bei GroBanlagen; - Asthetik der Landschaft und der Bauten; - kulturelle Aspekte: Forderung der kulturellen Entwicklung durch das Energieangebot. Fiir eine realistische Beurteilung der Umweltwechselwirkungen muB die Untersuchung stets alle drei Existenzphasen, also Bau, Betrieb und Entsorgung der Anlage, sowie die dabei eventuell auftretenden auBergewohnlichen Betriebszustande und die St5rfalle umfassen. Die Beurteilungsergebnisse finden auch Eingang in die notwendige vergleichende Wirtschaftlichkeitsuntersuchung (s. Kapitel 3.3). Die Priifung der Umweltvertraglichkeit sowie die Durchfuhrung der okologischen Begleitplanung einer Wasserkraftanlage muB aufgrund der bereits deutlich gewordenen und nachfolgend noch naher beschriebenen Komplexitat in Zusammenarbeit mit Experten der okologischen und gesellschaftlichen Disziplinen geschehen, wobei die Vorgaben der Gesetze und Regelwerke (s. Kapitel 3.4) einzubeziehen sind. Dabei sind nicht nur die regionalen, sondem auch die iiberregionalen Auswirkungen, die sich beispielsweise im Fall von Migrationsbarrieren auf das gesamte FluBeinzugsgebiet erstrecken konnen, zu beriicksichtigen.

18 Wasserkraft und Umwelt 18.1

669

Einfliisse auf die Atmosphare

Die wichtigste umweltrelevante positive Eigenschaft der Wasserkraft - wie aller anderen emeuerbaren Energiequellen - ist die grundsatzliche Vermeidung bzw. die Reduzierung der Belastung der Atmosphare durch schadliche Emissionen, auch wenn wahrend der Bauzeit der Anlagen zweifelsohne mit einer zusatzlichen lokalen Emissionserhohung zu rechnen ist. Der wohl aktuellste und profundeste Vergleich der wesentlichen Emissionen der wichtigsten Energieerzeugungsformen liegt mit den Anfang 2000 veroffentlichten kanadischen Untersuchungen fur den nordamerikanischen Kontinent auf der Basis von Lebenszyklus-Analysen mit einem lOOjahrigen Betrachtungszeitraum vor (s. a. Kapitel 1.7.3) [18.4]/[18.5]. Aufgrund des analogen technischen Niveaus sowie der ahnlichen klimatischen und landschaftlichen Bedingungen infolge der vergleichbaren geographischen Lage konnen diese Daten im wesentlichen auf Europa ubertragen werden [18.2]. So zeichnet sich die Wasserkraft bei dem in Abb. 18.2 dargestellten Vergleich der Treibhausgasemissionen durch sehr niedrige Werte aus. Dabei umfassen die in C02-Aquivalente umgerechneten Emissionen vor allem die Gase CO2 (Kohlendioxyd) und CH4 (Methan). Hinzu kommen noch N2O, CF4 und C2F6, die nach derzeitigem Kenntnisstand jedoch nur in geringerem Umfang zur globalen Klimaerwarmung beitragen. kt CO2-Äquivalent/TWh

1.200

Grundund Spitzenlasteinsatz

Grundlastkraftwerke mit begrenzter Anpassungsfähigkeit

intermittierender Betrieb mit : Ersatzleistungsbedarf

Repräsentativwerte für vorhandene Technologien, gültig für die nordöstliche Region voin Nordamerika 1.000

Wertebereich der in der Literatur weltweit veröffentlichen Angaben; diese Werte repräsentieren die weltweit unterschiedlichen Energiesysteme.

800

600

400

200

0

15

9

13

<^ Abb. 18.2: Treibhausgas-Emissionen versch. Energieerzeugungsformen [18.4]/[18.2] Laufwasserkraftwerke weisen dabei - wenn iiberhaupt - die geringsten Treibhausgasemissionen auf. Speicher- und eventuell Pumpspeicherwasserkraftanlagen zeichnen sich ebenso durch einen sehr niedrigen Wert aus, jedoch variieren die Werte in Abhangigkeit von den ortlichen Gegebenheiten. Neben der geographischen Breite und der damit zusammenhangenden klimatisch bedingten Unter-

18 Wasserkraft und Umwelt

670

schiede spielt vor allem die den Speicher umgebende Landschaft eine entscheidende Rolle. Je nach Vegetation und Topographie kann der Eintrag von Biomasse in den Speicher und deren anaerober Abbau die Bilanz bedeutend negativ beeinflussen. Einen weiteren, bisher aber nur unzureichend erfaBbaren EinfluB besitzt das direkt aus der Atmosphare iiber die Wasseroberflache in die Speicher eingetragene CO2, wodurch die MeBergebnisse verfalscht werden, da diese Emissionen nicht den Speicherwasserkraftwerke zugeordnet werden dtirfen. Der Freisetzung nicht unbedeutender Mengen von Treibhausgasen infolge von Abbauprozessen uberstauter Vegetationszonen beim Erstaufstau von groBeren Speichem kann hingegen durch eine groBflachige Rodung und anschlieBende Raumung des Speicherraumes begegnet werden. Eine wichtige MeBgroBe hinsichtUch der Luftverschmutzung stellen die SO2und NOx-Emissionen dar. Diesen Stoffen wird vor allem ein negativer EinfluB auf das komplexe Pflanzenwachstum zugeschrieben, wobei heute niemand mehr von „Waldsterben" wie zu Anfang der 1980er Jahre spricht, da nach derzeitigem Kenntnisstand der Waldzustand eine ungeeignete MeBgroBe fur die sogenannte Umweltverschmutzung darstellt. t SO2/TWh

12.000

32.321

Grundund Spitzenlasteinsatz

Grundlastkraftwerke mit begrenzter Anpassungsfähigkeit

intermittierender Betrieb mit Ersatzleistungsbedarf

15.000

10.000 Repräsentativwerte für vorhandene Technologien, gültig für die nordöstliche Region von Nordamerika

8.013

8.000

Wertebereich der in der Literatur weltweit veröffentlichen Angaben; diese Werte repräsentieren die weltweit unterschiedlichen Energiesysteme.

6.000 5.274 4.000

2.000

0

1.285

7

J

3

1

• ^ - • - ^

384 I

26 26

I

26 26

i

69

24

>P

^^'^^^^<e Abb. 18.3: S02-Emissionen verschiedener Energieerzeugungsformen [18.4]/[18.2] Aus der vergleichenden Darstellung dieser GroBen in den Abb. 18.3 und 18.4 kann entnommen werden, daB sich samtliche Typen von Wasserkraftanlagen durch sehr niedrige Emissionen auszeichnen. Bei einer Betrachtung von thermischen Anlagen muB vor allem die Herkunft und Zusammensetzung der Primarenergie berucksichtigt werden, wodurch die jeweilige Emissionswerte deutlich beeinfluBt werden.

18 Wasserkraft und Umwelt

671

t NOX/TWh

> 12.000

^^^^^^H

Grundund Spitzenlasteinsatz

intermittierender Betrieb mit Ersatzleistungsbedarf

Grundlastkraftwerke mit begrenzter Anpassungsfähigkeit

l— 1

10.000

Wertebereich der in der Literatur weltweit veröffentlichen Angaben; diese Werte repräsentieren die weltweit unterschiedlichen Energiesysteme.

8.000

r I

6.000

4.000

2.000

0

1

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Abb. 18.4: NOx-Emissionen verschiedener Energieerzeugungsformen [18.4]/[18.2]

Nicht unerwahnt bleiben dtirfen noch mikroklimatische Anderungen, die groBe Speicher von Wasserkraftanlagen in der Umgebung des Stausees hervorrufen, wobei diese Einfliisse in Trockengebieten positive okologische Auswirkungen aufweisen konnen. 18.2

Beeinflussung der ober- und unterirdischen Gewasser

Der Schutz und die Verbesserung des Zustandes der Gewassersysteme spielen schon immer eine besondere Rolle, wobei die diesbezuglichen Aktivitaten mit dem Inkrafttreten der EG-Wasserrahmenrichtlinie und deren Umsetzung in das jeweilige Wassergesetz gebiindelt und weiter forciert wurden (s. Kapitel 3.4). Dementsprechend sind von derartigen Betrachtungen auch Standorte von Wasserkraftanlagen betroffen, an denen je nach Kraftwerkstyp und genutzter Fallhohe die drei Hauptkomponenten des hydrologischen Regimes der FlieBgewasser, also der DurchfluB, der Feststofftransport sowie die Bildung und Bewegung des Eises, mehr oder weniger beeinfluBt werden. Dabei konnen insbesondere Auswirkungen auf die FluBbettmorphologie und bei groBeren Stauhohen auf die Gestalt des FluBtales auflreten. So wird beispielsweise der Uferbereich durch die Veranderung der Wasserflache und durch die in einigen Fallen erforderlichen Seitendamme beeintrachtigt. Daruber hinaus kann bei Ausleitungskraftwerken die AbfluBanderung in der ursprunglichen Gewasserstrecke, dem sogenannten Mutterbett, bedeutende Konsequenzen haben, so daB eine Mindestwasserregelung notwendig wird, auf die im nachfolgenden Kapitel 19 entsprechend separat eingegangen wird.

672

18 Wasserkrafl und Umwelt

18.2.1

Veranderung der Gewassercharakteristik

18.2.1.1 FlieUgewassertypische Stromungsmuster Aus Kontinuitatsgrunden bedeutet generell jeder wesentliche Eingriff in den FlieBquerschnitt oder in den naturlichen AbfluB eine Veranderung der naturlichen Stromungsverhaltnisse. So erfolgt beispielsweise in Staubereichen vor allem eine Reduzierung und VergleichmaBigung der Stromung. In Ausleitungsstrecken bewirkt die AbfluBreduktion in Abhangigkeit von der Gewassermorphologie insbesondere eine Verringerung des Wasservolumens bzw. des sogenannten aquatischen Lebensraums, der aus biologischer Sicht besonders wichtigen iiberstromten Sohlflache, der Wassertiefen und der mittleren FlieBgeschwindigkeiten. Im Fall von Speicherkraftwerken konnen sich derartige Beeintrachtigungen auch tiberlagem, wenn das Wasser bereits in den Quellbereichen und Oberlaufen gefaBt, abgeleitet und somit iiber groBe Distanzen dem Gewasser entzogen wird. Diese Veranderungen haben gleichzeitig zur Folge, daB sich die Charakteristik der sohlnahen Stromungsbedingungen, d. h. Sohlschubspannungen, Liftkrafte und Turbulenzen, teilweise sehr stark verandem. Sie hangen von der Wassertiefe, dem Wasserspiegel- bzw. Sohlgefalle, der Substratrauheit oder vom Gradienten der FlieBgeschwindigkeit in Sohhiahe ab und sind fur Geschiebetrieb, Erosion oder Sedimentation verantwortlich. Entsprechend formen sie das Gewasserbett und das als Lebensraum genutzte Substrat, die sogenannten Choriotope. SchlieBlich sind sie auch daffir verantwortlich, daB organisches Material erodiert und dadurch Platz fiir eine neue Besiedlung durch Individuen derselben Art oder durch andere Arten geschaffen wird. Durch die Anderungen der GroBe und raumlichen Verteilung der sohlnahen Stromungsbedingungen tritt im allgemeinen eine Reduzierung der kleinraumigen Heterogenitat auf. Im Fall von Ausleitungskraftwerken fuhrt zudem das veranderte AbfluBregime in der Ausleitungsstrecke zu einer erheblichen Veranderung der zeitlichen Variabilitat. AUe genannten Faktoren haben fiir die wassergebundenen Organismen eine ausschlaggebende Bedeutung bezuglich der Eignung als Lebensraum, sie bilden mit ihrer raumlichen und zeitlichen Heterogenitat das hydraulisch-morphologische Habitatangebot. Es ist daher offensichtlich, daB jeder derartiger Eingriff eine weitreichende Veranderung der Lebensgemeinschaften mit sich bringt (s. Abb. 18.5). Durch die Festlegung des Oberwasserspiegels und der eventuellen Eindeichung der Stauraume gehen die Wasserstandsdynamik und die Dynamik der Uberfluteten Flachen erheblich zuriick, was sich in der Folge auf die Lebensgemeinschaften der FluBauen auswirkt. In natumahen Ausleitungsstrecken mit einer ausreichenden Mindestwasserfiihrung konnen die veranderten Ubergangsbereiche zwischen aquatischem und terrestrischem Lebensraum jedoch auch zu einer hohen Heterogenitat und damit zu einer Verzahnung dieser Lebensraume ftihren, wie es in begradigten und verbauten Gewassem selbst bei NormalabfluB nicht vorhanden ist.

18 Wasserkraft und Umwelt

673

I Aufstau I Unterbrechung des I Gewässerkontinuums Erwärmung des oberflächennahen Wassers verstärktes Algenwachstum TTT i , • A11 "11 J T.. rWanderungsbarriere Abkühlung des Tiefenwassers _.. ^. , '^ , ^ , . ^... J J T1 • ^ jx für Fische und Zoobenthon Wasserausleitung Veränderung der Lebensgemeinschaften - • Driftfalle für v^.-.-5-^.-.^ ••" <^ t - l ' ^ l ^ ; ^ "" " ~ ~,~ - ^ r-, , ,1 .^°.o "=•.• "^ ^ ^-—"^^^-s^^^"^—^^ Zoobenthon

Verlangsamung der Strömung

Verringerung der Tiefenerosion

sukzessive Sedimentation Geschiebesortierung I Grundwasseranhebung |

Abb. 18.5:

Faulschlammbildung Sauerstoffzehrung

'«-"«•"• •«5^^..<..--<5^ Sohlerosion infolge Geschieberückhalt oder Auflandungen nach Hochwässern

Okologische Auswirkungen von Stauanlagen [nach 18.6]

18.2.1.2 Geschiebe- und Schwebstoffhaushalt Der Aufstau von FlieBgewassem hat mehrfache Auswirkungen auf das FluBregime und damit auf den Geschiebe- und Schwebstoffhaushalt: die FlieBgeschwindigkeit verringert sich fortlaufend in der Haltung, der Feststofftransport wird langsamer, und damit lagert sich das mitgefiihrte Material beginnend mit der groben Fraktion an der Stauwurzel und endend mit den Feinstanteilen am Wehr ab. Insbesondere bei groBeren Speicherraumen an stark geschiebe- und schwebstoffiihrenden Gewassem stellen diese Ablagerungen und die damit verbundene Verringerung des Stauvolumens ein groBes Problem dar, wobei einerseits deren Vermeidung und andererseits deren Entfemung betrachtet werden mtissen (s. Abb. 18.5). Die Weitergabe des abgelagerten Geschiebes in die darunter liegende Gewasserstrecke ist an FluBstauraumen mit festen Wehren meist nur wahrend hoherer Wasserfiihmng bzw. Hochwasserphasen in begrenztem Umfang moglich. Bewegliche und darunter insbesondere unterstrombare Wehranlagen ggf. mit entsprechenden Zusatzeinrichtungen ermoglichen hingegen eine gewisse regehnaBige Steuerung der Geschiebeweitergabe (s. a. Kapitel 5.1.2). Heftige Spiilungen mit der plotzlichen Remobilisierung der Sedimente konnen hierbei jedoch fluBabwarts ungUnstige Schlamm- und Feinsedimentablagerungen erzeugen. Dies kann fur die Biozonosen katastrophale Auswirkungen haben, vor allem wenn die Stauraumsptilungen auBerhalb natUrlicher Hochwasserphasen ohne „Vorwamung" oder in kurzen zeitlichen Abstanden erfolgen. Insbesondere bei Ausleitungswehren, unterhalb derer wegen des reduzierten Abflusses die Transportkapazitat geringer ist, bilden sich dann Ablagerungen, die erst mit dem nachsten Hochwasser wieder verlagert und durch die Ausleitungsstrecke hindurch transportiert werden konnen. Die wichtigsten und erfolgreichsten Methoden zur Vorbeugung der Verlandung von Stauraumen sind ErosionsbekampfungsmaBnahmen im Einzugsgebiet, wie z. B. Aufforstung, Anderung der landwirtschaftlichen Nutzung, Terrassierung, Bauten zur Hangsicherung, Wildbachverbauung etc., oder die Anlage von Vorbecken bei groBen Stauanlagen. Gleichzeitig beeinflussen die Sedimentablagerungen indirekt die Sohlenerosion entlang der unterhalb der Sperre liegenden Strecke, da nach Ablagerung des transportierten Sedimentes im Speicherbecken der feststoffarme AbfluB infolge seiner

674

18 Wasserkraft und Umwelt

vorhandenen freien Transportkapazitat die FluBsohle unterhalb der Sperre je nach deren geologischer Struktur erodieren kann (s. Kapitel 6.2). Diese Erosionsstrecke endet erst bei der fluBabwarts nachsten sogenannten Erosionsbasis (Speicher, nattirlicher See, Felsschwelle oder Meer etc.). GegenmaBnahmen stellen die Befestigung der Gewassersohle, die Verringerung der FlieBgeschwindigkeit durch Sohlschwellen oder durch Aufweitungen oder gar die regelmaBige Zugabe von zu erodierendem Material, wie dies beispielsweise am Ende der Staukette des Oberrheines bei Iffezheim mit der Geschiebezugabe geschieht, dar. Bei alien diesen MaBnahmen handelt es sich wieder um Eingriffe in das Gewassersystem, deren okologische Folgen berticksichtigt werden miissen. An Ausleitungskraftwerken konnen infolge der verringerten Stromungskrafte zusatzlich unterhalb der Wehranlage in der Ausleitungsstrecke Schwebstoffe abgelagert werden, was zu einer Uberdeckung des ursprtinglichen Substrats mit Feinanteilen und zur sogenannten Kolmatierung, also dem VerschlieBen des Kiesluckensystems fiihrt. Dadurch vermindert sich wiederum die Durchstromung des Substrats, und das fur die Organismen wichtige Kiesltickensystem ist fur diese nicht mehr zuganglich. 18.2.1.3 AbfluB- und Hochwasserregime Unter dem AbfluBregime eines Gewassers, das zur Unterscheidung von FluBtypen nach hydrologischen Kriterien herangezogen wu*d, versteht man den Jahresgang des Abflusses, die Anzahl und Lage von Minima und Maxuna sowie die Schwankungsquotienten, die entstehen, wenn die mittleren AbflUsse einzelner Monate in das Verhaltnis zum langjahrigen mittleren JahresabfluB gesetzt werden. Dieser Quotient wird dabei von den Regimefaktoren bestimmt, wozu das Niederschlagsgeschehen im Emzugsgebiet, die Hohenlage und die Temperaturen, die Geologic und Morphologic sowie die Vegetation und anthropogene Eingriffe zahlen. In Verbindung mit lokalen und kurzzeitigen Einfliissen ergibt sich aus diesen Faktoren die natiirliche AbfluBdynamik. In Ausleitungsstrecken wird diese naturliche AbfluBdynamik erheblich gestort und damit in die Gewasserokologie gravierend eingegriffen. Insgesamt nimmt die Wasserfracht, die innerhalb eines Jahres eine Ausleitungsstrecke durchflieBt, deutlich ab. Niedrigwasserperioden mit nahezu konstanten Abfliissen werden verlangert, wogegen die nattirlichen Hochwasserspitzen aufgrund des zumindest bei Laufwasserkraftwerken begrenzten Fassungsvermogens der Anlage nahezu unverandert in die Ausleitungsstrecke weitergegeben werden. Der EinfluB von Wasserkraftanlagen auf das Hochwasser regime kann sehr unterschiedlich sein. Dabei zeichnen die zugehorigen Stauraume mit vorhandenem Stauvolumen sowie gestattetem Stau- und Absenkziel die Randbedingungen vor, die das Potential fur eine voriibergehende Aufhahme von Hochwasserzufliissen, den Dampfungsgrad des Hochwasserabflusses oder gar den ungebremsten HochwasserdurchfluB bestimmen. Die emfachste Art der Riickhaltung ist die sogenannte Seeretention, worunter man die ganzliche Ausgleichswirkung zwischen ZufluB Qz und AbfluB QA durch Seen oder seenartige Erweiterungen eines Gewasserbettes und damit eines Staubeckens versteht (s. Abb. 18.6a). Die selbsttatige Hebung des Wasserspiegels im sich erweitemden Querschnitt ermoglicht die Speicherung eines bestimmten Was-

18 Wasserkraft und Umwelt

675

servolumens V. Der ebenso selbsttatige BeckenabfluB QA im Falle eines festen Wehres bzw. eines ungesteuerten Riickhaltes hangt nur von der Form und der GroBe des Riickhaltebeckens und von der ZufluBganglinie ab.

•

r\

V 1 = V2

QZ / V1 \ QA

t

t

Abb. 18.6: Steuerstrategien fur den Hochwasserriickhalt: a) Seeretention bzw. ungesteuerter Ruckhalt; b-d) gesteuerter Rtickhalt Im Gegensatz dazu steht der gesteuerte Ruckhalt, bei dem ein moglichst gleichmaBiger AbfluB QA gemaB der Ausbauwassermenge in den Unterlauf vorliegt (s. Abb. 18.6b). Entscheidend ist hierbei das Verhaltnis des Speichervolumens zur zurUckzuhaltenden Hochwassermenge. Von diesem Verhaltnis ist auch die Abflachung des Hochwasserscheitels abhangig. Ist der Speicherraum gleich der aufzunehmenden Hochwasserfulle, so wird das Staubecken mit dem verfligbaren Hochwasserschutzraum gerade so aufgefullt, daB keine Beckenentlastung stattfmdet. Dieses setzt allerdings eine zutreffende Hochwasservorhersage hinsichtlich Form und Inhalt der Hochwasserwelle und die darauf abgestimmte BekkengroBe voraus. Bei zu kleinem Staurauminhalt im Vergleich zur Hochwasserfracht kann durch sukzessive Steigerung des Beckenabflusses in Abhangigkeit von der Hochwasserentwicklung eine weitgehende Anpassung des Abflusses an den ZufluB erzielt werden, ohne daB die Hochwasserspitze sich in vollem MaBe auf den Unterlieger auswirkt (s. Abb. 18.6c). Durch entsprechende Steuerung der VerschluBorgane (Wehr, GrundablaB etc.) kann das Uberlaufen des Staubeckens verhindert werden. Sind schlieBlich ein angemessen groBer Speicherraum bzw. Hochwasserretentionsraume entlang der gefahrdeten FluBstrecke vorhanden, wie z. B. am staugeregelten Oberrhein mit seinen zahheichen Riickhalteraumen, so kann durch eine gezielte Steuerstrategie ab einem gewissen ZufluB Qz die Abgabe QA durch einen gesteuerten Ruckhalt reduziert und so eine maximale Scheiteheduzierung erzielt werden (s. Abb. 18.6d). Bei der Planung der entsprechenden Hochwasserbekampfungsstrategie spielt die Ermittlung der Fiillungs- und Entleerungszeiten in Verbindung mit einer optimierten ZufluBvorhersage eine auBerst wichtige Rolle [18.7]/[18.8]. Aus dieser prinzipiellen Darstellung des im Hochwasserfall moglichen Betriebes eines der Wasserkraftnutzung zugeordneten Wasserspeichers wird die kom-

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plexe Aufgabe sichtbar, die bei der Wassermengenbewirtscliaftung von einzelnen Oder gar von mehreren Becken bei einer Wasserkraftwerkskette langs eines Flusses zu losen ist. Das Problem wird dariiber hinaus noch durch die zu beriicksichtigende flieBenden Retention iiberlagert, die eine Hochwasserwelle beim DurchflieBen von FluBstrecken mit mehreren Stauhaltungen bzw. mit angrenzenden Uberschwemmungsgebieten erfahrt, womit ebenfalls eine abfluBverzogemde Wirkung auftritt. Es liegt auf der Hand, daB Lau^asserkraftwerke, die auf einen optimalen ZufluB ausgelegt sind und lediglich einen auf die Kraftwerksstufe und auf die Randzonen des FluBbettes ausgerichteten Stauraum haben, in der Regel keinen wirksamen Hochwasserriickhalt bieten konnen, sieht man von je nach OrtHchkeit minimalen Stauspiegelerhohungen mit bescheidener Dampfung einer Hochwasserwelle ab. Vielfach beschleunigen reine FluBkraftwerke sogar noch den Ablauf der Hochwasserwellen, was sowohl positive als auch negative Folgen in Abhangigkeit von den ublichen Ablaufzeiten der Hochwasser in den fluBabwarts einmiindenden Nebenfliissen haben kann (Verringerung oder Erhohung der Hochwasserspitze). Kleinwasserkraftwerke mit ihren meist geringen Stauraumen konnen somit ebenfalls keinen wirksamen Beitrag zum Hochwasserschutz leisten, zumal bei Hochwasserereignissen die den AbfluB steuemde Wu-kung der kleineren Wehranlagen haufig nicht mehr gegeben ist. Speicherkraftwerke hmgegen beeinflussen stets die naturlichen AbfluBverhaltnisse, wobei das MaB dieser Modifikation wie dargelegt vom relativen Speichervolumen, also der Quotient aus nutzbarem Speichervolumen und JahresabfluBvolumen in einem hydrologisch mittleren Jahr, und von der Betriebsstrategie des Speicherkraftwerkes abhangt. Normalerweise dampfen Talsperren die AbfluB- und Wasserspiegelschwankungen und konnen giinstig auf die Unterwasserstrecke wirken, wenn durch eine entsprechende Betriebsstrategie die MindestabflUsse beibehalten bzw. die Hochwasserspitzen gedampft und Schwallerscheinungen in Grenzen gehalten werden. Treten infolge des Schwellbetriebes allerdings starke AbfluB- und damit Wasserspiegelschwankungen, in manchen Fallen mehrmals taglich, auf, so wirken sich diese sehr ungiinstig auf die Lebensgemeinschaften der betroffenen Gewasserstrecken aus, da diese an derartig unnatiirliche, plotzlich auftretende Anderungen der Stromungsbedingungen und Wassertiefen nicht angepaBt sind. Hier kann entweder durch Ausgleichsbecken oder durch stufenweises Erhohen der Abfltisse Abhilfe geschaffen werden. Im Speicher selbst belasten Wasserspiegelschwankungen die angrenzenden Boschungen und Berghange, wobei dieser Effekt nur dann von Bedeutung ist, wenn bei ungUnstigen geologischen Verhaltnissen und hydrogeologischen Strukturen infolge von Durchnassung der uberstauten Bodenpartien Erdrutsche mit verheerenden Folgen entstehen konnen, wie z. B. bei dem katastrophalen Bergsturz in den Stauraum der Talsperre Vajont, Italien, 1963. In den europaischen Alpengebieten und auch in anderen klimatisch ahnlichen Gebirgsregionen begunstigen die GroBspeicher die hydrologische Situation dadurch, daB die sehr niedrigen WinterabflUsse mit der Zwischenspeicherung der mehrfachen, normalerweise hohen Sommerabfltisse bedeutend vergroBert werden.

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Durch den oft vollstandigen Riickhalt selbst groBerer Hochwasser in alpinen Speichem entfallen diese jedoch in den unterhalb folgenden Strecken. Insbesondere in alpinen Auen, deren Uberleben von regelmaBiger Sohlumlagerung sowie dem Wechsel von Anlandungen und Ablagerungen abhangt, gehen dadurch Pionierstandorte fiir speziell angepaBte Pflanzen verloren [18.9]. Allerdings kommt es bei groBen Hochwasserereignissen oft auch unterhalb der Speicher durch Seitenzuflusse zu ausgepragten Hochwasserspitzen, durch die ein teilweiser Ausgleich geschaffen wird. 18.2.1.4 FluBregulierung Die enormen anthropogenen Strukturveranderungen entlang der mittleren und unteren Strecken der groBen Flusse im europaischen Raum im 19. Jahrhundert, also der progressiv steigende Zuwachs der Bevolkerung, die Ausdehnung der Landwirtschaft, der Ausbau eines dichten Verkehrsnetzes und die Ansiedlung von Industrieanlagen, haben in einer ersten Stufe die Durchfiihrung von umfassenden Regulierungsarbeiten erzwungen. Zum Schutz des Lebens und der Gtiter von Millionen von Menschen wurden gegen die verheerenden Hochwasser Damme errichtet und zur Stabilisierung der Gerinne ReguherungsmaBnahmen getroffen. In den meisten Fallen waren Sohleintiefiingen die negative Auswirkung dieser FluBregulierungen. Daher wurden in einer zweiten Stufe Stutzschwellen in Form von Kulturwehren oder im Zusammenhang mit Wasserkraftanlagen errichtet, um die Sohlen oberhalb wieder zu stabilisieren, womit die ReguherungsmaBnahmen abgeschlossen waren (s. a. Kapitel 18.2.1.2). Auch diejenigen FluBkorrektionen, die bei groBeren Fltissen fur die Verbesserung der Schiffahrt durchgefiihrt wurden, stehen im direkten Zusammenhang mit erheblichen Eintiefimgen. 18.2.1.5 Eisbildung und Eistransport Der EinfluB des Aufstaues auf die Eisbildung besteht darin, daB die Verminderung der FlieBgeschwindigkeit und die Verminderung der Intensitat der Turbulenz die Entstehung von Eiskristallen und die Verklebung der Kristalle zu Eisklumpen erleichtem und es schlieBlich zur Bildung einer zusammenhangenden Eisdecke kommt. Solange unter der Eisdecke ein geregelter AbfluB moglich ist, besteht fur die Wasserkraftanlage sowie das angrenzende Gebiet keine Gefahrdung, erst bei einem VerschluB des Querschnittes durch Grund- und Breieis mttssen MaBnahmen ergriffen werden (s. Kapitel 5.2 bzw. 6.1). 18.2.2

Wechselwirkungen mit dem Grundwasser

In Abhangigkeit von der geologischen Struktur beeinfluBt eine Stauanlage das Grundwasser, indem durch die Wechselwirkungen zwischen dem geanderten FluBwasserspiegel und dem Grundwasserspiegel eine Erhohung von letzterem entlang der Stauhaltung folgt. AusgleichsmaBnahmen konnen die Anlage eines Entwasserungssystemes oder der Einbau von Deckwerken oder Dichtungen (s. Kapitel 6.4) sein. Derartige MaBnahmen sind dann nicht notwendig, wenn die natiirliche Sohle des Gewassers bereits oberhalb des Grundwasserspiegels liegt und die Umgebung an eine Infiltration aus dem FlieBgewasser in das Grundwasser angepaBt ist.

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In Staubereichen und Ausleitungsstrecken konnen aufgrund der geringeren Stromungsgeschwindigkeiten und der damit folgenden Sedimentablagerungen (s. a. Kapitel 18.2.1.2) die Sickerwege zwischen Gewasser und den umgrenzenden Bodenschichten verlegt sowie eine teilweise oder vollstandige Abdichtung, eine sogenannte Kolmatierung verursacht und damit wiederum das Grundwasserregime beeinfluBt werden. Vertieft sich das FluBbett unterhalb der Staustufe infolge nicht aufzuhaltender Erosion, ist eine Absenkung des Grundwasserspiegels entlang der Erosionsstrecke zu erwarten. Gleiches gilt fiir die heute nur noch vereinzelt bei kleineren Laufwasserkraftwerken praktizierte VergroBerung der Fallhohe durch Baggerungen in der direkt folgenden Unterwasserstrecke oder die Umleitung des das Krafthaus verlassenden Wassers in tieferliegende Unterwasserkanale. Um eine derartige, insbesondere fur die gewasserbegleitende Vegetation schadliche und unerwUnschte Absenkung des Grundwasserspiegels zu vermeiden, sind neben AbdichtungsmaBnahmen und eventuellen Stutzbauwerken auch die Anreicherung des Grundwassers durch Versickerungskanale oder Schluckbrunnen moglich, wobei vor allem im letzteren Fall hohe Betriebskosten auftreten. Bei langer bestehenden Ausleitungsstrecken, in denen bereits eine gewisse Mindestwasserfuhrung vorhanden war, wird eine Erhohung der Mindestwassermenge in den meisten Fallen zu keinen gravierenden Anderungen der begleitenden Grundwasserstande fuhren. Durch die Erhohung der Transportkapazitat fiir Feinsedimente ist jedoch eine Offhung des Interstitials, des Porenraums der Gewassersohle, moglich. Dadurch wird dieser Lebensraum wieder zuganglich, und die korrespondierenden Grundwasserleiter werden emeut mit dem FlieBgewasser vernetzt. 18.3

Einfliisse auf das biologische System

Die Flora und Fauna von Gewassem stellen em sehr komplexes System dar, wobei die zum Verstandnis erforderlichen biozonotischen Wirkungsketten in vielen Fallen noch nicht abschlieBend erforscht sind. Eine Vielzahl von Untersuchungen weisen auf die biologische Bedeutung der „Wasserbewegung" hin und erklaren den Zusammenhang zwischen Vorkommen der Arten, Lebensweise und spezifischer Umwelt. Bereits kleine Eingriffe in dieses System konnen sich in einer Veranderung der Struktur und Zusammensetzung desselben auswu-ken. Dem daher notwendigen sparteniibergreifenden Schutz des Zustandes der Gewassersysteme bzw. deren Verbesserung wurde mit der umfassenden, die diesbezuglichen Aktivitaten bundelnden EG-Wasserrahmenrichtlinie Rechnung getragen (s. Kapitel 3.4). In FlieBgewassem lassen sich verschiedene Lebensraume unterscheiden. Eine grobe Einteilung beinhaltet die Lebensraume Ufer- und Auebereich, Freiwasserraum sowie Gewassersohle mit dem zugehorenden Porenraum, dem sogenannten Interstitial. Die oberste Schicht ist die freiflieBende Welle. Sie ist in den Ober- und Mittellaufen der FlUsse am wenigsten besiedelt. Darunter, Uber der Sohle, befindet sich die Schicht, die bereits durch die Rauheit der Sohle beeinfluBt ist. Sie weist zur Sohle hin stark veranderliche mittlere Geschwindigkeiten auf. Hydraulisch betrachtet ist dies die rauhe Grenzschicht. Unterhalb dieser Schicht schlieBt sich das

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sogenannte turbulente Totwasser im Bereich groBerer Substratkorper an, darunter folgt innerhalb des Interstitials der Lebensraum der wassergefullten und ganz schwach durchstromten Kiesliicken. Alle diese Lebensraume sind durch Wasserausleitungen in vielfaltiger Weise betroffen. In den folgenden Abschnitten soil auf einzebie Aspekte naher eingegangen werden. 18.3.1

Bedeutung von Stromung und Substrat

Die bereits im Kapitel 18.2.1 angesprochenen Veranderungen der Stromungsmuster im Freiwasserraum sowie an der Gewassersohle, verbunden mit den veranderten SubstratgroBen, bewirken Veranderungen bei den Tier- und Pflanzengemeinschaften, die diese Raume besiedebi. Viele Fischarten, benthische Organismen (Kleinkrebse, Insektenlarven, Weichtiere usw.) und Makrophyten (Wasserpflanzen) sind auf ganz bestunmte Stromungsgeschwindigkeiten oder Stromungskrafte sowie auf geeignete Substrate bzw. sogenannte Choriotope angewiesen. Dies kann vielerlei Griinde haben und beispielsweise mit der Emahrung oder dem Sauerstoffbedarf zusammenhangen. 18.3.1.1 Auswirkungen auf die Fischfauna FlieBgewasser werden entsprechend ihres Gefalles m funf klassische Fischzonen eingeteilt (s. Abb. 20.1). Fiir die Zugehorigkeit zu den fischbiologischen Regionen smd vor allem Gefalle, Gewasserbreite und -tiefe, FlieBgeschwindigkeiten, Sohlbeschaffenheit sowie Temperatur- und Sauerstoffhaushalt ausschlaggebend. Abb. 18.7 zeigt Ergebnisse von Befischungen am Kocher, einem NebenfluB des Neckars in Nordwurttemberg. Hierin wird deutlich, wie sehr bestimmte Fischarten, nach unterschiedliche Entwicklungsstadien weiter untergliedert, auf bestimmte Stromungs-, Substrat- und Wassertiefenmuster angewiesen sind. Die Populationsstruktur, d. h. die Altersstrukturierung einzelner Fischarten, und die Diversitat, d. h. die Artenvielfalt, des Fischbestandes sind auBerdem in hohem MaB von der raumlichen Heterogenitat des Habitatangebots abhangig und von der Verkniipfung der unterschiedlichen Lebensraume. Nahezu alle Fischarten sind dementsprechend auf Wanderungen angewiesen, um beispielsweise ihre angestammten Laichgriinde m den kleinen Quellbachen groBerer Fliisse aufzusuchen oder um ihr Winterquartier oder Schutz vor Hochwassem zu finden. Diese Wanderungen finden saisonal aber auch im Tag-Nacht-Rhythmus statt, wie dies detaillierter im Kapitel 20 dargelegt wird. Verarmen die urspriinglichen FluBbettstrukturen aufgrund von anthropogenen Eingriffen, so entzieht man vielen Arten ihre Lebensgrundlage, und es ist mit einer Reduktion der Artenvielfalt und einer Anderung der Altersstruktur zu rechnen. Nach Untersuchungen von HAIDER & DREYER [18.10] ist beispielsweise ein groBer Teil der fruher in Deutschland heimischen FlieBgewasserfische heute bedroht oder bereits verschwunden. Aus anderen Erhebungen geht hervor, daB in den Flussen Mitteleuropas weit mehr als 50 % der ursprUnglich lebenden Fischarten bereits ausgestorben smd.

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18 Wasserkraft und Umwelt Strömung: Wassertiefe: Unterstände: Fischarten: adult:

subadult:

10-12 cm/s 5-15 cm Kleinhohlräume Schmerle

Elritze, Gründling Döbel, Gründling Schmerle, Elritze

32-40 cm/s 12-35 cm Lückensystem Barbe, Döbel, Hasel, Gründling, Nase, Schneider, Rotauge Barbe, Döbel, Hasel, Mühlkoppe Hasel

38 cm/s 25 cm große Aal, Döbel, Laube, Gründling, Elritze, Rotauge, Schmerle Döbel, Hasel, Gründling, Rotauge Hasel

offenes Lückensystem

<:0 •^

<=> o> I H y p o r h e a l p

Abb. 18.7: Fischarten und ihre bevorzugten Lebensraume am Kocher [18.11] Haufig sind es die stromungsliebenden Arten und die Kieslaicher, die ihre Lebensraume verlieren und dann von weniger stromungsliebenden Arten ersetzt werden. Bei FluBstauhaltungen und Ausleitungsstrecken besteht zusatzlich das Problem, dai3 diese wahrend Hochwasserphasen kurzfristig wieder flieBgewassertypisch durchstromt werden und sich dann auch Stillwasserarten nicht halten konnen, sofem keine geschiitzten Riickzugsbereiche vorhanden sind. Diese Gewasserabschnitte werden in der Folge meist nur noch von Besatzfischen und sogenannten Ubiquisten besiedelt, dies sind Arten mit geringen Lebensraumanspriichen, die praktisch iiberall vorkommen. Es sollte daher ein vorrangiges Ziel bei jeder MaBnahme im Zusammenhang mit einer Wasserkraftanlage sein, die Durchgangigkeit am Standort zu wahren oder wieder herzustellen (s. Kapitel 20). Bei Talsperren werden die Wanderungsmoglichkeiten der Fische und der anderen aquatischen Lebewesen meist ganzlich blockiert, und in diesen entwickelt sich ein ganz neues Okosystem, wobei starke und rasche Wasserspiegelschwankungen einen nachteiligen EinfluB auf die aquatische Pflanzen- und Tierwelt haben. 18.3.1.2 Auswirkungen auf das Zoobenthon Der Lebensraum der benthischen Organismen, d. h. Kleinkrebse, Insektenlarven, Weichtiere etc., wird in erster Linie durch das Substrat und die sohlnahen Stromungsbedingungen charakterisiert und kann anhand hochsignifikanter Praferenzen sowohl flir rheophile (stromungsliebende) als auch fur stagnophile (stillwasserliebende) Arten beschrieben werden. Durch Ausleitungen verandem sich neben den beschriebenen physiographischen Faktoren das kleinraumige sohlnahe Stromungsmuster und die Verteilung und Haufigkeit der gewassertypischen Teillebensraume, der sogenannten Choriotope. Jedes Choriotop wird aber von einer hochangepaBten Biozonose besiedelt, wobei viele Arten je nach Entwicklungsstadium oder Tatigkeit (Nahrungssuche, Ruhephase, Migration usw.) verschiedene Choriotope (s. Tabelle 18.1)benotigen.

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tjber stabilen Habitatstrukturen ergibt sich die biologisch wirksame hydraulische Variabilitat der sohlnahen Stromungsbedingungen nach STATZNER et al. [18.12] aus Veranderungen der Dicke der Prandtlschen Grenzschicht, der Sohlschubspannung, der Froude-Zahl und der Reynolds-Zahl. Dariiber hinaus spielen Storungen, die bestehende physikalische Eigenschaften der Gewassersohle verandem Oder vortibergehend zerstoren, eine wichtige Rolle ftir die Entwicklung fliel3gewassertypischer benthischer Lebensgemeinschaften. Tabelle 18.1: Charakterisierung der verschiedenen FlieBgewasser-Choriotope [18.6] verbale Beschreibung Durchmesserf > 40 cm grofie Blocke und anstehender Pels, Oberseite groiJer Steine und Blocke 20-40 cm Makrolithal grobes Blockwerk, kopfgroBe Steine bis 40 cm Durchmesser vorherrschend mit variablen Anteilen von Steinen, Kies und Sand 6,3-0 cm Mesolithal Steine, faust- bis handgroB mit variablem Anteil von Kies und Sand 2-6,3 cm Mikrolithal Grobkies, Taubenei bis KinderfaustgroBe mit Anteilen von Mittel- und Feinkies sowie Sand 0,2-2 cm Feinkies - Mittelkies Akal Kies Feinsand - Grobsand IPsammal Sand 0,06-2 mm Ton, Schluff Schluff, Ton, Schlick, Schlamm, haufig organische < 0,06 mm Pelal Bestandteile alle GroBen lorganisches Pflanzenteile (lebend oder tot), Wurzelbarte von Uferpflanzen, untergetauchte Baume, Aste, MaSubstrat krophyten, Algen, Moose

fSubstratbezeichnung Lithal Megalithal

In natUrlichen Gewassem sind Kiessohlen bis m mehrere Meter Tiefe offen und ftir Organismen zuganglich. Benthische Organismen benutzen diese tiefliegenden, stabilen Raume unter anderem auch als Schutz wahrend Hochwasserereignissen. Aus diesen heraus werden die umgelagerten Schichten wieder besiedelt. Whd das Kiesltickensystem msbesondere wahrend langer Niedrigwasserperioden mit Feinsedimenten ttberdeckt, sind diese Choriotope ftir die Bodenfauna nicht mehr zuganglich. Damit geht ein eminent wichtiger Lebensraum verloren, was zu einer erheblichen Dezimierung der Bodenfauna fiihren kann. Auch die verminderte Sauerstoffzufuhr innerhalb des Liickensystems durch reduzierten Wasseraustausch fuhrt zu Anderungen der Besiedelbarkeit. Tiefe Bereiche in Ausleitungsstrecken, in denen aufgrund des groBen AbfluBquerschnitts kaum mehr Stromung vorhanden ist, stellen, ahnlich wie Staubereiche, Migrationshindemisse und Driftfallen ftir das Makrozoobenthon dar. Durch Uberdeckung des Substrats mit Feinanteilen oder Schlamm konnen manche Tiere sich darauf nicht mehr fortbewegen, der Bereich wird deshalb unpassierbar. Passive Drift endet dort, wo keine Stromung mehr vorhanden ist, welche die Tiere, die sich mit der Stromung treiben lassen, tragt. Daher werden solche Bereiche als Driftfallen bezeichnet. Im allgemeinen ftihren diese Veranderungen zu einer Verarmung der Artendiversitat; tendenziell nehmen Arten mit sehr geringen Lebensraumanspriichen, sogenannte Ubiquisten, zu.

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18.3.1.3 Auswirkungen auf die Pflanzenwelt Gewasserbegleitende Pflanzengesellschaften werden nach der subalpinen und alpinen Stufe (> 1.500 m), der montanen Stufe (800 - 1.500 m) und der collinen Stufe (< 800 m) unterschieden. Im Zusammenhang mit Laufwasserkraftanlagen sind hauptsachlich die Gewasser der collinen Stufe von Bedeutung. Nach HAINARD [18.9] konnen funf verschiedene Pflanzengesellschaften definiert werden. Jede davon wu*d durch Wasserentnahmen aus dem FlieBgewasser auf andere Weise beeinfluBt. Eine Einteilung in lateraler Richtung ist folgendermaBen moglich: - Pflanzengesellschaften des FluBbetts und abgeschnittener Altarme; - Pflanzengesellschaften der Uferboschungen; - Pflanzengesellschaften des Hauptgerinnes und der FluBterrassen (Gesellschaften der FluBaue): - alluvial-krautige, - alluvial-holzartige, - Sump^flanzengesellschaften. Die verschiedenen Gesellschaften und ihre typischen Standorte sind in Abb. 18.8 dargestellt. Zusatzlich sind die jeweils tolerierbaren Wasserspiegellagen eingezeichnet. Zu den Wasserpflanzengesellschaften gehoren Phytoplankton, Algen und Moose sowie Uberflutete hohere Pflanzen wie Laichkrauter oder Seerosen, die stark an die Stromungsverhaltnisse angepaBt sind. Diese hoheren Wasserpflanzen fehlen im allgemeinen im Oberlauf der Flusse oder in Gebirgsbachen, sie sind dagegen eher im Unterlauf und an Seeufem zu finden. Sie weisen eine breite okologische Amplitude auf. Ihre groBraumige Verbreitung ist hauptsachlich vom Einzugsgebiet, welches den Karbonatgehalt und die Konzentration von Nahrsalzen beeinfluBt, und von dem Gefalle abhangig. Kleinraumige Verbreitungsmuster werden von Trophiegrad, AbfluBregime, Stromung und Beschattung beeinfluBt. Dabei ist Licht ein begrenzender Faktor. Uber den FlieBquerschnitt bilden sich haufig Zonierungen aus, wobei in FluBmitte die stromungsliebenden Arten wachsen. Hochwasserereignissen kommt eine besondere Bedeutung fiir die Verbreitung von Makrophyten zu, da sie die Bestande weitgehend ausraumen konnen und eine rasche Wiederansiedlung nicht immer stattfindet. Ebenso konnen Feinsedimentauflagerungen zum voUstandigem Verschwinden von Makrophyten fuhren. Besonders giinstige Lebensbedingungen finden Makrophyten haufig in den Triebwerkskanalen - sofem diese nicht betoniert sind -, da sie dort vor Hochwasserereignissen geschutzt sind. Die Gesellschaften der Uferboschungen bestehen aus Rohrichtgewachsen. Im Bereich starkerer Stromungen werden diese von Rohrglanzgras-Gesellschaften ersetzt, die durch ihre tieferen Wurzebi besser der erosiven Wirkung der Stromung widerstehen konnen. In Bereichen, die haufig iiberschwemmt werden, siedeln sich die verschiedenen Auegesellschaften an. Die alluvial-krautigen Gesellschaften siedeln sich nach jedem Hochwasser auf mitgefiihrtem und infolge sinkender Transportfahigkeit abgelagertem Material an, wo sie beim nachsten groBen Hochwasser auch wieder zerstort werden. Derartige Wasser-Land-Okotone werden von artenreichen Pioniergesellschaften besiedelt. Die Arten sind an kurze Zyklen an-

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gepaBt, reagieren jedoch auBerst empfindlich auf Konkurrenz. Seggen und Binsen sind Mitglieder solcher Gesellschaften. 1 = Wasserpflanzengesellschaft 2 = Gesellschaften der Uferböschungen 3 = alluvial-krautige Pflanzengesellschaft

4 = alluvial-holzartige Pflanzengesellschaft 5 = Sumpfpflanzengesellschaft

• 3m •2 • 1 • 0 . -1 •-2

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^^ '^

^^ ^ 4i '^^ ^ 4i 't ^

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-3 m

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Abb. 18.8: Vegetationszonen der FlieBgewasser, Variationsbreiten der Wasserstande, die von einzelnen Pflanzengesellschaften toleriert werden bzw. auf die sie angewiesen sind [nach 18.6] HAENARD [18.9] unterscheidet verschiedene Stufen von EinfluBfaktoren auf die FlieBgewasser und ihre Vegetation (s. Tabelle 18.2). Diese lassen sich um lokale Faktoren erganzen. Durch Ausleitungen werden die zweitrangigen Faktoren Wasserfracht und Feststofffracht sowie die lokalen EinfluBfaktoren verandert. Tabelle 18.2: EinfluBfaktoren auf die Vegetation der FlieBgewasser [nach 18.9] Rang erstrangige zweitrangige drittrangige lokale

EinfluBfaktoren Klima, Geologie, Vegetation des Einzugsgebiets Wasserfracht, Feststofffracht, Vegetation des FluBbetts morphologische Beschaffenheit des FluBbetts Wassertiefe, Trubung, Lichteinstrahlung (Beschattung), Stromungsgeschwindigkeit

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18 Wasserkraft und Umwelt

18.3.2

Temperaturregime

Wassertemperaturen wirken sich in vielerlei Weise auf biologische Prozesse aus. Einerseits gibt es generelle Temperaturpraferenzen und -toleranzen vieler Organismen, andererseits wirken Temperaturveranderungen innerhalb bestimmter Zeitraume haufig als Auslosemechanismus ftir bestimmte Phasen in der Entwicklung von Tieren und Pflanzen. Dazu gehoren beispielsweise das Laichen bei verschiedenen Fischarten bzw. das Schltipfen der Brut oder die sogenannte Emergenz bei verschiedenen Insekten, deren Larven bis zu mehreren Jahren im Gewasser leben und die dann fiir kurze Zeit als Fluginsekten „emergieren", um sich wahrend der letzten Lebensphase zu paaren. Populationen konnen so beispielsweise in ihrer Aufbauhase durch Temperaturregimeabweichungen entscheidend beeinfluBt werden, indem Veranderungen innerhalb der Embrionalentwicklung oder Verschiebungen der Schltipfzeit erfolgen (s. Tabelle 18.3). Moglicherweise konnen sie aber auch voUig ausgeloscht werden. Tabelle 18.3: Laichtemperatur, Letaltemperatur und Laichzeit einiger Fischarten [18.6]

[Art iBachforelle iBarbe JBrachse

Ablaichtemperatur [°C] Letaltemperatur [°C] 4-19 >20 >20 14 - 20 8-24 >28

Laichzeit Oktober - Marz

|

Mai - Juli

1

Mai - Juli

1

Insbesondere groBe bzw. tiefe Stauanlagen in alpinen Regionen bewirken eine Starke Veranderung des Temperaturregimes der tiefer gelegenen Gewasserstrekken, in die das turbinierte Wasser zuriickgeleitet wird. Haufig wird aus den Stauseen kaltes, sauerstoffarmes Tiefenwasser entnommen und mit einer Temperatur von wenigen Grad in die Gewasser zuriickgeleitet. Geschieht dies zusatzlich im Schwellbetrieb, wu*d der Effekt durch die kurzzeitigen Fluktuationen noch verscharft. So konnen vollig veranderte Impulse fiir die Biozonosen entstehen. Bei groBen Stauanlagen konnte durch die oberflachennahe Entnahme des Triebwassers Abhilfe geschaffen werden. Ausleitungsstrecken von Wasserkraftanlagen weisen im allgemeinen durch das verringerte Wasservolumen einen tiberhohten Tages- sowie saisonalen Temperaturgang auf. 18.3.3

Sauerstoffhaushalt

Die biogene Sauerstoffanreicherung und -zehrung eines Gewassers ist stark temperaturabhangig, d. h. Sauerstoff- und Temperaturhaushalt hangen eng zusammen und unterliegen den tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen. Die Sauerstoffsattigung ist daruber hinaus vom Luftdruck abhangig und liegt in sauberen FlieBgewassem zwischen 8 und 14 mg/1. Fiir robuste Fische liegt die kritische Untergrenze des Sauerstoffgehaltes (O2) beispielsweise bei 3 mg/1, die im ungiinstigen Falle durchaus erreicht werden kann. Der Sauerstoffeintrag in Gewasser erfolgt iiberwiegend iiber deren Oberflache aus der Atmosphare und ist proportional zur Stromungsgeschwindigkeit und zum Sattigungsdefizit. Flache, schnellflieBende oder turbulente Gewasser werden somit

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starker beltiftet. Je nach Morphologie, also der strukturellen Auspragung, sind deshalb unterschiedliche Auswirkungen des Wasserentzugs auf den Sauerstoffhaushalt zu erwarten. Hohere Wassertemperaturen fuhren zu einem abnehmenden Sauerstoffgehalt und beschleunigen mikrobielle Abbauprozesse fester oder geloster organischer Substanzen. Da bei diesen komplexen Reaktionsmechanismen groBe Mengen Sauerstoff verbraucht werden, entstehen zusatzliche Sauerstoffdefizite. Andererseits begiinstigen hohere Wassertemperaturen aber auch das pflanzliche Wachstum, und bei ca. 20 °C erreicht die Photosynthese ein Maximum. Grttne Wasserpflanzen und Algen verursachen starke tagliche Schwankungen des Sauerstoffgehaltes durch ihre Sauerstoffproduktion wahrend des Tages und Sauerstoffzehrung wahrend der Nacht (s. a. Abb. 18.11). Wenn nach sommerlichen Massenentwicklungen von Algen diese z. B. infolge eines plotzlichen Temperaturruckgangs absterben, verursachen die Abbauprozesse in den tieferen kalteren Schichten Starke Sauerstoffdepressionen. Insgesamt nimmt die Schwankungsbreite des Sauerstoffgehalts mit steigender Temperatur zu (s. Abb. 18.10a+b). Mit dem selteneren Fall der Sauerstoffiibersattigung ist nur bei der Erfullung folgender Konstellation zu rechnen: geringer AbfluB, hohe Globalstrahlung, erhohte Wassertemperatur, mittlerer bis hoher Phosphatgehalt. In Ausleitungsstrecken und Staubereichen sinkt die Transportfahigkeit des Wassers ab. Dadurch bilden sich Ablagerungen organischer Substanzen, die unter SauerstoffabschluB zersetzt werden. Hochwasserwellen, die solche Faulschlammablagerungen aufwiihlen, haben starke Sauerstoffzehrungen zur Folge. Werden organische Nahrstoffe in die Ausleitungsstrecke eingeleitet, besteht die Gefahr der Eutrophierung, wodurch diese Effekte weiter verstarkt werden. Physikalische Sauerstofifaufnahme [g/m'-d]

'O

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0 Wassertiefe [m]

Abb. 18.9: Physikalische Sauerstoffaufnahme bei 100 % 02-Defizit und bei einer Wassertemperatur von 20 °C in Abhangigkeit der FlieBgeschwindigkeit [18.13] Der Sauerstoffhaushalt in einem Staubereich reagiert infolge der langsamen FlieBgeschwindigkeit deutlich empfindlicher auf VergroBerung der Wassertiefe, AbfluBverminderung, Erhohung der Nahrstoffkonzentration und auf meteorologische Einflusse als der eines normalen, ungestauten FlieBgewassers. Je nach Was-

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sertiefe und Turbulenz kommt es in einer Stauhaltung zur Durchmischung oder zur Schichtenbildung. Bei einer vollstandigen Durchmischung steigt der auf Volumen und Zeit bezogene Sauerstoffeintrag (O2) mit der FlieBgeschwindigkeit und fallt mit zunehmender Tiefe des Stauraumes (s. Abb. 18.9). Wasser- 0 tiefe [m]

® ' Wasser- ^^' temperatur 21 [°C] ,,. 19H

0,3 m Tiefe

18 17 16-| O2 [mg/1] 15141312111094 , 0 m Tiefe

®

Sommertag 1

Tags

Tag 4

Abb. 18.10: a) 02-Gehalt und Wassertemperatur in Abhangigkeit von der Wassertiefe; b) Temperatur und 02-Gehalt in einem FlieBgewasser im Tageslauf [18.13] Der verminderte Sauerstoffeintrag infolge des Aufstaues wu-d durch folgende Faktoren wieder gesteigert: - VergroBerung der Wasseroberflache und damit der Austauschflache; - Proportionalitat des Sauerstoffeintrags zu dessen Defizit; - Sauerstoffeintrag durch Wehriiberfalle oder Turbinen; - positive Ausw^irkung bereits kleiner Windgeschwindigkeiten bei geringen FlieBgeschw^indigkeiten; - biogene Sauerstoffproduktion durch Algen in maBig bzw. kritisch belasteten Gewassem bei hoher Strahlungsintensitat, wobei dem jedoch die negative

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Wirkung des Verbrauchs (Dissimilation, Abbau der Algen) in strahlungsarmen Zeiten gegeniiber steht. In groBeren Wassertiefen ab 1,5 m, so z. B. im Staubereich, fiingieren vor allem die Planktonalgen, in Ufemahe und bei geringen Wassertiefen die Makrophyten (Wasserpflanzen) als Sauerstoffproduzenten. Den im letzteren Fall moglichen Verkrautungserscheinungen kann mit mechanischen EntkrautungsmaBnahmen entgegengewirkt werden (s. a. Kapitel 6.1). Die Belastung durch die Massenentwicklung von Algen erweist sich als ungleich schwerer, wobei folgende Wachstumsfaktoren bedeutend sind: - Nahrstoffe (Ex- und Import, Verbrauch, Remineralisierung etc.); - Licht (zeitliche Variation, optische Eigenschaften und Wasserdurchmischungstiefe, Selbstbeschattung der Algen, spektrale Zusammensetzung, Temperaturabhangigkeit); - Verweilzeit des Wassers; sowie folgende, die Algenentwicklung reduzierende Verlustfaktoren: - Atmung (Quotient von Respiration und Photosynthese, Temperaturabhangigkeit); - ZooplanktonfraB (Temperaturabhangigkeit, Fische); - Sedimentation (Sinkgeschwindigkeit der Algen, Turbulenz); - Mortalitat (extreme Umweltfaktoren, Parasitismus). 18.3.4

Selbstreinigungsprozesse

Die Aufstauung des Flusses und die damit verbundene Veranderung der abiotischen Randbedingungen beeinflussen auch dessen Selbstreinigungsvermogen. Unter Selbstreinigung versteht man alle physikalischen und chemischen Vorgange (Fallung, Oxidation, Adsorption, Sedimentation, Entweichen geloster Gase und flUchtiger Verbindungen etc.) sowie alle biologischen Prozesse, die es einem verunreinigten Gewasser ermoglichen, wieder in seinen ursprtinglichen, sauberen Zustand zu gelangen. Bei der biologischen Selbstreinigung bauen Mikroorganismen Schmutzstoffe zu Mineralstoffen ab, wobei diese vorwiegend von der Artenzusammensetzung, Belichtung, Nahrstoffzufuhr, raumlichen Verteilung der Biomasse, Kontaktzeit, FlieBgeschwindigkeit und dem Sauerstoffgehalt abhangig ist. Der biologisch besonders aktiven Gewassersohle kommt dabei eine Schlusselstellung zu. Die Wirkungszusammenhange aus Produzenten und Detruenten sind in Abb. 18.11 aufgezeigt. Im Staubereich sind die fur die Selbstreinigung wichtigen Parameter gegeniiber der freien FlieBstrecke verandert. Es kommt zu einer Verlangerung der ftir die Selbstreinigung zur Verfugung stehenden Zeit und zu einer Verkurzung der Strekke. Dies fiihrt zu einer weitergehenden Selbstreinigung, Stickstoffoxidation sowie Denitrifikation, bedingt jedoch gleichzeitig einen erhohten SauerstoffVerbrauch. Die erhohte Sedimentation absetzbarer Schmutzstoffe, die aus der Herabsetzung der FlieBgeschwindigkeit folgt, entlastet die unterwasserseitige FlieBstrecke, bewirkt jedoch eine Kumulierung im Stauraum selbst bzw. in den Sedimenten (s. Abb. 18.5).

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18 Wasserkraft und Umwelt

physikalische ^.. Belüftung

l@l ^ Photosynthese

fe

Produzenten: - Phytoplankton - Algen - Wasserpflanzen

Nährstoffeinträge: - Stickstoffverbindungen - Phosphate - Silikate Sauerstoffverbrauch

o

Konsumenten: - Zooplankton - benthische Organismen - Fische - Wasservögel

Sauerstoffverbrauch (Atmung) 0 organische Schwebstoffe

Detruenten: r ^ - Bakterien

abgelagerte organische Stoffe

A b b . 18.11: Wirkungszusammenhange der sauerstoffproduzierenden und -zehrenden Prozesse im Gewasser

Neben den in abfluBarmen und warmeren Zeiten in Stauhaltungen vermehrt auftretenden Phytoplanktonmassen sorgen Riicklosimgen aus dem Sediment durch Aufwirbelung oder Auftreiben von z. B. Faulschlamm fiir eine voriibergehende Belastung an Schwebstoffen sowie ein zeitweiliges Sauerstoffdefizit. Als vorrangig muB eine sorgfaltige Abwasserbehandlung entlang des Stausees bzw. der Stauhaltung gesehen werden, um groBeren, nicht tolerierbaren okologischen und humanen Schaden durch extreme Nahrstoff- und Schadstoffzufuhr zu entgehen. Auch die Landwirtschaft kann durch einen entsprechend gesteuerten Einsatz von Giille und Dungemittehi viel zur Verbesserung der Wasserqualitat beitragen. Zur Verbesserung der Sauerstoffverhaltnisse und zur Steigerung des biologischen Selbstreinigungsvermogens kann in besonderen Fallen dem Gewasser gezielt Luftsauerstoff einerseits mittels einer Turbinenbeluftung durch die Nabe oder mit Hilfe spezieller Laufrader oder andererseits durch Gewasserbeluftung (z. B. Venturi-Diise) zugefiihrt werden. Die Beliiftung muB jedoch so vorgenommen werden, daB es nicht zu einer kompletten Umwalzung des Gewassers kommt, da die Biozonose nicht die fiir sie notwendige Schichtung vorfmden wtirde. Dabei muB jedoch abgeschatzt werden, ob durch die Beliiftung eine merkliche Verbesserung un Gewasser auftritt, die den Aufwand an Energie und Kosten rechtfertigt. 18.3.5

Treibgut

Im Treibgut, das sich am Krafthaus und Wehr sammelt, sind neben den organischen Bestandteilen vielfach Abfalle (z. B. Kunststoffteile etc.) enthalten, deren Entnahme durch Rechenanlagen und anschlieBende Entsorgung okologisch sinnvoll ist (s. Kapitel 5.2) [18.14]/[18.15]. Die komplette Entnahme auch von organischen Bestandteilen wird heute jedoch zunehmend kritischer beurteilt, da diese Materialien im naturlichen Gewasser

18 Wasserkraft und Umwelt

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normalerweise enthalten und fiir das Gleichgewicht von Flora und Fauna innerhalb des FlieBgewassers von Bedeutung sind. So ist die aquatische Biozonose an den Eintrag partikularer organischer Substanzen (POM) angepaBt und insbesondere in kleinen FlieBgewassem energetisch auf diesen Eintrag angewiesen. Fallaub und Totholz gehoren zu den wichtigsten Nahrungsquellen fur die wirbellosen Wassertiere. Da der Eintrag von POM infolge der forstlichen Bewirtschaftung des Waldes und anderer Landschaftsveranderungen heute erheblich verringert ist, wird es fur wUnschenswert erachtet, daB Wasserkraftnutzem unter bestimmten Bedingungen ermoglicht wird, naturliches Treibgut im Wasser zu belassen bzw. es wieder in das Gewasser zuriickzuleiten. Viele FlieBgewasser konnten dadurch ein Stuck naher an ihre urspriingliche Struktur und Funktion gebracht werden. Entsprechend erscheint auch eine Neuinterpretation der derzeitigen gesetzlichen Regelungen aufgrund dieser okologischen Erkenntnisse sinnvoll. 18.3.6

Ufer- und Stauraumgestaltung

Durch eine angemessene Gestaltung des Ufer- und Staubereiches und eine angepaBte Betriebsweise kann die FluB- und Auenlandschaft oberhalb des Kraftwerks gegebenenfalls erhalten oder sogar aufgewertet werden, wie dies beispielsweise mit Hilfe der sogenannten okologischen Flutungen einiger Polder im Oberrheingebiet erfolgreich geschieht. Dabei ist allerdings zu berucksichtigen, daB Auen ihre Existenzgrundlage in erster Linie aus der Dynamik der Abfltisse und Wasserstande beziehen. Dazu gehoren bestimmte, saisonale Uberflutungen spezifischer Bereiche, die eine gewisse Dauer und spezielle Wassertiefen aufweisen. Die Uberflutungen verlaufen dabei naturlicherweise je nach Naturraum ganz unterschiedlich bezuglich dieser Faktoren. Zusatzlich bringen sie mit dem Wasser auch erhebliche Mengen an Feinsedimenten in Form von Schwebstoffen mit in die Aue. Alpine Auen sind durch weitlaufige Umlagerungsstrecken gekennzeichnet, in denen sich Erosion und Auflandung abwechseln. In kunstlichen Gewassem oberhalb der Stauanlagen fehlt diese Dynamik im allgemeinen. In den durch den Aufstau entstandenen Flachwasserzonen und Uferbereichen sowie an den Begleitdammen sollte dennoch die groBtmogliche Strukturvielfalt angestrebt werden, um den Tier- und Pflanzenarten vielfaltige Lebens- und Rtickzugsraume, sogenannte okologische Nischen, zu bieten. Bei der Errichtung von groBeren Stauseen muB man in Kauf nehmen, daB sich die biologische Bilanz infolge der Vemichtung von Pflanzen und Tieren zu Lasten des terrestrischen Okosystems verandert, wobei die aquatische Seite wegen der groBen Wassertiefen wenig oder gar nichts dazugewinnt. Besonders die Flachwasserzonen bieten einer Vielzahl von Wasserpflanzen einen geeigneten Raum, die wiederum anderen Organismen Siedlungsraum und Nahrung gewahren, z. B. konnen sich hier die Krautlaicher unter den Fischen zuruckziehen. Dabei kann diese Zone durch die Rticknahme der Damme und Vorschuttungen, sogenannte Unterwasserbermen, vergroBert werden, wobei auBerdem ein moglichst differenziertes Bodenrelief angestrebt werden sollte. Die Fuhrung der Uferlinie und die Boschungsneigung der Damme sollten variieren, damit eine Verzahnung mit dem Hinterland entsteht. Jede Verlangerung der Uferlinie, z. B. durch Buhnen oder Buchten, vergroBert die besiedelbare Oberflache sowie Viel-

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fait und Ausdehnung der Uferzone. Gegebenenfalls kann beispielsweise auch mittels eingebrachtem, jedoch fest verankerten Totholz oder anderen MaBnahmen (s. z. B. JURGING & PATT [18.16]) die Gewasserstruktur deutlich aufgewertet werden. Oft ist es auch moglich, vielfaltige Kleinbiotope im Stauraum selbst zu errichten. So konnen kiinstlich aufgeschuttete Kiesinseln Wasservogeln als Riickzugsgebiete dienen. Ebenso konnen mit Hilfe von regulierbaren Durchlassen oder offenen Ein- und Auslaufbauwerken Biotope mit Frischwasser versorgt werden. Bei der Errichtung von Leitdammen sollten diese fur Niedrig- und Mittelwasser ausgelegt werden, so daB bei hoherer Wasserftihrung mittels LFberlaufen UberschuBwasser in die angrenzende Auenlandschaft geleitet wird, damit diese ihre existenznotwendigen nahrstoffliefemden Uberschwemmungen erhalt. Ebenso kann durch eine gezielte Betriebsflihrung, z. B. wahrend der Laichzeit, eine Uberstauung von Laichwiesen und damit eine Verbesserung der Lebensbedingungen erreicht werden. Infolge der schon erwahnten Selbsteintiefung von vielen Gewasserstrecken sind vielerorts okologisch wertvollste Auenlandschaften in Europa zur Austrocknung verurteilt. Die progressive Absenkung des Grundwasserspiegels in den Auengebieten und in den von dem Hauptgerinne getrennten Altarmen hat schwerwiegende okologische Konsequenzen, so daB ohne GegenmaBnahmen die urspriinglichen Arten der Tier- und Pflanzenwelt vom Aussterben bedroht sind. Durch eine gezielte Bewasserung derartiger Auengebiete bzw. Altarme aus dem Stauraum ist es moglich, den AustrocknungsprozeB zum Halten zu bringen und den Grundwasserspiegel zu regulieren, wie z. B. im Auen- und Altarmsystem parallel zur Staustufe Gabcikovo/Donau. Dammboschungen sollten so ausgebildet werden, daB ein durchgehender Bewuchs moglich ist und LUcken entstehen, die Organismen als Lebensraum dienen. Dies laBt sich beispielsweise mit Hilfe von Schmalwanden verwirklichen, die gleichzeitige eine gute Dichtwirkung aufweisen. Eine Dichtung, die fur die Standsicherheit des Dammes notwendig sein kann, fiihrt dazu, daB das Grundwasser weitgehend vom FluB abgetrennt wird. Hier konnen Be- bzw. EntwasserungsmaBnahmen, wie z. B. GieBgange, notwendig werden, wenn das Auengebiet nicht mehr vom FluB aus infiltriert wird bzw. kein Wasser abftihren kann. 18.4

Einflilsse auf die oberen Bodenschichten

Die topographischen, geologischen und bodenmechanischen Verhaltnisse sind maBgebend daftir, wie weit und in welchem MaB der Boden einer Durchnassung oder Austrocknung ausgesetzt ist, die durch eine Anderung des Grundwasserspiegels und des dariiberliegenden Kapillarraumes entlang der beeintrachtigten Gewasserstrecke entstehen konnen. Mit der Veranderung des Wassergehahes ist dariiber hinaus eine mehr oder weniger bedeutende Umbildung der physikalischen, chemischen und biologischen Struktur des Bodens verbunden. Diese Modifikationen konnen sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Land- und Forstwirtschaft haben, wobei diesen in etlichen Fallen durch GegenmaBnahmen entgegen gesteuert werden kann.

18 Wasserkraft und Umwelt

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Das Sickerwasser bzw. eine erhohte Bodenfeuchtigkeit kann schadlich auf Bauwerke in tiefer gelegenen Gebieten wirken, indem eindringendes Wasser die Fundamente und Wande durchnassen oder Raume iiberfluten und bei einigen Bodentypen infolge starker Wasseraufhahmen die bodenmechanischen Eigenschaften dermaBen verandem kann (Verminderung der Druck- oder Scherfestigkeit etc.), da6 die Stabilitat der Bauwerke gefahrdet wird. Die bereits im Kapitel 18.2.1.3 erwahnten starken oder besonders abrupten Wasserspiegelschwankungen in Stauseen konnen eine Lockerung der ufemahen Bodenschichten und den darauf folgenden Absturz ganzer Talhange verursachen. 18.5

Einflusse auf den Baugrund

Bei FluBkraftwerken ist infolge ihrer geringeren Dimensionen normalerweise nicht mit Auswirkungen auf die geologische Struktur ihrer Umgebung (Tabnulde, seitliche Berghange etc.) und mit Auslosung seismischer Storungen zu rechnen. Bei groBen Stauseen muB jedoch entsprechend der geologischen Struktur sowie der bodenmechanischen Eigenschaften des Untergrundes insbesondere bei der ersten Wasserfullung damit gerechnet werden, daB das enorme Gewicht der Stauanlage und des Wassers nicht nur Setzungen und Bodenumlagerungen, sondem auch tektonische Storungen hervorrufen kann. Hierdurch entstandene seismische Wellen, die bisher an GroBanlagen beobachtet werden konnten, hatten jedoch eine vergleichsweise geringe Intensitat ohne schadliche Auswirkungen. Umgekehrt miissen aber auch in einer Standsicherheitsberechnung die Auswirkungen eines ortlich moglichen, naturlichen Erdbebens beriicksichtigt werden, da eine Beschadigung der Bauwerke letztlich sogar in Hochwasserkatastrophen enden konnte. Daher soUten in seismisch empfindlichen bzw. aktiven Gebieten die Bauwerke erdbebensicher dimensioniert werden und dariiber hinaus etwaige tektonische Trennlinien bzw. Briiche keinesfalls iiberbriicken (s. a. Kapitel 13.1.1). 18.6

Auswirkungen auf den Menschen

Neben den bereits aufgefuhrten positiven und negativen Einfliissen auf die Umwelt und damit auch auf das Leben der Menschen betreffen Stauhaltungen, Talsperren, Krafthauser etc. und deren Betrieb unmittelbar den Lebensraum, das Wohlergehen sowie das Schutz- und Sicherheitsbedtirfiiis der im Umfeld lebenden Bewohner. Daher liegt es nahe, einerseits nach den finanziellen, okonomischen, psychologischen und asthetischen Aspekten und Sicherheitsfaktoren zu unterscheiden, aber sich andererseits auch der verschiedenen Vorziige der Freizeit- und Erholungsaktivitaten, der du-ekten Erlebniswelt von Wasserflachen und Wasserlaufen sowie der durch Bauwerke und Gewasserumgestaltungen gepragten FluBlandschaften bewuBt zu werden. Stets muB es dabei oberstes Gebot sein, Wissenschaft und Technik zur Wahrung und Fortentwicklung des Wohlstandes der Menschen unter Schonung der naturlichen Ressourcen einzubringen. Von erheblichem Gewicht ist bei alien Bauvorhaben in Verbindung mit der haufig erfolgenden Ubemahme von Mehrzweckaufgaben (s. Kapitel 1.6) deren mog-

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18 Wasserkraft und Umwelt

lichst optimale Einfiigung in die Landschaft, wobei dies bei Kraftwerken in erschlossenen Gebieten besonders wichtig ist [18.17][18.18]/[18.19]/[18.20]. Eine asthetische und natumahe Landschaftsgestaltung der Stauhaltung und des Uferbereichs kann mit vielfaltigen umweltgerechten MaBnahmen erreicht werden, wie z. B. durch die bereits genannte Aufschtittung von Kiesinseln und Halbinseln langs der Staustrecke und des Unterwassers, die standortgerechte Bepflanzung des Uferbereiches oder die Schaffung von Teichen und Feuchtbiotopen. Dabei ist die Mitarbeit von Landschaftsarchitekten, Biologen, Okologen und anderer Fachdisziplinen unentbehrlich. In etlichen Fallen haben derartige MaBnahmen bereits zur Ausweisung von Naturschutzgebieten gefuhrt (z. B. am Lech, Rhein etc.). Die Asthetik der Bauwerke ist stets ein strittiges Thema, da die Beurteilung subjektiv ist und permanenten Anderungen unterliegt. In der Pionierzeit der Wasserkraftnutzung, das heiBt vom Ende des 19. bis Anfang des 20. Jahrhunderts, war die allgemeine Auffassung, daB Staustufen und besonders die Krafthauser ahnlich anderen Bauwerken soweit als moglich aus dem Wasser emporragen sollten, um die neuen Wunder der Technik schon von weither anzukiindigen. Heute hingegen dominiert der Wunsch der weitest moglichen Unauffalligkeit und Integration in die Umgebung. Bei FluBkraftwerken sind die asthetischen Zielsetzungen in der Flachbauweise zusammengefaBt [18.21]: - niedriges Krafthaus mit Flachdach (Flachbauweise); - niedrige Wehranlage durch Verwendung von Sektor- und Segmentwehren; - flache Krane mit geschiitzten Standplatzen; - moglichst niedrige Schiffsschleuse. Ahnlich verhalt es sich bei Hochdruckkraftwerken, bei denen - wie schon erlautert - angestrebt wird, die Bauten komplett unteru-disch in Kavemen anzulegen, wenn dies die geologischen Verhaltnisse und der okonomische Rahmen erlauben. Sowohl bei FluBkraftwerken als auch bei Hochdruckanlagen ist man bestrebt, die Stromableitung im Krafthaus- und Uferbereich tiber unterirdische Kabel zu ftihren. Talsperren von Hochdruckanlagen werden des ofteren als das Landschaftsbild belastende Bauwerke kritisiert. Meist wird jedoch eine asthetisch gestaltete Bogen- oder eine Bogenreihen- bzw. Pfeilerstaumauer oder ein Staudamm mit einer natumahen Ausbildung seiner Langsachse, Krone und Boschungen als ein jeweils eindrucksvolles, schones Bauwerk anerkannt. Durch Beachtung von einigen Leitlinien der Talsperrenarchitektur wurden schon mehrere hohe Talsperren gebaut, die durch ihre ausgewogene Gestaltung eine Bereicherung des Landschaftsbildes bewiesen haben. Zweifellos erfireuen sich FluBstauhaltungen und Talsperren in schoner landschaftlicher Lage eines standig wachsenden Zuspruches durch die Bevolkerung und bilden einen wachstumsstarkenden Faktor der heimischen Wirtschaft. Fremdenverkehr und Tourismus, der Wunsch nach aktiver Erholung und altemativem Wassersport sind unverkennbar und erfordem von Begtinn an zusatzliche InfrastrukturmaBnahmen. Der Bau von Wasserkraftwerken fuhrt meist zur Weiterentwicklung der Infrastruktur der umliegenden Region (Strom- und Telefonnetz, StraBen, Trinkwas-

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serversorgung, Abwasserklaranlagen, Hotel- und Gaststattengewerbe, Freizeiteinrichtungen etc.). Diese indirekten volkswirtschaftlichen Konsequenzen der ErschlieBung einer Baustelle konnen in strukturschwachen Regionen bedeutend sein. Eine besonders groBe Verantwortung Ubemimmt der Entscheidungstrager, wenn zur Verwirklichung eines GroBprojektes, z. B. der Errichtung von Talsperren mit einer groBflachigen Uberstauung, eine weitraumige Umsiedlung der ansassigen Bewohner erforderlich ist. Eine finanzielle Entschadigung bedeutet dabei bei weitem noch keinen vollstandigen Ausgleich, da die Umsiedlung auch mit vielen sozialen und psychischen Belastungen verbunden ist. Auch die Uberstauung von Verkehrswegen, archaologischen Funden und Kunstdenkmalem stellt einen schweren Eingriff mit sozialen und kulturellen Auswirkungen dar. SchlieBlich ist das Sicherheitsgefiihl von Bedeutung. Unterhalb von Stauanlagen bestehen je nach Einschatzungsvermogen moglicher Risiken fur Einzehie begrundbare Angste Uber die Standsicherheit des jeweiligen Sperrenbauwerkes. Das Sicherheitsgefiihl und Wohlbefinden des Kraftwerkspersonals ist ebenfalls zu beachten, wobei dieser Sachverhalt hauptsachlich bei Kavemenkraftwerken besteht (s. Kapitel 13.3.1). Besondere Sicherheitsvorkehrungen (Sicherheitstore, gesicherte Fluchtwege etc.) sorgen fiir eine psychische Entlastung fiir den in der Kaveme tatigen Menschen. Zum Wohlbefinden und damit auch zur Minderung der Unfallgefahr tragen des weiteren eine gute Beluftung sowie eine beruhigende und farblich ausgewogene Beleuchtung und Ausgestaltung der unteru*dischen Raume bei. Bei vielen FluBlaufen kann Uber die Zeit hinweg eine Anderung des AbfluBregimes infolge einer Veranderung der ursprunglichen Vegetation und des Bebauungsgrades des Emzugsgebietes oder durch anthropogene Einfltisse (Wasserentnahmen infolge von Urbanisierung, Bewasserung und Industrialisierung etc.) eintreten. Einem derartigen Trend kann bei einer Stauhaltung durch eine ausgleichende Wasserbewirtschaftung begegnet werden. 18.7

Spezielle Aspekte bei Mehrzweckanlagen in warm-trockenen Regionen

18.7.1

Wasserkraft und Bewasserung

Eine haufige Kombination bei Wasserkraftanlagen im Sinne einer Mehrzwecknutzung ist einerseits die Bereitstellung von Bewasserungswasser in Regionen mit jahreszeitlich bedingter oder andauemd vorherrschender Ariditat mit andererseits der Energieerzeugung, wobei letztere in vielen Fallen als Sekundamutzen zu sehen ist (s. Kapitel 1.6). Unter derartigen klimatischen Verhaltnissen ist die Nahrungsmittelerzeugung nur mittels speicherbaren Oberflachenwassers nachhaltig moglich. Da aride Gebiete weltweit einen groBen Flachenanteil ausmachen, ist es nicht verwunderlich, daB die Bewasserungslandwirtschaft der im WeltmaBstab mit Abstand bedeutendste Wasserverbraucher ist. Der hohe Bewasserungsbedarf ist pflanzenphysiologisch zu erklaren: Um ein Kilogramm pflanzlicher Trockensubstanz aufzubauen, mtissen im Mittel ca.

694

18 Wasserkraft und Umwelt

400 Liter Wasser durch die Vegetation transpiriert werden. Zwar haben Pflanzen in extremen Klimata ihren Stoffwechsel dem Wassermangel angepaBt, doch geht dies immer auf Kosten der Biomasse-Produktion. Exemplarisch ist in Tabelie 18.4 der durchschnittliche Bedarf an Bewasserungswasser flir die Nahrungsmittelproduktion in Nord-Afrika und im Mittleren Osten wiedergegeben. Tabelie 18.4: Gemittelter Bewasserungswasserbedarf zur Erzeugung von Nahrungsmitteln in Nord-Afrika und im Mittleren Osten [18.22] 1 Art des Nahrungsmittel [1 kg] 1 Weizen, Soja, Htilsenfriichte 1 Gefltigel

1 Rind

J

Bewasserungswasser [m^] 1 10 20

1

Weltweit vy^urde 1990 auf ca. 250 • 10^ ha Land Bewasserungslandwirtschaft betrieben. Das entspricht ca. 17 % der gesamten landwirtschaftlich nutzbaren Flache der Welt. Der Beitrag der Bewasserungslandw^irtschaft zur weltw^eiten Nahrungsmittelproduktion betragt jedoch ca. 36 %. Mit 73 % haben Entwicklungslander den groBten Anteil an den Bewasserungsflachen. Bei den schnellwachsenden Bevolkerungen dieser Lander spielt die Bewasserungslandwirtschaft zur Sicherung der Nahrungsmittelproduktion eine besondere Rolle. Zieht man sowohl die Grenzen der Erweiterungsmoglichkeiten landwirtschaftlicher Flachen als auch die Zunahme der Weltbevolkerung in Betracht, so wird die nutzbare landwirtschaftliche Flache bis zum Jahr 2100 auf ca. 0,14 ha pro Kopf abnehmen. Hohere spezifische Ertrage sind somit eine unabweisbare Notwendigkeit, die in vielen Fallen kaum ohne Bewasserung zu erreichen sein werden. Man schatzt, daB 80 % der bis 2025 zusatzlich benotigten Nahrungsmittel von bewasserten Feldem stammen werden und dann nur noch ca. 20 % der landwirtschaftlichen Flachen ohne jede Art des Wasser-Managements werden auskommen konnen. Diese Entwicklung wird tiefgreifende Auswirkungen sowohl auf den Wasserals auch auf den Energiebedarf haben. Mit Blick auf diese beiden Faktoren unterscheidet man drei Bewasserungsarten mit ihren jeweils charakteristischen Tendenzen(s. Tabelie 18.5): - die Oberflachenbewasserung hat den hochsten spezifischen Wasserbedarf infolge niedriger Bewasserungswirkungsgrade, benotigt aber die geringste Menge an Pumpenergie; - die Beregnung erkauft den geringen Wasserverbrauch mit erhohtem (Pump-) Energieeinsatz; - die Tropfbewasserung zeichnet sich durch niedrigen Wasser- und Energiebedarf aus.

18 Wasserkraft und Umwelt

695

Tabelle 18.5: Spezifischer Wasser- und Energiebedarf fur Mais-Anbau, bewassert mittels verschiedener Methoden im Juli bei Giza, Nil-Delta, Agypten [18.22] IPflanzenwasserbedarf [m^/d • ha] iBewasserungsgrad [-] iBewasserungsbedarf [m^/d • ha] [Pumpenergie [kWh/d • ha]

Oberflachenbew. 72,2 0,7 103,0 ! 2,8

Beregnung 72,2 0,8 90,0 17,5

Tropfbewasserung | 72,2 0,9 80,0

3,3

1

Um im Sinne einer nachhaltigen Bewasserungslandwirtschaft sorgsam mit den knappen Wasservorraten umzugehen, wh-d man den effizienteren neueren Bewasserungstechnologien wie Beregnung und Tropfbewasserung mittelfristig den Vorzug geben miissen. Wasserkraft-Mehrzweckanlagen mit den Hauptaufgaben Energie- und Bewasserungswasser-Bereitstellung kommt somit erne wachsende Bedeutung bei der Sicherung der Welt-Emahrungsgrundlagen zu. 18.7.2

Umweltrelevante GestaltungsmaBnahmen von Stauanlagen in Entwicklungslandern der warmeren Klimazonen

18.7.2.1 Gestaltungsprioritaten Wird in den gemafiigten Breiten die okologische Vielfalt als Entwicklungsziel angestrebt, so kann dieses in den tropischen und subtropischen Klunazonen der Erde im Zusammenhang mit Stauseen und Wasserkraftanlagen kontraproduktiv sein. Vielfaltige Lebensraume konnen auch vielfaltigen wasserbtirtigen Krankheitserregem gunstige Lebensbedingungen bieten, so daB hier die Beriicksichtigung gesundheitlicher Aspekte eher traditionelle MaBnahmen fordert. Probleme bereiten hier vor allem wasserburtige Krankheitserreger, die zu Blmdheit (Onchocerciasis) oder chronischer Schwachung des Organismus, hier vor allem Schistosomiasis, auch Bilharziose genannt, fuhren. Die FluBblindheit ist vomehmlich in Westafrika, aber auch in Teilen Mittelamerikas verbreitet. Schatzungen gehen von weltweit 17-40 Mio. befallener Menschen aus. Die Ausbreitung und Ubertragung erfolgt uber FadenwUrmer, die schnell flieBendes Wasser in Stromschnellen oder Hochwasserentlastungsanlagen benotigen. Die Bilharziose-Verbreitungsgebiete liegen in Afrika und SUdamerika sowie einigen Regionen Asiens. Man schatzt, dai3 weltweit mehr als 200 Mio. Menschen in 74 Landem von Bilharziose befallen sind. Die Zwischenwirtsschnecken als Bilharziose-Ubertrager bevorzugen warme Stillwasserzonen, wie sie in aufgestauten Speichem, Bewasserungssystemen, Flul3- oder Kanalabschnitten anzutreffen smd. DarUber hinaus gibt es zahlreiche andere Parasiten, Viren und Insekten, die durch die Ausweitung von Wasserflachen gunstige Lebensbedingungen vorfinden. Sie sind weniger bedrohlich, mindem jedoch ebenfalls die Lebensqualitat und Leistungsfahigkeit betroffener Menschen drastisch herab oder entziehen der Bevolkerung durch Haustierbefall die wirtschaftliche Grundlage. Beispielhaft seien Malaria, die durch Anopheles-MUcken ubertragen wird, und der Hakenwurm, der Kinder und Schafe befallt, genannt.

696

18 Wasserkraft und Umwelt

18.7.2.2 Gestaltungs- und PraventionsmaOnahmen Zur Eindammung der gesundheitlichen Gefahren bedarf es der Planung und Umsetzung ingenieurmaCiger MaBnahmen, die von Aufklarungsprogrammen begleitet werden, durch die der Kenntnisstand der betroffenen Bevolkerungsgruppen erhoht wird. Wichtige derartige MaBnahmen sind: - Vermeidung offener Hochwasser-Entlastungsanlagen. - Konzeption von Stauseeauslassen, die ausreichend starke StauseespiegelSchwankungen zum Austrocknen der Uferbereiche - gegebenenfalls unterstutzt durch Ufer-Dranagen - in biologisch relevanten Perioden zulassen. Dies ermoglicht: die Dezimierung der Wasserschneckenpopulation als tJbertrager von Bilharziose, da die Austrocknungsgeschwindigkeit die Uberlebenszeit der Schnecken extrem verkiirzt. die Moskito-Bekampfiing als Malaria-Prophylaxe, indem wahrend der Wachstumsphase der Wasserspiegel stetig abgesenkt und dies mit einer un Wochenzyklus durchgefuhrten 0,3-m-Spiegelfluktuation tiberlagert wird. - Ausfuhrung gleichmaBig geometrischer, hydraulisch „glatter" Kanalprofile. - Ausfindigmachen windgeschtitzter, flacher Stauseebuchten, z. B. mittels Femerkundung und geographischer Informationssysteme (GIS), in der Phase der Speicherplanung. Solche Stauseebereiche sind fiir einen tippigen Wasserpflanzenwuchs als Nahrungsgrundlage fur Krankheitstibertrager pradestiniert. Gegebenenfalls sind derartige Zonen umzugestalten oder der freie Zugang zu unterbinden. - „Glatten" aufgefacherter Stausee-Uferlmien. - Biologische Wachstumskontrollen, z. B. durch Beckenbesatz mit Graskarpfen zum Abweiden der Schneckenhabitate oder mit groBen Schnecken der Art Marisa aus dem Orinokobecken zur Verdrangung der BilharzioseSchnecken. - Entfemen der Vegetationsdecke im Uferbereich vor dem Ersteinstau und Durchftihrung von MaBnahmen gegen tibermaBiges Pflanzenwachstum Uber und unter Wasser, insbesondere in der Wasser-Land-Ubergangszone wahrend des Betriebs. - Unterdriickung der Pffltzenbildung in Uferzonen durch Bodenausgleich und/oder Dranage. - Beschrankung des Zutrittes zu gefahrlichen Stauseebereichen fur Mensch und Tier durch Bepflanzungen und Zaune. - Gesundheitserziehung und Aufbau einer Krankheits-Praventions-Struktur (lokale Komitees, stationare Einrichtungen etc.) fur die Stausee-Anrainer. Generell ist zu beriicksichtigen, daB unter den Rahmenbedingungen, wie sie in Entwicklungslandem der warmeren Klimazonen vorherrschen, Krankheitspravention die hochste Umweltrelevanz besitzt. Lisofem kommt dort ihrer Umsetzung bei der umweltgerechten Planung die erste Prioritat zu.

18 Wasserkrafl und Umwelt

18.7.3

697

Energetische Bewertung der Flachen-Inanspruchnahme von Wasserspeichern

Speicheranlagen - seien sie zur Wasserkraftgewinnung, Bewasserung oder Mehrzwecknutzung bestimmt - werden haufig kontrovers diskutiert. Auf der einen Seite wird ihr Nutzen herausgestellt, auf der anderen Seite finden die mit ihnen verbundenen Eingriffe in das Okosystem in Form von zusatzlichen Verdunstungsverlusten und besonders durch den Einstau von auch anderweitig nutzbaren Landflachen oft heftige Kritik. Gelegentlich wird argumentiert, daB besonders in heiBen, trockenen Zonen die Flache, die benotigt wird, um eine bestimmte Energiemenge aus Wasserkraft zu produzieren, bei dem Einsatz der Wasserkrafttechnologie um ein Vielfaches groBer sei, als wenn solarthermische oder photovoltaische Techniken eingesetzt wiirden. Eine solche Betrachtungsweise greift jedoch offensichtlich zu kurz, weil sie beispielsweise den energetischen Nutzen von gespeichertem Bewasserungswasser sowie gegebenenfalls weiterer Mehrzweckaufgaben nicht einbezieht. Um die Rahmenbedingungen ftir die Speicherplanung und den sich anschlieBenden EntscheidungsprozeB auf eine verbesserte Grundlage zu stellen, wurde das Speicher-Indikator-Konzept entwickelt. Damit laBt sich der Wirkungsgrad und der Nutzen eines Wasserspeichers im Vergleich zu konkurrierenden Landnutzungen abschatzen. GemaB diesem Konzept baut die Bewertung eines Speichers auf Indikatoren auf, die das energetische Potential der Wasserkraftproduktion, der Biomasseerzeugung mittels des in der Talsperre gespeicherten Bewasserungswassers sowie der Vegetation vor und nach Errichtung des Speichers quantifizieren. Zusatzlich werden Verdunstungsverluste, Anderungen in der C02-Bilanz des Speicherraums infolge veranderter okologischer Bedingungen sowie eine mogliche Energieerzeugung mittels direkter solarer Technologien am gleichen Standort abgeschatzt. Das im folgenden umrissene Speicher-hidikatoren-Konzept kommt mit vergleichsweise wenigen, leicht erhaltlichen Eingabedaten aus. FUr die praktische Durchfiihrung steht zusatzlich das Rechnerprogramm RESEFF (REServoir EFFiciencies) zur Verfugung [18.22]. 18.7.3.1 Speicher-Parameter Ausgangspunkt einer quantitativen Speicherbeurteilung smd die naturlichen Gegebenheiten des jeweiligen Wasserspeichers, die msbesondere anhand folgender Parameter charakterisiert werden konnen: - Stauraumgeometrie und die daraus resultierende charakteristische Speichertiefe, die das Verhaltnis von Speichervolumen und Speicheroberflache darstellt. - Speichemutzungsfaktor, der sich aus dem Verhaltnis von (bewirtschaftbarem) Speichervolumen zur Jahreswasserfracht des genutzten Gewassers ergibt und somit den zeitlichen Aspekt des Speichereinsatzes darstellt. GroBere Speicher tendieren zu groBeren Werten, da ihre Volumina oft in der GroBenordnung der jahrlichen Wasserfracht des erfaBten Einzugsgebietes angesiedelt sind. Fiir kleine Speicher sind Werte kleiner als eins charakteri-

698

18 Wasserkraft und Umwelt stisch, da ihre Speicherkapazitaten zumeist nur einen Bruchteil der Jahreswasserfracht des genutzten FlieBgewassers betragen. Wasserwirtschaftlicher Speicherungs-Wirkungsgrad, der in trocken-heiBen Klimata vor allem durch die Verdunstung neben der Versickerung beeinfluBt wird. Beide GroBen reduzieren das nutzbare Speichervolumen und damit den wasserwirtschaftlichen Speicherungs-Wirkungsgrad. Wasserkraft-Energie des Speichers gemaB (2.16) bezogen auf die Speicheroberflache.

18.7.3.2 Energetisches Potential von Bewasserungswasser Entscheidend flir die Pflanzenproduktivitat sind die Faktoren Strahlungsenergie, Nahrstoffe, Warme und Wasser. Nach dem Minimumprinzip ist dabei der minimal zur Verfiigung stehende Faktor fur ein mehr oder weniger starkes Wachstum verantwortlich. Setzt man ein ausreichendes Vorhandensein von Licht, Nahrstoffen und CO2 voraus, so sind es vor allem Wasser und Temperatur, welche die Auspragung von Wald, Grasland und Wusten in alien ihren Ausdifferenzierungen und Ubergangsformen steuem. Die moglichen Temperatur- und Niederschlagsbereiche der groBen Biome, d. h. der groBen, leicht erkennbaren terrestrischen Lebensgemeinschaften der Erde, sind m Abb. 18.12dargestellt.

4.500

-10

Mittlere Jahrestemperatur [°C] 0 5 10 15 20

25

30

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 arktisch-alpin kuhl warm subtropisch tropisch Abb. 18.12: Terrestrische Biome in Abhangigkeit von mittleren Jahrestemperaturen und Jahreniederschlagen [18.22]

18 Wasserkraft und Umwelt

699

Energetisches Gesamtpotential von Bewasserungswasser in einem Speicher Ausgehend von den funktionalen Zusammenhangen kann der energetische Gehalt des Bewasserungswassers tiber die Menge an Biomasse, die damit produziert wird, abgeschatzt werden. Von entscheidender Bedeutung ist dabei der sogenannte Umwandlungsfaktor, durch den die Umwandlung von Bewasserungswasser in Biomasse-Energie ausgedriickt wird. Er ist eine Funktion der Pflanzenproduktivitat, des spezifischen Energieinhalts der pflanzlichen Biomasse, der eingesetzten landwirtschaftlichen Methoden, der Grund-Evapotranspu*ation sowie des Bewasserungsbedarfs. Dieser Faktor beinhaltet dabei nicht nur die „eBbaren" Anteile aus der Primarproduktivitat der angebauten Kulturen, sondem auch den energetischen Gehalt der gesamten erzeugten Biomasse, wie beispielsweise Getreidekomer, Ahren und Halme, welche als Brennstoff, Baumaterial oder DUngung ebenfalls energetisch genutzt und damit in Rechnung gestellt werden konnen. Spezifisches Speicherpotential von Bewasserungswasser Nachdem alle EinfluBfaktoren und darunter insbesondere der Umwandlungsfaktor abgeschatzt bzw. als funktionaler Zusammenhang ermittelt wurden, kann das auf die Stauseeoberflache bezogene spezifische Potential des gespeicherten Bewasserungswassers abgeleitet werden. 18.7.3.3 Potential von Biomasse im Stauraum Bei der Bewertung eines Wasserspeichers in Hinblick auf konkurrierende Landnutzung kann neben dem Bewasserungspotential auch die Veranderung der Biomasse-Produktion un Stauraum eine Rolle spielen. Durch den Einstau eines Speichers wird einerseits die energetische BiomasseProduktion der vorher dort heimischen bzw. angebauten Landpflanzen unterbunden und andererseits der Aufwuchs von Wasser- sowie Unterwasserpflanzen eingeleitet. Die zwei zu berucksichtigenden Indikatoren sind: - die Jahresenergieproduktion der aquatischen Pflanzen im Speicherbereich je Einheit Stauseeoberflache und - der vormals genutzte Anteil der infolge Uberstauung unterbundenen Landpflanzen-Biomasseproduktion (Landwirtschaft, Rohmaterial etc.). 18.7.3.4 Spezifisches Gesamt-Energiepotential eines Wasserspeichers Aus den einzehien GroBen laBt sich schlieBlich das auf die Stauseeflache bezogene Gesamt-Energiepotential eines Wasserspeichers angeben. Es setzt sich zusammen aus der eigentlichen Energieerzeugung der Wasserkraftanlage, dem Potential des Bewasserungswassers und der Jahresenergieproduktion der Wasserpflanzen, abztiglich des nutzbaren Anteils der infolge Uberstauung unterbundenen Landpflanzen-Biomasseproduktion. 18.7.3.5 Durch Speicherkraftwerke vermiedene COi-Produktion Bekanntlich bringt die Wasserkraftnutzung eine sehr germge C02-Erzeugung und damit - im Vergleich zu fossilen Kraftwerken - emen hohen CO2Vermeidungsgrad mit sich (s. Kapitel 18.1). In die Gesamtbilanz mit einzurechnen sind neben der bau- und betriebsbedingten C02-Produktion Minderungen und Mehrungen im C02-Reduktionspotential, die mit der Uberstauung der Landfla-

700

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chen im Speicher zusammenhangen. Ist die tiberstaute Flache Wiistenboden, vermindert sich der C02-Reduktionsgrad nicht - im Gegenteil, durch die sich neu bildende aquatische Vegetation kann mit einem gewissen Reduktionszuwachs gerechnet werden. Geht terrestrische Vegetationsflache im erheblichen Umfang verloren, verringert sich das C02-Reduktionspotential. Sowohl bei der aquatischen als auch bei der terrestrischen Vegetation hangt die C02-Reduktion davon ab, - welcher Anteil der am Ort aufgebauten Biomasse bei Verrottung wieder veratmet wu*d und damit kein C02-Reduktionspotential der Biomasse darstellt und - welcher Anteil dem ortlichen C02-Kreislauf entzogen wird, indem Biomasse entnommen (z. B. Holz), ausgeschwemmt (z. B. Spreu, tote Pflanzenteile), bei Hochwassem mit Sediment iiberdeckt oder in die Ozeane verdriftet wird. Bei der Abschatzung der C02-Aufiiahme durch Land- und Wasserpflanzen sind die gleichen Fallunterscheidungen und Annahmen zu treffen, wie bei der Erfassung des Biomasse-Potentials im Stauraum. Die auf die Flacheneinheit bezogene primare C02-Entnahme aus der Atmosphare durch Landpflanzen laBt sich iiber die ortliche, d. h. niederschlags- und temperaturabhangige bzw. landwirtschaftlich bedingte Netto-Primarproduktion anzetzen. In der Regel wird das vorhandene Biomasse-Inventar des zu iiberstauenden Speicherraumes nicht beriicksichtigt, da dies im Vergleich zur jahrlichen Produktivitat einerseits von untergeordneter Bedeutung ist und andererseits sein Verbleib von verschiedensten Faktoren abhangen kann. So ist es moglich, daB die Vegetationsdecke im Stauraum zumindest teilweise entfemt und einer Nutzung zugefuhrt wird. 18.7.3.6 Ergebnisse der vergleichenden Speicherpotential-Abschatzung Energetische Speicherpotentiale Mit Hilfe des Speicher-Indikatoren-Konzeptes und des zugehorenden Programms RESEFF lassen sich aus einem weltweiten Vergleich unterschiedlichster moglicher Speicherstandorte die folgenden Erkenntnisse gewinnen [18.22]: - Warme aride Gebiete weisen hohe Bewasserungspotentiale auf, dort tibertreffen sie typischerweise die zugehorigen Wasserkraflpotentiale. - In niederschlagsreicheren und vom Relief her gtinstigen Regionen sind Speicherstandorte mit hohem Wasserkraftpotential vorhanden, bei denen Bewasserungspotentiale keine oder nur eine untergeordnete RoUe spielen. Beispiele hierfiir sind die MittelgebirgszUge nordlich und sUdlich des Amazonasbeckens, der Oberlauf des Kongo-Flusses oder Standorte im gebirgigen Zentralafrika. - Die hochsten Gesamtpotentiale findet man in trockenen, warmeren Gebirgsregionen nahe des Aquators, wie beispielsweise Khartoum oder Assuan in Nordost-Afrika. - Die geringsten Gesamtpotentiale haben flache, feucht-warme Regionen, wie z. B. Manaus im Amazonasbecken, Benin im Kongobecken. - Tiefe - und damit zumeist auch groBe - Talsperren haben hohere energetische Potentiale als flache - und damit zumeist auch kleinere - Speicherseen.

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701

Potential der COi-Reduktion von Wasserspeichern Die moglichen C02-Reduktionen mit Hilfe eines Wasserspeichers durch Vermeidung fossil erzeugter Energie an anderer Stelle hangt nicht unwesentlich von den Randbedingungen des jeweiligen Speicheranlagen-Standortes ab. 1st die lokale natUrliche Biomasse-Produktion aufgrund gunstiger klimatischer Konstellationen hoch, vermindert sich das Reduktionspotential. Dabei zeigen die flachenbezogenen C02-Vermeidungspotentiale im wesentlichen ahnliche Tendenzen, wie sie aus der Beurteilung der energetischen Speicherpotentiale abzuleiten sind. Spezifisches energetisches Gesamtpotential von Wasserspeichern im Vergleich zu direkter solarer Nutzung In der Zusammenschau von energetischen Potentialen aus Wasserkraftnutzung, Bewasserungswasser und Prozessen der Biomasse-Produktion im Speicherraum ergeben sich gegeniiber direkter solarer Nutzung ebenfalls sehr deutliche standortbezogene Unterschiede. In trocken-warmen Gebirgsregionen, dort, wo die hochsten Speicher-Gesamtpotentiale erzielt werden, erreicht die flachenbezogene Energieausbeute eines Speichers diejenige einer direkten solaren Nutzung. Es erhalt aber auch ein wasserkraftgunstiger Standort, wie beispielsweise Bukavu in Kamerun, der nur ein geringes Bewasserungspotential aufweist, eine vergleichsweise hohe Verhaltniszahl von 0,62. Zusatzlich zu dem hier dargestellten energetischen Vergleich von Speicher und Sonne kommen in vielen Fallen noch weitere Speicher-Nutzungszwecke zusatzlich zur Wasserkraft und Bewasserung hinzu (s. Kapitel 1.6). Oft handelt es sich dabei um Hochwasserschutz und/oder Niedrigwasseraufhohung sowie Reservehaltung zur Erhohung der Versorgungssicherheit. Auch solche, einem Speicher zuzuordnenden Aufgaben, welche die GroBe des Speichers mitbedmgen, lieBen sich prinzipiell „energetisch" bewerten. Eine Moglichkeit bestunde darin, die zusatzlichen vermiedenen Kosten bzw. entstandenen Nutzen als „Energiepreise" zu interpretieren und in Energieeinheiten auf das anteilige Speicherwasser umzurechnen. Der umgekehrte Weg, statt Energieeinheiten insgesamt flachenbezogene monetare Einheiten flir Vergleichszwecke auszuweisen, ware selbstverstandlich ebenfalls moglich (s. a. Kapitel 3.3.2). Mehrzweckspeicher vorrangig in den warm-trockenen Regionen der Erde besitzen somit ein groBes Nutzenpotential. Sie konnen dort einen nachhaltigen, flacheneffizienten Beitrag zur Emahrungssicherung und zur Deckung des anwachsenden Energiebedarfs der Landesbevolkerung leisten, indem sie gleichzeitig Bewasserungswasser und Wasserkraft bereitstellen. Diese Aussage wird durch zusatzliche Indikatoren gestutzt: es smd dies die C02-Vermeidungspotentiale und die Vergleichswerte von Speicherpotentialen zu direkten solaren Nutzungspotentialen. Fiir die Bewertung derartiger Mehrzweckstandorte steht mit dem Speicher-Indikatoren-Konzept und dem Programm RESEFF ein taugliches Werkzeug zur Verffigung.

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18 Wasserkraft und Umwelt

18.8

Besondere Umweltaspekte von der Errichtung bis zum Riickbau einer Anlage

Der zusatzliche Platzbedarf fur Baustelleneinrichtungen wahrend der Bauphase ist stets viel groBer als die Flache, die die Bauten der eigentlichen Wasserkraftanlage in Anspruch nehmen. Dieser Eingriff in die Natur ist aber lediglich auf die Dauer der Bauzeit beschrankt, die bei FluBkraftwerken je nach GroBe und Randbedingungen ca. 2-6 Jahre und bei Talsperrenprojekten etwa 4-8 Jahre ist. Nach Fertigstellung des Kraftwerkes werden diese Flachen rekultiviert. Die Begleiterscheinungen der Bauarbeiten, dies sind vor allem Larm, Staub, Verkehrsbehinderungen und der Anblick der Baustelle, werden durch den Beobachter mehr oder weniger belastend empfunden. Gleichzeitig werden aber fur die einheimische Bevolkerung Arbeitsplatze geschaffen sowie die Kapazitat ortlicher Firmen in Anspruch genommen. In der Betriebsphase sollten vor allem Instandhaltungs-, Modemisierungs- und RenovierungsmaBnahmen als Chance dafiir gesehen werden, okologische Verbesserungen zu realisieren und diese moglicherweise in ein verbessertes, technischokologisches Gesamtkonzept zu integrieren (s. Kapitel 13.3) Die lange Lebensdauer und die un Vergleich mit anderen Energieerzeugungsanlagen in der Regel verhaltnismaBig geringen Entsorgungskosten fur den Riickbau einer Wasserkraftanlage begUnstigen einen relativ niedrigen Strompreis und damit hoheren Gewinn wahrend der gesamten Lebensdauer. Bisher wurden allerdings nur sehr wenige Wasserkraftanlagen stillgelegt und riickgebaut, vielmehr werden altere in fast alien Fallen modemisiert und wieder in Betrieb genommen. SoUte dennoch aus Ubergeordneten Grunden eine Stillegung und ein vollstandiger Riickbau notwendig sein, so konnen diese umweltfreundlich vorgenommen werden, insbesondere bei einer sortenreinen Trennung und weitestgehenden Wiederverwertung der anfallenden Reststoffe. Der Ruckbau einer Anlage muB, wie im Kapitel 3.3 beschrieben, schon in die Wirtschaftlichkeitsberechnung vor Baubeginn einflieBen. Wahrend der gesamten Betriebsdauer der Anlage miissen entsprechende Riickstellungen gebildet werden, die am Ende der Lebensdauer ftir den Ruckbau der Anlage zur Verfiigung stehen. 18.9 [18.1]

Literatur

Giesecke, J.: Wasserwirtschaft in stark besiedelten Regionen, gezeigt am Beispiel des Neckar. In: Mitteilungen des Institutes ftir Wasserbau der Universitat Stuttgart (1991), Heft 76 [18.2] Heimerl, S.: Systematische Beurteilung von Wasserkraftprojekten. In: Mitteilungen des Institutes ftir Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2002, Heft 112 [18.3] Vischer, D.: Der EinfluB der Wasserkraftnutzung auf die Umwelt. In: Osterreichische Wasserwirtschaft 27 (1975), Heft 11/12, Seite 267-276 [18.4] Gagnon, L: Comparing Environmental Impacts of Power Generation Options. Untersuchungen der Hydro Quebec, Kanada, im Auftrag der Internationalen Energie-Agentur, 2000

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703

18.5] Tremblay, A.; Varfalvy, L.; Rohm, C ; Gameau, M (Hrsg.) Greenhouse Gas Emissions - Fluxes and Processes. Heidelberg: Springer-Verlag, 2005 18.6] Jorde, K.: Okologisch begrlindete, dynamische Mindestwasserregelungen bei Ausleitungskraftwerken In: Mitteilungen des Institutes fur Wasserbau der Universitat Stuttgart (1996), Heft 90 18.7] Giesecke, J.: Wasserwirtschaftliche und betriebliche Aspekte bei Hochwasserriickhaltebecken. In: Wasserwutschaft 64 (1974), Heft 1, Seite 1-8 18.8] Mosonyi, E.: Study for intake structures of flood detention basins to be established along the upper rhine. In: Periodica Polytechnica der Technischen Universitat Budapest Ser. Civil Eng., 38 (1994), Nr. 2, S. 137-154 18.9] Hainard, P.; Bressoud, B.; Giugni, G.; Moret, J. L.: Wasserentnahme aus FlieBgewassem: Auswirkungen verminderter AbfluBmengen auf die Pflanzenwelt. In: Schriftenreihe Umweltschutz des Schweizerischen Bundesamtes fiir Umwelt, Wald und Landschaft, Heft 72, 1987 18.10] Haider G.; Dreyer, S.: Die Gefahrdung der Fischfauna in Baden-Wiirttemberg. In: Wasserwirtschaft 74 (1984), Heft 6, Seite 332-337 18.11] Wnuk, Regierungsprasidium Stuttgart: Ergebnisse einer Elektrobefischung am Kocher. Personliche Auskunft, 1996 18.12] Statzner, B.; Gore, J. A.; Resh, V. H.: Hydraulic stream ecology: observes patterns aand potential applications. In: Journal of the North American Benthological Society 7 (1988), Seite 307-360 18.13] DVWK (Hrsg.): Beitrage zur Gewasserbeschaffenheit - Auswirkungen von FluBstauhaltungen auf die Gewasserbeschaffenheit. In: Schriftenreihe des DVWK (1981), Band 45, Seite 139-186 18.14] Giesecke, J.; Heimerl, S.: Treibgut an Wasserkraftanlagen - ist die vollstandige Entnahme heute noch zeitgemaB? In: Wasserwirtschaft 90 (2000), Heft 6, Seite 294-299 18.15] Heimerl, S.; Giesecke, J.; Kibele, K.: Neuinterpretation der Schwemmgutbehandlung an Wasserkraftanlagen in der Bundesrepublik Deutschland? In: Wasser, Energie, Luft 95 (2003), Heft 11/12, Seite 366-368 18.16] Jurging, P.; Patt, H. (Hrsg.): FlieBgewasser- und Auenentwicklung. BerIm, Heidelberg: Springer-Verlag, 2005 18.17] Mosonyi, E.: The human aspects of hydropower. In: Hydropower & Dams 11 (2004), Nr. 6, Seite 33 18.18] Mosonyi, E.: Wasserbau: Kunst oder Technik? In: Landesanstalt fiir Umweltschutz Baden-Wiirttemberg (Hrsg): 100 Jahre Gewasserkundliche Dienststelle Baden-Wixrttemberg 1883-1983, Karlsruhe, 1984, Seite 2339 18.19] Hillestad, Knut Ove: Landscape Design in Hydropower Planning. In: Hydropower Development, Trondheim, 1992, Volume No. 4 18.20] Foex, E.; Jakob, M.: Architecture & Electricite. Denges: Editions du Verseau, 2003 18.21] Mosonyi, E.: Ausbau der Gewasser. In: Wasserwhtschaft 66 (1976), Heft 1/2, Seite 36-44

704

18 Wasserkraft und Umwelt

[18.22] Marx, Walter: Wasserkraft, Bewasserung, Umwelt - Planungs- und Bewertungsschwerpunkte der Wasserbewirtschaftung. In: Mitteilungen des Institutes fiir Wasserbau der Universitat Stuttgart, 2003, Heft 116

705

19

Mindestwasser regelungen

Der Wasserentzug aus FlieBgewassem durch Wasserkraftnutzung, Trinkwasserversorgung, Speicherbewirtschaftung, Bewasserung, Kiihlung u. a. hat zur Folge, daB die naturlichen AbfluBverhaltnisse im ursprunglichen Mutterbett je nach Entnahmequote teilweise stark verandert werden. Bei Totalentnahme fuhren diese Ausleitungsstrecken dann nur noch bei einem Wasseruberangebot, bei moglichen Sickerverlusten an der Wehranlage, unterhalb von SeitenzuflUssen oder durch Grundwasserzustromung etc. Wasser. Durch eine Mindestwasserregelung soil in der Ausleitungsstrecke eine fur die okologische Funktionsfahigkeit notwendige Wasserfuhrung sichergestellt werden. Das nicht ausgeleitete Mindestwasser, auch als Restwasser bezeichnet, verbleibt dann im Mutterbett und steht deshalb fiir den jeweiligen Nutzungszweck nicht zur Verfiigung, so daB dies in manchen Fallen die Wutschaftlichkeit der Anlage gefahrden kann. Die Festlegung der Mindestwasserregelung ruft daher sehr haufig eine Konfliktsituation zwischen den Interessen der Wassemutzung auf der einen Seite und den Anforderungen der Gewasserokologie auf der anderen Seite hervor. Bei der Bewertung dieser Mindestwasserproblematik sind aus okologischer Sicht der Grad des gewassertypischen Zustandes unter Beriicksichtigung der bisherigen anthropogenen Einfliisse, die Morphologic, das AbfluBregime, der Temperaturhaushalt, der Vemetzungsgrad, die Moglichkeiten der Revitalisierung von Biozonosen, die Landschaftsasthetik, die bauliche Durchfiihrung, die Betriebsweise und die lokale Gewassemutzung mit in die Betrachtungen emzubeziehen. Der Begriff Mindestwasserregelung beinhaltet dabei nicht nur einen bestimmten AbfluBwert, der gegebenenfalls noch jahreszeitlich gestaffelt abgegeben werden kann, sondem ist aus okologischer Sicht vom naturlichen ZufluB abhangig dynamisch festzulegen. Dies bedeutet, daB beispielsweise anlaufende Hochwasser sich auch in der Ausleitungsstrecke durch zunachst langsam ansteigende AbflUsse ankiindigen oder daB ein angepaBter Modus fiir das Geschiebemanagement und die Vermeidung von Feinsedimentablagerungen gefunden werden muB. Die Anspriiche unterschiedlicher Organismen wahrend bestunmter Entwicklungsphasen (Laichzeit, Winterhabitate etc.) und die Passierbarkeit sind weitere Kriterien. 19.1

Gebrauchliche Methoden zur Mindestwasserfestlegung

Die groBe Anzahl der aus der Literatur bekannten Methoden zur Mindestwasserfestlegung spiegelt die Vielschichtigkeit der Mindestwasserproblematik wider [19.1]. Die in der Praxis angewandten Methoden basieren grundsatzlich auf KenngroBen hydrographisch-statistischer bzw. fluBhydraulischer Art, einfachen Verfahren oder Habitatsimulationsmodellen. Weitere Unterscheidungsmerkmale dieser Methoden sind auf der einen Seite die Prinzipien, auf denen sie aufbauen, auf der anderen Seite die Charakteristik der Mindestwasserregelungen, die schlieBlich festgelegt werden (s. Tabelle 19.1).

706

19 Mindestwasserregelungen

Tabelle 19.1: Methoden zur Festlegung von Mindestwasserregelungen iMethode

EingangsgrOBen

Ergebnis

MindestabfluB, starr, zeitlich gestaffelt oder abfluBabhangig dynamisch fluBhydraulische KenngrOBen MindestabfluB llGrenzwerte Morphologische und hydraulische Pa- Okologisch begrundete llSimulationsrameter modelle MindestwasseremHabitatanspriiche von Organismen pfehlung, Starr, zeitlich gestaffelt oder abfluBabhangig dynamisch llEntscheidungs- Mindestwasserempfehlung multikriterielle Entmodelle energiewirtschaftliche Kriterien scheidung, zu der u. a. betriebswirtschaftliche Kriterien die MindestwasserregelandschaftsasthetischeGesichtspunkte lung gehOrt Bereitstellung von Ersatzenergie Schadstoffbilanzen IStarre Formeln hydrographisch-statistische Kennzahlen einzugsgebietsabhangige Abfliisse

19.1.1

Okologische Rele- 1 vanz bez. Mindestwasserregelung | sehr gering 1

maBig 1 aufwandsabhangig, 1 hoch bis sehr hoch

abhangig von Qua- 1 litat der Mindestwasserempfehlung

KenngroBen

Hydrographisch-statistische KenngroBen bilden meist die Grundlage von sogenannten „Mindestwasserformeln" . Weniger haufig werden auch fluBhydraulische KenngroBen wie AbfluBtiefe und -geschwmdigkeit beriicksichtigt. Diese formehnaBigen Ansatze kommen am hauflgsten zum Einsatz, weil sie in der Handhabung sehr einfach sind. Sie konnen daher auch fur die Ermittlung eines ersten Orientierungswertes herangezogen werden. Der fiir gewisse Gewassertypen, Einzugsgebiete oder gar Lander mittels Formebi bestimmte MindestwasserabfluB bedeutet jedoch meistens eine konstante bzw. pauschale Festlegung, die in der Kegel nicht okologisch begrtindbar ist. In Einzelfallen kann sie zu okologisch zufriedenstellenden Mindestwasserregelungen fuhren, haufig sind die festgelegten Mindestwasserabfliisse aber - abhangig von der Gewassercharakteristik - entweder zu niedrig oder zu hoch angesetzt. Bei den Formebi und Grenzwerten werden vorwiegend folgende Parameter betrachtet[19.1]: - durchschnittliche Mittel- und NiedrigwasserabflUsse, z. B. MQ, MNQ, NM.Qn; - spezifischer AbfluB unEinzugsgebiet in 1/skm^; - Unterschreitungsabfliisse, z. B. Q347, 95-%-Percentile; - Mindesttiefen; - mittlere FlieBgeschwindigkeit. Der wesentliche Nachteil aller Formeln liegt darin, daB sie die auBerst wichtige Interaktion zwischen AbfluB und Gewasserbettmorphologie (s. a. Abb. 19.1) nicht beriicksichtigen und daher keine Aussage ttber die Veranderungen der Lebensraume und ihrer Qualitat erlauben.

19 Mindestwasserregelungen Gewässerbettmorphologie - Talwegverlauf - Längsgefälle - Substratrauheit - Strukturvielfalt

707

Abfluß - Größe - zeitliche Variabilität Interaktion

physikalische und physiographische Faktoren - zeitliche und räumlich variabel

Habitatangebot Abb. 19.1:

Interaktion zwischen AbfluB und Morphologic [19.2]

Dieses Defizit kann nur durch die Integration gewasseraiorphologischer und okohydraulischer KenngroBen erfolgen, woflir jedoch aufwendigere Verfahren notwendig sind. Dabei kann zwischen einfacheren Verfahren und aufwendigeren Habitatsimulationsmodellen unterschieden werden. 19.1.2

Einfache Verfahren

Bei den einfachen Verfahren werden bestimmte Zustande beobachtet bzw. gemessen und dann anhand gewisser Zielkriterien ein MindestabfluB empfohlen. Exemplarisch sei an dieser Stelle das von SCHALCHLI [19.3] entwickelte Verfahren fiir Gebirgsbache genannt, bei dem die Ausbildung typischer hydraulischmorphologischer Strukturen in Abhangigkeit vom AbfluB durch Beobachtung registriert wird. AnschlieBend werden bestimmte Zielerfiillungsgrade beztiglich der Kriterien Uberprtift. Zu den Kriterien gehoren beispielsweise: - Lufteintrag (weiBes Wasser); - Anspringen von Seitengerinnen; - Sichtbarkeit des Abflusses; - Gerausch des Abflusses; - Aufenthaltszeit in Becken; - Spritzen des Abflusses. Es ist davon auszugehen, daB diese Kriterien okologisch relevant sind, jedoch existiert hierfur bislang kein Ansatz zur Quantifizierung. In anderen Untersuchungen wurden in zum Teil mehrjahrigen Untersuchungsprogrammen folgende Aspekte untersucht: - Wasserqualitat und Gewassergiite: Temperatur, BSB5, Faulschlammbildung, Sauerstoffgehalt, Sichttiefe, Leitfahigkeit etc.; - Selbstreinigung (Sauerstoffaufiiahme); - Gewasser- und Gewasserrandbiozonose, gewasserbegleitende Vegetation; - Wertigkeit des Kraftwerkkanals; - Populationsveranderungen (hydraulische Praferenzkurven); - Fischarten und -ertrage (Fischbiologie); - Sedimentation von Schwebstoffen (Kohnationsvorgange); - ausgeglichener Grundwasserhaushalt; - Landschaftsasthetik.

708

19 Mindestwasserregelungen

19.1.3

Habitatsimulationsmodelle

19.1.3.1 Hintergrund Einen wesentlichen Fortschritt gegeniiber den formelmaBigen Ansatzen und einfachen Verfahren bieten Habitatsimulationsmodelle, auch nur als Habitatmodelle bezeichnet, welche die tatsachlichen okohydraulischen und okomorphologischen Parameter berucksichtigen. Derartige Modelle wie PHABSIM [19.4]/[19.5] aus Nordamerika oder das an der Universitat Stuttgart entwickelte Simulationsmodell CASIMIR (s. Kapitel 19.4) [19.6]/[19.7] beinhalten wesentliche Verbesserungen bezuglich der okologischen Aussagekraft der Ergebnisse. Wahrend die Anwendung von PHABSIM in Amerika seit langem Standard ist und die Ergebnisse auch von Gerichten anerkannt werden, setzen sich diese Ansatze inzwischen auch zunehmend in Europa durch. Die Ergebnisse aus derartigen Unersuchungen sind okologische Lebensraumqualitaten in Abhangigkeit vom MindestabfluB, woraus sich okologisch flindierte Empfehlungen fiir eine gewasser- und standortspezifische Mindestwasserregelung ableiten lassen. Die Vorteile des Einsatzes von Habitatmodellen fur gewasserokologische Fragestellungen sind vor allem in den folgenden Zusammenhangen begrundet: - Der okologische Zustand eines Gewassersystems ist unmittelbar mit den Lebensverhaltnissen der typischerweise angesiedelten Lebewesen gekoppelt. - Mit Habitatmodellen kann der EmfluB von AbfluB- und Strukturanderungen auf Fische, Invertebraten und Makrophyten vorausgesagt werden. - AbfluBanderungen in FlieBgewassem wirken sich primar auf Wassertiefen, FlieBgeschwindigkeiten und Substratzusammensetzung aus, die alle Hauptfaktoren der Habitatqualitat und -modellierung sind. - Durch den Bezug des Habitatangebots auf den AbfluB wird eine quantitative Basis geschaffen, die es erlaubt, okologische Bewertungen den Nutzungsansprlichen gegeniiberzustellen. In die Modellierung kann ein grower Teil der hydraulisch und morphologisch maBgeblichen Faktoren einbezogen und mit biologischen Kriterien verkniipft werden. Dazu werden die Daten im Feld einmalig erhoben und anschlieBend alle Untersuchungen am Computer durchgefuhrt. Zu den Daten, die damit erfaBbar werden, gehoren z. B.: - Tiefenrelief der Gewasserstrecke; - Muster der sohbiahen Stromungskrafte; - lokale FlieBgeschwindigkeiten; - Muster der Substrate; - Uferstrukturen und Unterstande; - raumliche Heterogenitat; - zeitliche Dynamik; - Qualitat des hydraulisch-morphologischen Habitatangebots fur ausgewahlte Organismen. Wurden zunachst vor allem Fragestellungen im Zusammenhang mit Mindestabflussen untersucht, hat sich der Anwendungsbereich fiir derartige Modelle inzwi-

19 Mindestwasserregelungen

709

schen erweitert. So werden Habitatmodellierungen heute fur die Behandlung folgender Fragestellungen eingesetzt: - AbfluBregelungen, - Strukturguteuntersuchungen, - Gewasserrenaturierung, - Auswirkungen von GewasserausbaumaBnahmen und - Einzugsgebietsmanagement. 19.1.3.2 FlieOgewasserhabitate und ihre Beschreibung FlieBgewassersysteme bestehen aus einem System zeitlich und raumlich variabler physikalischer, chemischer und biologischer Komponenten, innerhalb dem Fische und andere aquatische Organismen existieren konnen, sofem diese tiber die darauf abgestimmten physiologischen, verhaltensbezogenen und ihren Lebenszyklus reflektierenden Eigenschaften besitzen. Diese Umweltkomponenten werden in Verbindung mit dem artbezogenen Lebenszyklus haufig als eine mehrdimensionale Nische von Umweltbedingungen bezeichnet, wie z. B. bestimmte Bereiche von Wassertiefen, Geschwindigkeiten, Substratarten und Temperaturverhaltnissen. Hinzu kommen die notwendigen Ressourcen, wie beispielsweise das Nahrungs- und Raumangebot. In der Summe beschreiben diese Komponenten die Umweltbedingungen, die fur das langfristige Vorkommen einer Art erforderlich sind. Fiir die Festlegung der Produktivitat von FlieBgewasserokosystemen sind vor allem vier Hauptkomponenten verantwortlich [19.8]: - AbfluBregime,; - physikalische Habitatsstruktur (Gerinneform, Substratszusammensetzung etc.); - Wasserqualitat einschlieBlich der Temperatur; - Energieeintrage aus dem Einzugsgebiet (Nahrstoffe und organische Substanzen). Das Zusammenwirken dieser dynamischen Komponenten legt die Primar- und die Sekundarproduktion in einem FluBabschnitt und damit letztendlich das Potential der Artengemeinschaften an Fischen, Invertebraten und Pflanzen fest. Hinsichtlich der betrachteten Dimensionen der Lebensraume wird haufig die in Tabelle 19.2 angegebene Einteilung verwendet. Tabelle 19.2: Einteilung der Habitatskalen in Fliefigewassem nach ihrer Dimensionen Mikrohabitat lAbmessungen cm bis mehrere m IParameter lokale Wassertiefen, FlieBgeschwindigkeiten. Substrate

Mesohabitat 10 Meter bis mehrere 100 m mittlere Breiten, Tiefen, FlieBgeschwindigkeiten, Gewasserstrukturparameter

Makrohabitat 100 m bis mehrere km Temperatur, Gerimie Morphologie, AbfluBverhalten

| 1 1

Habitatmodelle, wie sie heute gebrauchlich sind, beziehen sich zumeist auf die Mikrohabitatskala, werden aber haufig auch auf der Mesohabitatebene verwendet. Einzehie Ansatze wurden auch speziell fiir die Mesohabitatmodellierung entwikkelt. Die Modellierung von Makrohabitaten wu*d derzeit nur auf der Ebene von

|

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19 Mindestwasserregelungen

Forschungsarbeiten verfolgt. Die verwendeten Ansatze zur Makrohabitatmodellierung basieren auf Informationen, welche aus Geographischen Informationssystemen gewonnen werden konnen. 19.1.3.3 Schnittstelle Abiotik-Biotik Das Gesamtokosystem FlieBgewasser laBt sich im wesentlichen in zwei groBe Bereiche aufteilen. Dies sind zum einen die abiotischen Faktoren, dazu zahlen hydrologische Parameter (AbfluBregime), hydraulische Faktoren (FlieBgeschwindigkeit, Turbulenz etc.), das Geschieberegime, die Landschaftsasthetik, die Grundwassersituation sowie eine Reihe gewasserphysiographischer Gesichtspunkte wie das Temperatur- und Sauerstoffregime. Zum anderen sind dies die biotischen Faktoren, d. h. der Artenzusammensetzung der Biozonosen, die Populations- und Besiedelungsdynamik, die Vegetation, das Nahrungsgefiige, der Trophiestatus usw. Die gangigen Habitatmodelle bestehen aus einem physikalischen Teil, der die abiotischen Faktoren untersucht. Oftmals werden diese Parameter mit einem zeitlichen Faktor beispielsweise in Form von Ganglinien verkntipft. Das Ergebnis ist zunachst eine Beschreibung der physikalischen Umgebung (s. Abb. 19.2). Basis

- Wasserqualität (Sauerstoff, pH-Wert, Leitfähigkeit, toxische Substanzen, Nährstoffe etc.) - Licht - Temperatur - Menge und Art suspendierter Stoffe - Nahrungsangebot

Bedeutung der Habitatausprägung gering

Wasserqualität gut

mäßig

schlecht

Abb. 19.2: Modelle mit Schnittstelle Abiotik-Biotik [nach 19.9] In einem zweiten Schritt werden diese Attribute liber Schnittstellen mit den biotischen Faktoren verkntipft. Diese Schnittstellen beschreiben die Beziehung zwischen diesen physikalischen Merkmalen und den Praferenzen und Abundanzen (Besiedlungsdichten) einer bestimmten Art. Das Ergebnis dieser Verkntipftmg stellt die sogenannte Habitatqualitat dar, die auf verschiedene Arten beschrieben werden kann. Der traditionelle Ansatz flir die Beschreibung (PHABSIM-Ansatz) ist die Weighted Usable Area (WUA) oder ein Eignungsindex (Suitability Index, SI). Oftmals werden verschiedene Entwicklungsstadien und Jahreszeiten separat betrachtet. AuBerdem konnen verschiedene Aktivitaten, wie z. B. Nahrungssuche und Fluchtverhalten, berticksichtigt werden.

19 Mindestwasserregelungen

711

Die ermittelte Habitatqualitat ist normalerweise nicht mit der Populationsdynamik verknupft. Die Ergebnisse solcher Habitatsimulationsmodelle bilden jedoch oft die Grundlage ftir die Abschatzung kunftiger Populationsentwicklungen. 19.1.4

Entscheidungsmodelle

Die Ergebnisse einer - wie auch immer erarbeiteten - Mindestwasserempfehlung konnen schlieBlich noch mit weiteren Kriterien verkniipft werden, z. B. mit energiewirtschaftlichen oder betriebswirtschaftlichen Kriterien, energiepolitischen Zielen, landschaftsasthetischen Gesichtspunkten usw. Hierzu stehen verschiedene Entscheidungsfindungsmethoden, wie die Nutzwert-Analyse, Kosten-NutzenAnalyse oder sogenannte Mehrzielplanungsverfahren zur Verfiigung (s. Kapitel 3.3). 19.2

Mindestwasserregelungen in Deutschland

In Deutschland erfolgt die Mindestwasserfestlegung grundsatzlich individuell. Die einzelnen Bundeslander legen dabei meist formelmaBige Richtwerte oder auch fluBhydraulische KenngroBen zugrunde. Die Landerarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA), ein ZusammenschluB der Fachbehorden der deutschen Bundeslander, hat auft)auend auf diesen unterschiedlichen Erfahrungen der Bundeslander eine Empfehlung zur Ermittlung von Mindestwasserabfltissen veroffentlicht [19.10]. In der Schweiz beispielsweise sind dagegen formelmaBige Regelungen im Gewasserschutzgesetz vorhanden. Generell ist festzuhalten, daB sich in Deutschland - wie auch in Osterreich und der Schweiz - derzeit noch kein Konsens liber die Festlegung einer allgemein gultigen Mindestwasserregelung finden laBt. Unterschiedliche Arbeitsgruppen auf Bundes- und Landerebene, wie z. B. in Baden-Wiirttemberg [19.11], haben Vorschlage erarbeitet, die jedoch nicht generell akzeptiert werden. Im ubrigen bleibt es den Wasserkraftbetreibem grundsatzlich freigestellt, im Rahmen einer Planfeststellung oder eines Plangenehmigungsverfahrens eine okologische Untersuchung einschlieBlich der Mindestwasseruntersuchung durchflihren zu lassen. Auch bei den vor Ort tatigen Behorden ist die Tendenz feststellbar, fiindierte Einzelfalluntersuchungen zu verlangen. Dabei ist der Untersuchungsaufwand in eine sinnvolle Relation zur GroBe und Rentabilitat der Wasserkraftanlage zu setzen.

712

19 Mindestwasserregelungen

19.3

Vorgehensweise zur Bestimmung von Mindestwasserregelungen aus heutiger Sicht

Da zum heutigen Zeitpunkt kein generell anerkanntes Verfahren zur Festlegung okologisch begrtlndeter Mindestwasserregelungen existiert bzw. keine Methode hinreichend genau untersucht wurde, empfiehlt sich auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse und aus der Praxis gewonnener Erfahrungen folgende Vorgehensweise [19.1]: 1. Zur Klarung des Ist-Zustands sind neben der Erfassung der Biozonosen und verschiedener Parameter zur Gerinnebeschreibung, wie z. B. der Gewasserstrukturen, auch die baulichen bzw. relevanten physikalischen und chemischen Parameter mit zu berticksichtigen. Femer miissen die existierenden und die geplanten Nutzungen langs des betreffenden Gewasserlaufes mit einbezogen werden. 2. Untersuchung der Auswirkung verschiedener Abfliisse im Mutterbett auf den Nutzungsumfang und auf die Parameter, mit denen das Lebensraumangebot der dort gewunschten bzw. naturlich vorkommenden Organismen in seiner Qualitat und raumlichen Ausdehnung erfaBt werden kann. Dies kann beispielsweise mit Breiten- und Tiefenmessungen, Geschwindigkeitsprofilen, FST-Messungen o. a. erfolgen. Auch ist der Frage der saisonalen AbfluBdynamik und etwaiger Schwellenwerte fur den AbfluB nachzugehen. Diese Untersuchungen lassen sich in vorteilhafter Weise durch eine Fotodokumentation erganzen. 3. Technische Umsetzung der mit der Bearbeitungsstufe 2 gewonnenen Erkenntnisse mit Hilfe von Rechenansatzen, Shnulationsmodellen, Bewutschaftungsstrategien etc. unter Einbeziehung der betroffenen Wasserkraftanlage und der zugehorenden Energieerzeugung. Letzteres gilt ebenso fiir anderweitige Nutzungen und Funktionen des Gewassers. 4. Entscheidung auf Basis der Bearbeitungsschritte 1 bis 3, Kontrolle der Einhaltung, zusatzliche Auflagen zur Betriebsfiihrung technischer Anlagen, z. B. Verhalten bei Stillstand, Wiederanfahren, Revision von Maschinensatzen bei Wasserkraftanlagen. 5. Erfassung des Zustands nach einigen Jahren zur Erfolgskontrolle, gegebenenfalls Anpassung und endgiiltige Festlegung. Diese hauptsachlich auf biologische Gegebenheiten ausgerichtete Aufgabe wird bisher weitestgehend vemachlassigt. Sie ist jedoch fur die Erkenntnis der Auswirkungen bestmmiter Mindestwasserregelungen wiinschenswert und eroffhet wertvoUe Wege fur die fortlaufende Verbesserung der Untersuchungsmethoden, z. B. hinsichtlich deren Vereinfachung, und der Entscheidungen. Die Festlegung einer Mindestwasserregelung nur auf der Basis hydrologischer Kennwerte ist okologisch schwer begrundbar und sollte nach Moglichkeit entfallen. Ebenso wird es keine Universalformel, die alien okologischen Ansprtichen gerecht wird und die auf imterschiedliche Gewasser iibertragbar ist, geben. Auf ein Grundpensum von Vor-Ort-Untersuchungen zur Erfassung der Gerinnemorphologie und der jeweiligen Gegebenheiten fur Fauna und Flora kann nur dann verzichtet werden, wenn andere geeignete Abschatzungs- und Untersuchungsmethoden

19 Mindestwasserrege lungen

713

bei entsprechenden Randbedingungen zur Verfugung stehen. Die Frage der VerhaltnismaBigkeit ist in jedem Fall zu prufen. 19.4

Das Simulationsmodell CASIMIR

CASIMIR (Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Regulations) ist ein Habitatsimulationsmodell fiir FlieBgewasser, das seit Anfang der 1990er Jahre am Institut fur Wasserbau der Universitat Stuttgart (IWS) entwickelt wurde [19.6]/[19.7]. Dieses Modell CASIMIR ist modular aus einzelnen Rechenprogrammen aufgebaut, die je nach fallspezifischer Fragestellung kombiniert werden konnen. Derzeit sind die drei wesentlichen Bereiche der Wasserkraftanlage, der Gewassersohle und des Freiwasserraums m der aktuellen Version mtegriert. Die Nachbildung der Auenvegetationsentwicklung iiber ein Sukzessionsmodell stellt derzeit einen Forschungsschwerpunkt am IWS dar. Der Vorteil des modularen Aufbaues ist, daB jederzeit weitere Parameter aufgenommen werden konnen, wenn sie sich als okologisch relevant erweisen sollten. Auf diese Weise konnen unterschiedlichste Datensatze bzw. Messergebnisse ausgewertet werden. Dabei ist der Anwendungsbereich des Modells nicht nur auf die Optunierung von Mindestwasserregelungen beschrankt. CASIMIR wurde auch bereits bei anderen, flir die FlieBgewasserokologie wichtigen Fragestellungen, wie z. B. RenaturierungsmaBnahmen oder Auswirkungen von Ausbaggerungsvarianten auf Fischlaichplatze, angewendet. 19.4.1

Konzeption im Hinblick auf Mindestwasserregelungen

Die Festlegung okologisch begrtindeter Mindestwasserregelungen erfordert bestimmte Zielvorstellungen oder Leitbilder. Diese konnten sich beispielsweise daran orientieren, ob sich nur eine quantitative Veranderung des Habitatangebots einstellt, ob infolge einer qualitativen Veranderung des Habitatangebots wesentliche Veranderungen der Lebensgemeinschaften zu erwarten sind oder ob gar ein Gewasser mit einer veranderten Charakteristik entsteht, beispielsweise ein temporar trockenfallendes Gewasser, wo dies naturlicherweise nicht der Fall ware. Dabei sind unterschiedliche Randbedingungen mit einzubeziehen, etwa ob ein Wasserkraftstandort Teil einer dicht aufeinanderfolgenden Kette von beeinfluBten Strekken darstellt oder eine einzebie Anlage sich in einem ansonsten wenig beeinfluBten Gewasser befindet. Ausleitungsstrecken finden sich in unterschiedlichsten Gewassem und Naturraumen, von kleinsten Kraftwerken in gemaBigten Mittelgebirgslagen bis hin zu groBen Speicherkraftwerken in den extremeren Klimazonen der nordlichen und siidlichen Alpen. Die Fragestellungen, die im Rahmen einer okologisch begriindeten Mindestwasserfestlegung auftreten, sind demnach durchaus verschieden. Durch den modularen Aufbau von CASIMIR kann der Untersuchungsaufwand an die tatsachlich wichtigen Fragestellungen und an den fmanziell vertretbaren Gesamtrahmen des Projektes angepaBt werden [19.12]/[19.13]. Die Grundlage flir die okologische Beurteilung beruht darauf, daB das hydraulische Habitatangebot als Kombination unterschiedlicher physikalischer Faktoren betrachtet wird. Sind diese Muster ermittelt, werden sie anschlieBend mit den

19 Mindestwasserregelungen

714

diesbezuglichen Anspriichen unterschiedlicher Tier- oder Pflanzenarten bzw. Gesellschaften verglichen. Die Komplexitat der relevanten EinfluBgroBen auf dieses Lebensraumangebot, insbesondere auch die Beriicksichtigung der zeitlichen Komponente, erfordert fiir die Beurteilung computergestiitzte Simulationsmodelle.

1. Datenerhebung

Hydrologie

rK

Hydrologische Daten, Feststoffhaushalt, regionale Aspekte

Wasserkraftanlage

Betriebsweise, Wirkungsgrad, Fallhöhenverhältnisse, Verluste etc.

Simulation Modellkalibrierung Modellvalidierung Variantenrechnung

3. Ergebnisse

Ökologie

Morphologie und Hydraulik Zeitliche & räumliche Variabilität: Strömungsmuster, Wassertiefen, Überflutungsflächen, sohlnahe Strömungskräfte

Ökonomie

Zeitliche & räumliche Variabilität: Habitatangebot für Benthos, Fische, Makrozoobenthos

Leistungsganglinie, Leistungsdauerlinie, Jahresarbeitsvermögen, monetäre Kosten

4. Bewertung Gegenüberstellung der ökologischen und ökonomischen Auswirkungen unterschiedlicher Mindestwasserregelungen Abb. 19.3:

19.4.2

Schematische Darstellung von CASIMIR [nach 19.14]

Gewassersohle

Die Erfassung und Simulation des hydraulischen Habitatangebots fur die Bewohner der Gewassersohle erfolgt mit dem CASIMIR-Modul BHABIM. Das hydraulische Muster an der Gewassersohle wird bei unterschiedlichen Abfliissen beispielsweise mit Hilfe von FST-Halbkugeln gemessen und anschlieBend mit Hilfe statistischer Verfahren die Verteilung der sohlnahen Stromungskrafte als Funktion des Abflusses formuliert [19.6]. Die Verkniipfung dieser Muster mit AbfluBganglinien der Ausleitungsstrecke und anschlieBend mit standardisierten Praferenzfimktionen ausgewahlter benthischer Organismen ermoglicht die Einbeziehung

19 Mindestwasserregelungen

715

der raumlichen Heterogenitat und der zeitlichen Dynamik okologisch besonders relevanter Faktoren. Dabei wird erkennbar, wie sich die Gewasserbettmorphologie, hydrologisch unterschiedliche Jahre und verschiedene Mindestwasserregelungen in Kombination mit den technischen Eigenschaften der Wasserkraftanlage tatsachlich auf das hydraulische Habitatangebot fur benthische Organismen auswirken [19.15]. I60i EintagsfliegenlaA'e (Centroptilum luteolum) 40120100806040200-

lDd./0,I m'

1

x,„

\\

/^ ^ ::^H!P#\

• l i t

^is ^

y

liT" > t t 1 1 1 « * « f • 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 1516 17 11

3501 Eintagsfliegenlarve (Baetis alpinus) Ind70,l m'

3001

, Kocherfliegenlarve (Allogamus auricollis) lnd/0,1 m'

•^^^^^

250 j 200 j 15o] 100 ] 5o|

oJ

213 1415161718

200 T Eintagsfliegenlarve (Ephemerella ignita) lnd./0,lm'

9 1011 12 131415161718 Halbkugelnummer

5 6 7 8 9 1011 12131415161718 Halbkugelnummer

3 4 5 6 7 8 9 1011 121314 15161718 Halbkugelnummer

Abb. 19.4: Beispiele unterschiedlicher Stromungspraferenzen von Makroinvertebraten (Punkte: Abundanzen der Arten, Linien: berechnetes Modell) [nach 19.16] Die Schnittstellen zur Biologie sind dabei standardisierte Praferenzkurven von benthischen Organismen. Sie beziehen sich auf die maximal vorgefundene relative Abundanz (Besiedlungsdichte) m Abhangigkeit von den sohbiahen Stromungskraften (s. Abb. 19.4). Hierauf aufbauend lassen sich hydraulische Habitatqualitatsklassen definieren. In der Zw^ischenzeit sind diese Funktionen ftir viele Arten vorhanden, allerdings ist die Ubertragbarkeit zwischen unterschiedlichen Gewassem bislang nur bei wenigen Arten nachgewiesen. Im Rahmen laufender Projekte wird diese wertvolle Datenbasis standig erweitert. Damit ist es moglich, die hydraulischen Anspruche einer jeden Art mit dem simulierten hydraulischen Muster an der Gew^assersohle infolge einer beliebigen Mindestwasserregelung zu verbinden. In Abb. 19.5 wird beispielsweise das hydraulische Habitatangebot einer Steinfliegenlarve (Psychomyia pusilla) infolge einer gedampft-dynamischen Regelung der bisherigen Nulb*egelung gegentibergestellt. Die Zunahme optimaler Habitatqualitat sowie die Anpassung an ein nattirliches AbfluBgeschehen sind bei der neuen Variante offensichtlich. Integriert man die Habitatqualitat txber alle Stufen, so entsteht ein Index, der sich zwischen 0 und 1 bewegen kann, der sogenannte Hydraulic-HabitatSuitability-Index oder kurz HHS-Index. Er ist ein einfaches MaB ftir die Habitatqualitat einer Art. Abb. 19.6 zeigt den Verlauf des HHS-Indexes ftir unterschiedliche benthische Organismen in Abhangigkeit vom AbfluB in einer Ausleitungsstrecke an der Floha in Sachsen.

19 Mindestwasserregelungen

716

1.Biologie

2.Hydraulik

1. Ermittlung

1. Messung FST-Halbkugel-Verteilung bei verschiedenen Abflüssen

Hydraulische Präferenz gewässerspezifischer Taxa

2. Simulation

2. Normierung N A.

D D

Sohlschubspannung [x] Ud.

-//^—•

Zeit [d]

zeitliches & räumliches Verteilungsmuster der Sohlschubspannungen

1 1121 31 4 151617I Habitatqualitätsklassen

3. Verknüpfung 4.Ergebnis Vergleich des hydraulischen Habitatangebots bei der Simulation unterschiedlicher Mindestwasserregelungen und/oder morphologisch unterschiedlicher Versuchsstrecken Habitatqualität sehr optimal optimal ungeeignet

I Nullvariante Jahresgang (Ausschnitt)

Abb. 19.5:

1,0 0,9 0,8 0,7 g 0,6 M 0,5 S 0,4 ^

gedämpft-dynamisch Jahresgang (Ausschnitt)

CASIMIR: prinzipielles Vorgehen fiir die Untersuchung des hydraulischen Habitatangebots an der Gewassersohle; Ergebnis am Beispiel einer Steinfliegenlarve (Psychomyia pusilla) [19.17]

Kocherfliegenlarve (Hydropsyche pellucidula) 1 Eintagsfliegenlarve (Rhitrogena semicolorata) • • • • Kriebelmiickenlarve (Sirauliidae (L)) • • • • Kocherfliegenlarve juvenil (Hydropsyche spp.) j Kocherfliegenlarve (Rhyacophila dorsalis) •" "" Egel (Erpobdeila octoculata)

0,3 0,2

0,1 0,0

"^ "*

180

Abb. 19.6:

1

500

1

1

1

1.000 1.500 1.700 180 linear ansteigender AbfluB [1/s]

500

1.000 1.500 1.700 linear ansteigender AbfluB [1/s]

HHS-Indizes fiir unterschiedliche benthische Organismen in Abhangigkeit vom AbfluB in einer Ausleitungsstrecke an der Floha, Sachsen

19 Mindestwasserregelungen 19.4.3

717

Freiwasserraum und Fischhabitate

Den zentralen Teil der derzeitigen Version von CASIMIR stellt das Modul SORAS (Structure Oriented River Analysing System) dar. Dieses Modul ermoglicht es, das aquatische Volumen als Lebensraum fur Fische und Wasserpflanzen sowie temporar Uberstromte Flachen, die sich von zeitweise trockenfallenden Kiesbanken bis hin zum gesamten Auebereich erstrecken konnen, digital nachzubilden. Fiir Fische und Makrophyten sind kombinierte Muster aus lokalen Wassertiefen und FlieBgeschwindigkeiten, Substrateigenschaften sowie Uferstrukturen und Versteckmoglichkeiten von groBer Bedeutung. Diese Parameter konnen mit CASIMIR beschrieben werden. Dabei werden aus den am Gewasser erhobenen Eingangsdaten Querschnitte generiert und diese wiederum in Langsrichtung nach logischen Vorgaben verbunden, so daB ein hochaufgelostes, raumliches Modell des Gerinnes in Form von digitalen Rasterflachen entsteht. Nach dem Einmessen von Wasserspiegellagen in den einzelnen Querschnitten bei verschiedenen AbflUssen Oder mittels einer hydraulischen Berechnung konnen diesen Rasterflachen Wassertiefen zugewiesen sowie die dazugehorenden querschnittsgemittelten und lokalen Geschwindigkeiten ermittelt werden. Zusatzlich werden den Rasterflachen noch weitere Eigenschaften wie SubstratgroBen und Deckungsmoglichkeiten zugeordnet. Als Ergebnisse erhalt man ftir die Gewasserokologie entscheidende Aussagen (iber die Wassertiefenverteilungen, Uberflutungsflachen, Wasserwechselbereiche, Stromungsmuster etc. unter verschiedenen AbfluBbedingungen. Ftir die Eignung einer Flache als Lebensraum fiir Organismen mit speziellen Anforderungen, wie etwa einer Fischart mit unterschiedlichen Altersstadien, ist die Kombination aus den aufgezahlten Eigenschaften der Rasterflachen entscheidend. Die zugehorenden Schnittstellen zur Biologic konnen dabei zum einen die zuvor schon angesprochenen Praferenzfiinktionen darstellen. Zum anderen bietet CASIMIR jedoch die Moglichkeit, Expertenwissen tiber Regelwerke, die auf fuzzylogischen Ansatzen basieren, in die Berechnungen einzubeziehen (s. Kapitel 13.2.2). 19.4.3.1 Fische als Zeigerorganismen Da die Gewasserfauna aufgrund ihrer Komplexitat nicht in ihrer Gesamtheit erfaBt werden kann und die Ansprtiche samtlicher Gewasserbewohner nicht bekannt sind, muB, wie bei der Beschreibung anderer Biozonosen tiblich, auf sogenannte Zeigerorganismen zurtickgegriffen werden. Bei der weitergehenden Beurteilung der Funktionsfahigkeit eines FlieBgewassers als Lebensraum wird davon ausgegangen, daB die Befriedigung der Ansprtiche dieser Indikatorarten als hinreichende Bedingung ftir den Erhalt des Gesamtsystems angesehen werden kann. Fische weisen beztiglich dieser Zeigerfunktion einige Vorteile auf, die sie von anderen Tiergruppen abheben. Das liegt nicht zuletzt daran, daB an den Fischpopulationen der Gewasser seit langer Zeit schon ein wirtschaftliches Interesse bestand. Aus diesem Grund wurden Beeintrachtigungen der Lebensverhaltnisse ftir Fische, wie z. B. durch Wanderungsbarrieren oder Wasserverunreinigungen, sensibler wahrgenommen und festgehalten, als dies bei anderen Gewasserorganismen der Fall ist.

718

19 Mindestwasserregelungen

Dies weist bereits auf eine wichtige Eigenschaft der Fische sowohl in bezug auf die Untersuchung geeigneter Lebensraume als auch hinsichtlich der erforderlichen AusgleichsmaBnahmen bei menschlichen Eingriffen in die Gewasser hin: die Vagilitat bzw. das Wanderungsverhalten. Das Ermoglichen bzw. die Behinderung dieser Wanderungen ist eines der wichtigsten Kriterien bei der Beurteilung der okologischen Wertigkeit ernes Gewasserabschnitts aus Sicht der Fischfauna (s. a. Kapitel 20). Die Hauptvorteile von Fischen als Indikatoren im Rahmen von Untersuchungen der physikalischen Habitate sind vor allem folgende: - Die Artenzahl der SiiBwasserfische ist im Vergleich zu anderen Tiergruppen, wie z. B. Makrozoobenthos, gering, und die Arten lassen sich relativ leicht bestimmen. - Viele Fischarten und ihre Alterstadien weisen eine groBe Abhangigkeit von strukturellen und hydraulischen Eigenschaften der FlieBgewasser auf. - Aufgrund des oben beschriebenen Wanderungsverhaltens zahheicher Arten sind Fische hervorragende Anzeiger fur die laterale und longitudinale Konnektivitat und Durchgangigkeit von FlieBgewassem. - Da Fische am Ende der Nahrungskette im FlieBgewasser stehen, setzen sich Storungen rni Nahrstoffhaushalt und damit bei den Nahrtieren, dabei insbesondere dem Makrozoobenthos, in der Fischbesiedlung fort. - Uber die Habitatanspruche vieler, vor allem der fischereilich interessanten Arten, bestehen vergleichsweise gute Kenntnisse, die auch oft dokumentiert sind. - Vielfach liegt historisches oder aktuelles Datenmaterial bezUglich der Verbreitung und der Besiedlungsdichten gewassertypischer Fischarten vor. Es bestehen aber auch einige Nachteile, wie beispielsweise: - Durch das Wanderungsverhalten und die hohe Mobilitat sind lokale Zuordnungen bzw. die Bestatigung von Modellierungsergebnissen eingeschrankt. - Aufgrund der fischereilichen Bewirtschaftung sind in vielen Gewassem die Populationen verfalscht oder es sind standortfremde Arten angesiedelt. - In Gewassem ohne Fischbesiedlung, wie z. B. den hochalpinen, konnen Fische nicht als Indikatoren herangezogen werden. Die aufgezahlten Stichpunkte verdeutlichen, daB sich Fische flir die Simulation mit Habitatmodellen besonders gut eignen. 19.4.3.2 Praferenzfunktionen Die gangigste Art, Beziehungen zwischen zwei GroBen - also in diesem Fall zwischen habitatbestimmenden Parametem und der Habitateignung - auszudriicken, ist die von Funktionen. Auch bei der „klassischen" Methode der Eignungsdefinition im Rahmen der Instream Flow Incremental Methodology (IFIM) wird dieser Weg tiber sogenannte Praferenzfiinktionen gegangen [19.18]. Diese Funktionen geben in der Regel einen Eignungswert zwischen 0 (= ungeeignet) und 1 (= optimal geeignet) in Abhangigkeit der GroBe eines physikalischen Wertes an. Dabei werden das binare, das univariate oder das multivariate Format unterschieden. In der Abb. 19.7 ist das Prinzip der bisher gangigen

19 Mindestwasserregelungen

719

Fischhabitatmodellierung mit univariaten Funktionen dargestellt. Bei der Definition der hydraulisch-physikalischen Mikrohabitatanspriiche ist zu beriicksichtigen, dal3 diese sowohl je nach Altersstadium der untersuchten Art als auch in Abhangigkeit der Jahreszeit und im Tag-Nacht Rhythmus variieren konnen. Präferenzfunktionen Wassertiefe

Eignung

adult

- SId = 0,5

gesamter modellierter Gewässerabschnitt

0,2

0

'0,4

0,6

0,8

1,0

1,2.

Wassertiefe [m] adult

• SIV= 1,0

1^ 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

A Strömung [m/s] adult

Einzelfläche h = 0,32 m v = 0,8 m/s CI = 5

• SICI = 0,4 -I

1

1

1 •

I •

I

Index

Abb. 19.7: Habitatmodellierung mit univariaten Praferenzfunktionen [19.7] Hinsichtlich des Verfahrens zur Erstellung der Funktionen werden drei verschiedene Kategorien unterschieden: - Kategorie-1-Funktionen: Sie werden nicht anhand von Felddaten generiert, sondem die notwendigen Informationen werden aus der Literatur oder anhand von Expertenwissen gewonnen. - Kategorie-2-Funktionen: Die Daten fUr diese Kategorie basieren auf Haufigkeitsanalysen der von Arten und deren Alterstadien benutzten Mikrohabitate in einem konkreten FlieBgewasser. - Kategorie-3-Funktionen: Diese Funktionen werden ebenfalls direkt aus Felddaten generiert, beriicksichtigen allerdings zusatzlich die eventuell begrenzte Verftigbarkeit bestimmter Habitate, so daB die Ubertragbarkeit auf andere Gewasser oder Gewasserabschnitte verbessert ist. Bei der Habitatmodellierung wurden bisher vor allem univariate Praferenzfunktionen verwendet, die demnach zunachst auf Eignungen bezUglich einzelner Faktoren, wie z. B. der Wassertiefe, ftihren. Da die Habitatqualitat aber durch die Auspragung mehrerer Faktoren bestimmt ist, sind diese „Einzeleignungen" zu einem Gesamtwert zu verkniipfen, wofiir man sich in der Regel einfacher Ansatze bedient:

720 -

19 Mindestwasserregelungen Multiplikative Verkniipfung: I

SI,,s=YlSh=SI,ShSIa

[-]

(19.1)

/=; SIges SI^ »S7v SIci -

Gesamteignungsindex Eignungsindex der Wassertiefe (depth) Eignungsindex der FlieBgeschwindigkeit (velocity) Eignungsindex der Sohlstruktur (channel index)

Arithmetisches Mittel:

SI,,,=Y^SlJl^^^^^^^^^^^ -

[-] [-] [-] [-]

[-]

(19.2)

Geometrisches Mittel, wobei emzelnen Faktoren durch die Einfuhrung von Gewichtungen ein erhohter Anteil an der Gesamteignung zugewiesen werden kann: i

Y{sii\ -

=^Sh'Sh-Sh,

[-]

(19.3)

Minimum: SIges =min{SIi,SIi^i,„.,SIrr^) = mm{SId,Sh,Shi)

[-]

(19.4)

Je nach gewahlter Verkntipfungsmethode stellen sich sehr unterschiedliche Ergebnisse ein. Die Verwendung univariater Funktionen beriicksichtigt auBerdem nicht das Zusammenspiel der Einzelfaktoren. Dies ist einer der Grunde dafur, daB m CASIMIR auBerdem ein fiizzylogischer Ansatz fur die Berechnung der Habitateignung implementiert wurde. 19.4.3.3 Fuzzylogischer Ansatz fiir die Habitatmodellierung Fiir den Einsatz von fuzzy logischen Ansatzen (s. Kapitel 13.2.2) im Rahmen von Habitatmodellierungen sprechen besonders folgende Zusammenhange [19.19]: - Das Wissen Uber die Habitatanspruche von Gewasserorganismen, insbesondere von Fischen, liegt meist in qualitativer Form vor. Uber flizzylogische Ansatze kann dieses Wissen in Berechnungen numerisch verarbeitet werden. - Fuzzylogische Berechnungen berucksichtigen das Zusammenwirken von GroBen, setzen aber keine Unabhangigkeit der Eingangsparameter voraus. - Fuzzylogische Verfahren benotigen eine vergleichsweise geringe Anzahl von MeB- Oder Beobachtungswerten. - In die Modellierung konnen einfach neue Parameter einbezogen werden. - Die Berechnungsschritte sind auch im Nachhmein noch nachvollziehbar (keine Black box), Wirkungszusammenhange konnen verdeutlicht werden. Die Formulierung der Habitatanspriiche erfolgt im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Praferenzfunktionen durch Inferenzregeln. Diese Regehi stellen die

19 Mindestwasserregelungen

721

Grundlage der fuzzylogischen Berechnungen dar und beruhen auf den Parametem FlieBgeschwindigkeit, Wassertiefe und morphologische KenngroBen, wie dominierendes Substrat und Unterstandstypen. Sie enthalten unscharfe, linguistische Formulierungen, wie z. B. „groBe" Wassertiefe oder „geringe" FlieBgeschwindigkeit. Ein Beispiel fur eine derartige Kegel ist: WENN FlieBgeschwindigkeit „gering" UND Wassertiefe „groB" UND dominierendes Substrat „mittel" UND Unterstand „Totholz", DANN Habitateignung „groB" Die Einbindung derart unscharfer Formulierungen in Habitatberechnungen wird durch die m Kap. 13.2.2 eingefuhrten Fuzzy-Mengen ermoglicht. Die Unscharfe entsteht durch die teilweise Uberschneidung der Fuzzy-Mengen. Ein Element kann gleichzeitig zu mehreren Mengen gehoren und das nicht notwendigerweise voUstandig bzw. zu 100 %, sondem auch teilweise. Bei der in Abb. 19.8 gegebenen Definition der Mengen fur ein groBes Gewasser gilt z. B. folgendes: Eine FlieBgeschwindigkeit von 0,5 m/s gehort zu 75 % den „mittleren" FlieBgeschwindigkeiten, gleichzeitig aber zu 25 % den „hohen" FlieBgeschwindigkeit an. Zugehorigkeit [-] Jgering mittel

1,2 Zugehorigkeit [-] gering_ mittel /

0

sehr hoch

hoch

1,6 2,0 2,4 FlieBgeschwindigkeit [m/s] hoch

sehr hoch

N

0,4

0,{

1,2

1,6

2,0 2,4 Wassertiefe [m] Abb. 19.8: Beispiel von Fuzzy-Mengen fiir Stromung bzw. FlieBgeschwindigkeit (oben) und Wassertiefe (unten), groBes Gewasser Da die Fuzzy-Mengen gewasserspezifisch definiert werden konnen, besteht die Moglichkeit zur Anpassung an Gewassertypen. So ist z. B. eine „mittlere" FlieBgeschwindigkeit im Gebirgsbach anders abzugrenzen als im TieflandfluB. Um Habitatsimulationen durchftihren zu konnen, sind fur die Kombinationen von hydraulischen und strukturellen Umgebungsparametem Regebi m der obengenannten Art aufzustellen. Je nach Anzahl der berucksichtigten GroBen ergeben sich damit mehr oder weniger umfangreiche Regelwerke. Die Regebi ftir die Formulierung der Habitatanspruche sollten anhand von VorOrt-Untersuchungen, wie z. B. Beobachtungen, Befischungen oder Tauchgange, iiberpriift bzw. angepaBt werden.

722

19 Mindestwasserregelungen

Morphologie/Hydraulik

Wassertiefe (1)

Fuzzy-Regel-System gewässerspezifisch

Habitatqualität

(1)

(2)

(3)

(4)

H H H H H H H M M

H M H H M H M H H

H H M M M L L M M

H H M M M L L M M

N». Eignungsindex SI (4)

VH = very high = sehr groß H = high = groß M = medium = mittel L = low = klein VL = very low = sehr klein

Abb. 19.9:

Prinzip des fuzzylogischen Ansatzes fiir die Fischhabitatmodellierung

Das Prinzip der auf fuzzylogischen Inferenzregeln basierenden Habitatmodellierung zeigt Abb. 19.9. 19.4.3.4

Darstellung der Habitateignung

Raumliche Verteilung Die Habitatqualitat als Ergebnis der Modellierung wird bei Modellen mit raumlicher Zuordnung in der Regel, wie oben beschrieben, zunachst zellenweise berechnet. tJber die farbliche Kennzeichnung von Eignungsstufen in GrundriBdarstellungen kann die raumliche Verteilung der Habitatqualitaten direkt beurteilt werden (s. Abb. 19.10).

19 Mindestwasserregelungen

723

Deutlich ist die AbfluBabhangigkeit der Habitatqualitaten zu erkennen. Die visuelle Auswertung spielt insofem eine wichtige Rolle, da so die raumliche Verteilung der potentiellen Lebensraume nachvoUzogen werden kann und z. B. die Isolation einzelner Flachen oder das Angebot an sehr guten Standplatzen mit hohen Eignungswerten nachzuvollziehen ist. GroBere zusammenhangende Flachen mit hohen Habitateignungen sind gtinstiger einzuschatzen als viele isolierte Einzelflachen. Integrales Habitatangebot Fiir die Darstellung der AbfluBabhangigkeit ist es sinnvoU, das Habitatangebot als integralen Wert darzustellen. Dies ist in Form der Weighted Usable Area (WUA) durch die Multiplikation aller Einzelflachen mit ihrer Eignung und die nachfolgende Aufsummierung moglich: (19.5) Das Ergebnis ist eine Flache, die im Falle der optimalen Eignung aller Einzelflachen (57= 1) der benetzten Flache entsprache. Eine andere Moglichkeit ist, dieses integrate Habitatangebot durch die benetzte Flache zu teilen, um den HHS-Index zu erhalten [19.6]:

'Sh=f(Q)

[%]

(19.6)

WUA Weighted Usable Area [m'j HHS Hydraulic-Habitat-Suitability-Index/HHS-Index [-] Dieser Index stellt demnach das Habitatangebot als prozentualen Wert dar und eliminiert so den EinfluB der mit dem AbfluB veranderlichen benetzten Flache. Beide Kennwerte stellen als abfluBabhangige Funktionen wichtige Hilfsmittel bei der Bewertung des okologischen Zustands von Gewasserabschnitten dar, da zum einen die Gegeniiberstellung mit Referenzstrecken moglich ist, zum anderen die Entwicklung des Habitatangebots mit dem AbfluB nachvoUzogen werden kann (s. Abb. 19.11) WUA[m2] IT

50.000 45.000 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0

— Atl. Lachs, subadult — — Atl. Lachs, laichend

.^ " / /

Vr

"*^ •* .

/

0

^

200

400

•**

^'^

600 800 AbfluB [mVs]

HHS [-] 1 n 1,U

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0.0

r

^ ^ ^ Atl. Lachs, subadult ^ ^ Atl. Lachs, laichend

1 >k -1 *v «**. 200

v ' •"""n

•*»

400

^^

***• '

600 800 AbfluB [mVs]

Abb. 19.11: WUA- (links) und HHS-Entwicklungen (rechts) fiir zwei Altersstadien des Atlantischen Lachses in einer Untersuchungsstrecke

19 Mindestwasserregelungen

724

Statistische Habitatverteilung Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Beurteilung des Habitatangebots ist die Haufigkeitsverteilung der Habitateignungs- oder SI-Klassen. So kann eine Gewasserstrecke mit einem mittleren integralen Habitatangebot (WUA) entweder viele Einzelflachen mit mittlerer Eignung oder gleichzeitig Teilflachen mit geringer und hoher Eignung aufweisen. Aus okologischer Sicht ist der zweite Fall in der Kegel als giinstiger einzuschatzen, weshalb die statistische Verteilung zu beachten ist. In dem in Abb. 19.12 dargestellten Beispiel ist eine deutliche Abnahme der Klassenanteile mit Sl-Werten > 0,7 bei Abfltissen unterhalb von 50 mVs zu verzeichnen. Entsprechend sollte dies bei einer etwaigen Mindestwasserempfehlung beriicksichtigt und die weitgehende Erhaltung dieser besonders geeigneten Standorte angestrebt werden. Dabei ist ein MindestabfluB - ohne strukturelle Verbesserungen - nicht unterhalb dieses Grenzbereichs anzusetzen. Klassen-WUA [m²] 350.000 -

300.000 +-

n 0 <= SI <= 0,1

E0,1 < SI <= 0,2

M 0,2 < SI <= 0,3

D 0,3 < SI <= 0,4

D 0,4 < SI <= 0,5

D 0,5 < SI <= 0,6

250.000 +-

200.000

150.000

100.000

50.000

0 15

30

50

80

115

160

400

[m³/s] 740

Abb. 19.12: SI-Klassenverteilungen fiir die Nase adult in einer Ausleitungsstrecke am Rhein fiir verschiedene Abflusse Zeitliche Habitatverteilung SchlieBlich ist die mit der AbfluBdynamik verbundene zeitliche Variabilitat des Habitatangebots zu betrachten. Durch die LFberlagerung von WUA-Funktionen und AbfluBgang- bzw. -dauerlinien konnen entsprechend Habitatganglinien und Habitatdauerlinien erzeugt werden (s. Abb. 19.13). 19.4.3.5

Kriterien fiir die Bewertung der Modellierungsergebnisse mit CASIMIR bei Mindestwasseruntersuchungen

Orientierungswerte der Gewassercharakteristik Fiir die konkrete Formulierung von Zielen der Gewasserentwicklung werden oftmals Leitbilder oder Referenzstrecken mit nahezu unbeeinfluBten Zustanden herangezogen. In vielen Fallen ist jedoch die Definition von Leitbildem fiir die praktische Umsetzung nicht weit genug fortgeschritten, und nur selten liegen Referenzstrecken vor. Zur Orientierung konnen die in Tabelle 19.3 wiedergegebenen

19 Mindestwasserregelungen

725

charakteristischen Werte fiir FlieBgeschwindigkeiten und Wassertiefen fur die Gewasserentwicklung in den verschiedenen Fischregionen herangezogen werden. Tabelle 19.3: Orientierungswerte der charakteristischen Wassertiefen und FlieBgeschwindigkeiten fur die Leitfischarten [19.7] fZone 1 Epirhitral 1 Metarhitral 1 Hyporhitral 1 Epipotamal 1 Metapotamal 1 Hypopotamal

Leitfisch Forelle Forelle Asche Barbe Brachse Plunder

charakteristische Wassertiefe charakteristische Stromung 1 >15cm > 50 cm/s >25cm > 40 cm/s >40cm > 30 cm/s >50cm > 30 cm/s >60cm > 20 cm/s >60cm > 20 cm/s. 1

Die Uberpriifung der charakteristischen Werte von Wassertiefen und FlieBgeschwindigkeiten kann in CASIMIR ttber GrundriBdarstellungen leicht durchgefuhrt werden. Das Erreichen der Orientierungswerte in weiten Teilen eines untersuchten Gewasserabschnitts kann als wichtiges Kriterium fur dessen okologische Funktionsfahigkeit angesehen werden.

Jan

Feb

Mrz

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Abb. 19.13: AbfluB- und Habitatganglinie (adulte Bachforelle), alpiner FluBabschnitt Durchgangigkeit Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die longitudinale und laterale Durchgangigkeit (s. a. Kapitel 20). Die Unterbrechung des FlieBgewasserkontinuums stellt eine der Hauptbeeintrachtigungen fur die Fischfauna dar. Beztiglich der Mindestwassertiefe in Ausleitungsstrecken sind deshalb Grenzwerte einzuhalten, die gewasserspezifisch und in Abhangigkeit der naturlichen Wassertiefen sowie der Art und der GroBe der vorkommenden Fische im Emzelfall festzulegen sind. Als Richtwert kann eine Mindestwassertiefe von ca. 20 cm dienen, deren Unterschreitung an singularen Stellen tolerierbar ist.

726

19 Mindestwasserregelungen

Die Uberschreitung der Grenzwerte kann tiber die vom Simulationsmodell generierten GrundriBdarstellungen uberpnift und damit der Nachweis fiir die Durchgangigkeit der Gewasserstrecke erbracht werden. Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Orientierungs- und Grenzwerten kann demnach ermittelt werden, wo eine Gewasserstrecke morphologische und hydraulische Defizite aufweist und ab welchem Umfang einer AbfluBreduktion diese Mangel verstarkt bemerkbar werden. Vorhandene Absttirze und Querbauwerke sind hinsichtlich ihrer Passierbarkeit gesondert zu betrachten. Raumliche Habitatverteilung Die bereits in Abb. 19.10 dargestellte Visualisierung der raumlichen Habitatverteilung ermoglicht eine direkte Beurteilung des Habitatangebots in einer Gewasserstrecke. Auf diese Weise kann die raumliche Verteilung der potentiellen Lebensraume nachvollzogen und beispielsweise die Isolation einzelner Flachen oder das Angebot an sehr guten Standplatzen mit hohen Eignungswerten nachgewiesen werden. Dabei sind groBere zusammenhangende Flachen mit hohen Habitateignungen giinstiger einzuschatzen als viele isolierte Einzelflachen. Anhand der GrundriBdarstellungen konnen solche Effekte erkannt und die zugehorigen AbflUsse ermittelt werden. Vorhandene Beeintrachtigungsklasse Fiir die konkrete Empfehlung von zulassigen Beeintrachtigungen einer FlieBgewasserstrecke hinsichtlich der zuvor genannten Kriterien ist zunachst der okologische Zustand vor der geplanten MaBnahme - in diesem Falle dem Wasserentzug zu bewerten, wobei sich die Verwendung der Bewertungsklassen gemaB Tabelle 19.4 anbietet. Tabelle 19.4: Beeintrachtigungsklassen beziiglich Fischvorkommen und -habitaten [19.7] natiirlich/ natumah iFischdichte der na- natiirlich tiirlich vorkommenden Arten lArtenvorkommen alle Arten iFortpflanzungsintakt moglichkeiten vielfaltig, iFischhabitate hohe Eignungen IPopulationsstruktur intakt IWanderungsmog- keine kiinstl. lichkeiten Hindemisse

leicht beeintrachtigt

beeintrachtigt

degradiert

ahnlich der natiirlichen Situation

reduziert

leicht verandert leicht verringert

stark verandert verandert deutlich verringert fehlend

leicht vereinheitlicht, deutlich vereinheitmittlere Eignungen licht, geringe Eignungen leicht beeintrachtigt deutlich verandert kunstl. Hindemisse kunstl. Hindemisse zeitweilig oder fur meist oder fiir viele wenige Arten Arten

stark reduziert

1

monoton, mini- 1 male Eignungen total verandert 1 kiinstl. Hindemis-1 se immer und fur alle Arten |

Grenzabfliisse Die m Tabelle 19.4 gegebene Klassenemteilung bezieht sich auf den vorhandenen Beemtrachtigungsgrad ohne Beriicksichtigung der AbfluBreduktion. Abhangig davon, wie stark ein Gewasserabschnitt bereits beeintrachtigt ist, kann eine zulassige Habitatreduktion durch Wasserentzug oder andere MaBnahmen gewasserspezifisch definiert werden. Derartige Reduktionen konnen iiber die m Abb. 19.11 vor-

19 Mindestwasserregelungen

727

gestellten Kennwerte WUA und HHS des Habitatangebots sehr einfach mit Abfliissen in Verbindung gesetzt werden. Als Vergleichswert wird das Habitatangebot bei einem ReferenzabfluB herangezogen, der aus dem Verlauf der WUA-Funktion hergeleitet werden kann. Der Referenzabflui3 liegt dabei in dem Bereich, in dem eine Erhohung des Abflusses nicht mehr in gleichem MaBe zu einer Erhohung des Habitatangebots fuhrt. Vorkommen sehr guter Habitate Ein wichtiger Aspekt bei der Beurteilung des Habitatangebots ist die Haufigkeitsverteilung der Eignungsklassen (s. a. Abb. 19.12). In dieser Verteilung sollten ausreichend Anteile mit Eignungs- oder Sl-Werten (Suitability Index) > 0,7 ausgewiesen sein. Im dargestellten Beispiel sind derartige Zonen erst ab AbflUssen von ca. 50 mVs vorhanden. Zeitliche Habitatverteilung Die mit der AbfluBdynamik verbundene zeitliche Variabilitat des Habitatangebots ist ein weiterer zu beachtender Aspekt. Die bereits in Abb. 19.13 gezeigte Habitatganglinie fur eine anthropogen beeinfluBte Ausleitungsstrecke der Forellenregion zeigt, dai3 mit AbfluBsteigerungen iiber ca. 3 m^/s Habitatverluste verbunden sind. Dies ist hauptsachlich darin begriindet, daB das Gewasser keine Ausbreitungsmoglichkeiten hat und der gesamte AbfluC in einem eingeengten Gerinne mit starker Stromung abgeflihrt wird. Wahrend sommerlicher Hochwasserspitzen treten WUA-Minima auf, da die groBen hydraulischen Belastungen von der Bachforelle nicht mehr toleriert werden. Das ist allerdings auch in natUrlichen Gewassem zu beobachten und stellt bei Vorhandensein geeigneter RUckzugsgebiete keine Gefahrdung dar. Mit Hilfe dieser Darstellung ist es auBerdem moglich, die tatsachliche Dauer der Mindestwasserfuhrung in der Ausleitungsstrecke wahrend eines Durchschnittsjahres zu ermittebi, was ebenfalls einen EinfluB auf die Gesamtbeurteilung der okologischen Funktionsfahigkeit des Gewasserabschnitts hat. In diesen Betrachtungen konnen auch die bereits erwahnten zeitlich variablen Anspriiche, wie z. B. Laich- und Inkubationsphasen, Berucksichtigung finden. Integrierte Betrachtung Bei der endgtiltigen Entwicklung einer Empfehlung ist nicht die Untersuchungsstrecke allein, sondem ihr Umfeld und ihre Bedeutung fiir das Gesamtsystem zu beachten. So sind zum einen besonders schutzenswerte Gewasserabschnitte aber auch „Opferstrecken", m denen die okologische Funktionsfahigkeit der Nutzung voUig untergeordnet wird, besonders zu behandeln. Zum anderen miissen Gewasserbereiche, deren Funktionen in benachbarten Zonen nicht Ubemommen werden konnen, wie beispielsweise Laichareale, starker geschutzt und gefordert werden als solche, deren Aufgaben leichter durch andere Abschnitte ubemommen werden konnen.

728

19 Mindestwasserregelungen

19.5

Auswirkungen der Mindestwasserabgaben auf die Energieerzeugung in Wasserkraftanlagen

Mindestwasserauflagen wirken sich auf das Kraftwerk in verschiedener Weise aus (s. Abb. 19.14, Bereiche 1 bis 5). In erster Linie kommt es zu einer Reduzierung des verfiigbaren Triebwassers, und in zweiter Linie addieren sich jedoch noch eine Reihe zweitrangiger Faktoren: - Die Mindestwasserabgabe steht fiir die Energieerzeugung nicht zur Verfiigung, es sei denn, der naturliche ZufluB tibersteigt den AusbauabfluB QA. - Infolge des zu geringen verfugbaren Abflusses ergibt sich besonders bei Anlagen mit nur einer Turbine eine Verlangerung von Stillstandszeiten. - Die Turbinen laufen bei spater erteilten Mindestwasserauflagen an Tagen mit Teillastbetrieb haufig in einem ungiinstigeren Wirkungsgradbereich. - Werden die Mindestwasserauflagen endgtiltig erst nach einer Versuchsphase festgelegt, kann eine prazise Turbinendimensionierung vorab nicht durchgefuhrt werden. - Je nach Art der Mindestwasserabgabe ist ein erhohter Aufwand fur Steuer- und Regeleinrichtungen erforderlich.

0

100

200

300

365 Tage

Abb. 19.14: Energiewirtschaftliche Auswirkungen von Mindestwasserabgaben [19.6] In manchen Fallen konnen Mindestwasserauflagen durchaus zur voUigen Unrentabilitat kleiner Anlagen ftihren. Die Erzeugungsverluste steigen im relevanten Bereich etwa linear mit der vorgeschriebenen Mindestwasserabgabe an. In Einzelfallen kann ein Teil der Mindestwasserabgabe iiber ein Dotationskraftwerk direkt am Wehr (s. Kapitel 4.3.3) abgearbeitet und in die Ausleitungsstrecke abgegeben werden, wodurch sich die gesamten Erzeugungsverluste etwas reduzieren lassen. Die wirtschaftlichen Auswirkungen fiir den Betreiber sind auch davon abhangig, wie der erzeugte Strom bewertet werden kann. In Abb. 19.15 ist exemplarisch der EinfluB verschiedener Mindestwasserregelungen auf die Leistungsganglinie auf eine Wasserkraftanlage am Kocher, Nordwiirttemberg, dargestellt.

19 Mindestwasserregelungen

Jan.

Feb.

Marz

April

Mai

Juni

Juli

Aug.

Sept.

Okt.

729

Nov.

Dez.

Abb. 19.15: CASIMIR, Modul WASKRA: Leistungsganglinie infolge unterschiedlicher Mindestwasserregelungen: 1) Status quo, 501/s uber die Fischtreppe; 2) gedampft dynamisch, 500-800 1/s; 3) gedampft dynamisch, 700-1.300 1/s

19.6

Literatur

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730 [19.7]

[19.8]

[19.9]

[19.10]

[19.11]

[19.12]

[19.13]

[19.14]

[19.15]

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[19.17]

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731

20

Durchgangigkeit fiir die Aquafauna an Wasserkraftstandorten

Die lineare Durchgangigkeit von FlieBgewassem wird insbesondere durch Querverbauungen, wie z. B. Sohlenabsturze, Kulturstaue, Wehre, Damme oder Talsperren be- bzw. verhindert, so daB aquatische Organismen diese nicht iiberwinden konnen. Neben derartigen Bauwerken konnen aber auch Durchlasse, Duker, Pegel oder kanalisierte FlieBgewasserstrecken als Wanderhindemisse wirksam sein. Entsprechend den vielfaltigen Wanderungsbediirfiiissen aquatischer Arten, auch als Aquafauna bezeichnet, kommt der linearen Durchgangigkeit von Fliefigewassem aus okologischer Sicht eine wesentliche Bedeutung bei der Vemetzung, Ausbreitung und Wiederansiedlung von Populationen zu. Dieser Tatsache tragen auch die EG-Wasserrahmenrichtlinie und in der Folge die nationalen Wassergesetze Rechnung, indem dort die Durchgangigkeit von Oberflachengewassem ein wichtiges Merkmal zur Beurteilung des Gewasserzustandes darstellt (s. a. Kapitel 3.4). Zur Wiederherstellung sowohl der linearen, d. h. der langs dem Gewasser gerichteten, als auch der lateralen, also quer dazu orientierten Durchgangigkeit von FlieBgewassersystemen kann auch eine Anbindung von Altwassem sowie von Sekundarbiotopen, z. B. Abgrabungsgewassem (Kiesgruben, Baggerseen, Torfstichen etc.), okologisch sinnvoU sein. Die wesentlichen Griinde fur die Mobilitat nicht nur von Fischen, sondem auch von weniger mobilen benthalen Livertebraten (wirbellose Tierarten, die auf der Gewassersohle leben) sind: - kompensatorische Wanderung, - Wechsel zwischen Teillebensraumen, - Laichwanderung und - diadromes Wanderverhalten. Bei der kompensatorischen Wanderung werden die durch Verdriftung hervorgerufenen Terrainverluste aktiv ausgeglichen. Die jahresperiodischen Wechsel konnen zwischen Nahrungs- und Ruhehabitaten oder wahrend bestimmter Entwicklungsphasen zwischen Gewasserabschnitten mit unterschiedlichen Lebensbedingungen stattfinden. Eine spezielle Form des Wechsels zwischen Teillebensraumen stellen die Laichwanderungen dar, die von den meisten heimischen Fischarten innerhalb der FlieBgewassersysteme zur Auffindung von Gewasserbereichen mit giinstigen Laichbedingungen durchgefuhrt werden. Der Lebenszyklus diadromer Wanderfischarten schlieBt den Wechsel zwischen marinen und limnischen Lebensraumen ein, wie beispielsweise einerseits Aal und andererseits Lachs, Meerforelle, Maifisch und Meemeunauge. Dementsprechend sind Fischwege Anlagen, die den aquatischen Organismen die aufwarts- und abwartsgerichtete Wanderung Uber Querbauwerke ermoglichen sollen, wobei diese sich in ihrer Bauweise und Dimensionierung an der jeweils typischen Fischregion und den dort vorkommenden Fischarten orientieren (s. Abb. 20.1). In dem Oberbegriff Fischwege werden Fischaufstiegsanlagen fiir den Fischaufstieg sowie Einrichtungen zum Fischabstieg zusammengefaBt.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

732

EpiMetaobere untere .Forellenregion

Hypo-Rhitral Epi-Potamal Äschenregion [ Barbenregion

Meta-Potamal Brachsenregion

Hypo-Potamal KaulbarschFlunder-Region

Profile 10 %

0% •

Sohlenmaterial

Wassertrübung Temperaturbereich Sauerstoffgehalt

sehr reichlich

Abnahme an Oberfläche reichlich

reichlich

ausgewählte Fischarten Bachforelle Äsche (Indikator(dunkel) und wichtige Elritze"^"''^^^^ Begleitarten) Bachneunauge

an Oberfläche ausreichend

Barbe Brachsen

Flunder

Rapfen

Bachschmerle c^^

-AT"

Meeräsche

Barsch

Kaulbarsch

^

Gründling Stör Nase

Karpfen

Groppe

<

Hasel Streber

,

C

Schleie Lachs

Hecht

Finte

Rotfeder

Döbel

Aal

=s)

Abb. 20.1: Fischregionen der FlieBgewasser [nach 20.1] Fiir Fischaufstiegsanlagen sind auch die Bezeichnungen Fischpasse, Fischtreppen, Fischaufstiegshilfen, Fischwanderhilfen sowie zahlreiche andere gelaufig. In Tabelle 20.1 ist eine systematische Gliederung von Anlagen zur Herstellung des Fischaufstiegs in Anlehnung an den zustandigen DWA-FachausschuB, der derzeit das DVWK-Merkblatt [20.2] uberarbeitet, wiedergegeben, die soweit moglich normenkonfomi gehalten wurde (s. a. Kapitel 20.2). Dabei erfolgte die Gliederung nach deren Lage zum Querbauwerk im Gewasser und erhebt keinerlei Anspruch auf VoUstandigkeit. Dariiber hinaus sind auch anderweitige Einteilungen moglich.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

733

Tabelle 20.1: Anlagen zur Herstellung des Fischaufstiegs: Einordnung nach deren Lage zum Querbauwerk im Gewasser, Aufzahlungsreihenfolge ohne Wertung 1

Fischaufstiegsanlagen Gerinneartige Sonderbauweisen Fischaufstiege am/im Querbauwerk

Beckenpasse

1

1- Konventioneller BeckenpaB - SchlitzpaB - RauhgerinneBeckenpaB - TtimpelpaB - Wulstfischpafi - Rhomboidpafi - Maanderpafi - Mischbauweisen

- Storsteinbau- - Fischschleusen weise - Fisch- BorstenaufzUge fischpafi - Aalpafi - DenilpaU

fischpassierbare Quer- und KreuUmgehungszungsbauwerke gerinne Querbauwerk 1 weitlaufig um Querbauwerk - FlieUgewas- - Sohlenbauwerke: | ser in Stor- Sohlengleite steinbauwei- Rauhe Rampe in se Oder Riegelbauweise Mischbau- Storsteinbauweise weisen - Teilrampen - Pegel - Kreuzungsbauwerke - Durchlasse - DUker - Siel- & Schopfbauwerke |

Dariiber hinaus konnen auch vorhandene Schiffsschleusen einen nicht unbeachtlichen Beitrag zum Fischaufstieg sowie zum -abstieg leisten, wobei sie aufgrund ihrer Artselektivitat sowie ungeeigneter Betriebszustande und Leitstromungen allerdings nur eine Erganzung darstellen konnen. Heute steht fest, daB Fischwege trotz eines weiteren Forschungsbedarfes bei einer richtigen Konstruktionsweise (s. u. a. [20.2], [20.3], [20.4] und [20,5]) wirksam sind. 20.1

Fischaufstiegsanlagen

Fischaufstiegsanlagen haben zum Ziel, aufstiegswilligen Fischen und ebenso Benthosorganismen die Moglichkeit zur stromaufwarts gerichteten Uberwindung von Querbauwerken zu bieten. Hierfur existieren verschiedenartige Bauweisen von naturahnlichen uber Zwischenformen bis hin zu beckenartigen Typen (s. Tabelle 20.1). Von entscheidender Bedeutung ist bei Auslegung, Errichtung und Betrieb die Funktionsfahigkeit entsprechend den nachfolgend erlauterten Kriterien. Einzebie subjektive Praferenzen, wie beispielsweise die landschaftliche Einbindung etc., haben stets hinter diese zuruckzustehen. 20.1.1

Anordnung von Fischaufstiegsanlagen

Da die ausreichende Dimensionierung einer Fischaufstiegsanlage insbesondere bei groBeren FlieBgewassem in der Praxis gewohnlich durch konstruktive, hydraulische Oder okonomische Sachzwange stark eingeschrankt wird, kommt der optimalen Anordnung und insbesondere der Auffindbarkeit des Einstiegs m die Fischaufstiegsanlage eine herausragende Stellung zu.

734

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

In der Kegel erfolgen die stromaufwarts gerichteten Wanderbewegungen von Fischen und aquatischen Invertebraten in oder entlang der Hauptstromung. Damit der Einstieg in die Fischaufstiegsanlage im Unterwasser von der Mehrzahl der aufWarts wandemden Organismen aufgefunden wird, muB er an der Uferseite positioniert werden, an der die Hauptstromung des FlieBgewassers anliegt.

i \

* g1

Wehr

iKrafthaus

(a) 1*',

Krafthaus |

b

'

I \ Wehr

1

Krafthaus

n n 1 1 Krafthaus — U — \ r ~ M

n

— ^ — ^ —

Wehr

L

1

fx

k' ';i

Wehr

n n

!

d

Abb. 20.2: Beispiele fur die wirksame (a-c) und unwirksame (d) Anordnung von Fischaufstiegsanlagen an Wasserkraftanlagen Im Falle von Wasserkraftanlagen ist dies in der Kegel die Uferseite, an der das Krafthaus angeordnet ist. Der Einstieg ist dabei moglichst unmittelbar an den Turbinenauslauf bzw. die Stauanlage anzuschlieBen (s. Abb. 20.2a-c). Indem der Einstieg unmittelbar am Aufstiegshindemis angeordnet wird, wird vermieden, daB zwischen Querbauwerk und Einstieg „tote Winkel" entstehen, in denen sich aufstiegswillige Fische sammebi. Ein weit in das Unterwasser verzogener Einstieg schrankt das Auffmden der Fischaufstiegsanlage zumeist erheblich em und ist in zahlreichen Fallen ftir die Funktionsuntuchtigkeit bestehender Anlagen verantwortlich (s. Abb. 20.2d). Bei Wehranlagen, die auf der gesamten Breite tiberstromt werden und schrag im Gewasser verlaufen, konzentrieren sich wanderungswillige Fische iiblicherweise im spitzen Winkel zwischen Wehr und Ufer. In diesen Fallen empfiehlt sich die Positionierung des Einstiegs in diesem Bereich (s. Abb. 20.3).

Abb. 20.3: Beispiele fiir die wirksame (a/b) und unwirksame (c/d) Anordnung von Fischaufstiegsanlagen an Wehren An Ausleitungskraft^erken ist zur Gewahrleistung der linearen Durchgangigkeit zu prlifen, ob die Fischaufstiegsanlage an der Wasserkraftanlage, d. h. als

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

735

Verbindung zwischen Unter- und Oberwasserkanal oder am Ausleitungswehr, also als Verbindung zwischen Ausleitungsstrecke (Mutterbett) und Oberwasser des Wehres, zu errichten ist. Da die Fische eher dem hohen AbfluB des Unterwasserkanals bis vor die Wasserkraftanlage folgen als dem meist geringeren AbfluB in der Ausleitungsstrecke, ist der Bau einer Fischaufstiegsanlage zwischen Unterund Oberwasserkanal meist sinnvoller. In einigen Fallen kann jedoch auch am Ausleitungswehr eine (weitere) Fischaufstiegsanlage zweckmaBig sein, da z. B. bei der Uberschreitung der Ausbauwassermenge der Wasserkraftanlage das Mutterbett durchstromt wird. Dieses Bauwerk kann gleichzeitig zur Abgabe des gesamten oder zumindest eines Teiles des Mindestabflusses in die Ausleitungsstrekke dienen (s. Kapitel 19) und damit dort eine okologisch ausreichende Wasserfuhrung sicherstellen, wobei dies eventuell durch dort vorzunehmende strukturfordemden MaBnahmen unterstutzt werden kann. Demzufolge kann der Einbau zweier Fischaufstiegsanlagen sowohl an der Wasserkraftanlage als auch am Ausleitungswehr aus okologischer Sicht sinnvoll sein, wenn die Fische nicht durch entsprechende Leiteinrichtungen gefiihrt werden konnen. Grundsatzlich sollte eine Fischaufstiegsanlage zum Tageslicht hin so weit irgend moglich offen bzw. eine kiinstliche Beleuchtung (Einzellampen, Lichtwellenleiter etc.) in derartigen Bauwerken nach Moglichkeit den natiirlichen Lichtverhaltnissen angepaBt sein, da tagaktive Fische das Einschwimmen in dunkle Kanale vermeiden. Beim Bau von Fischaufstiegsanlagen sollte auf eine moglichst gute Einbindung des Bauwerks in die Landschaft geachtet werden, obgleich die Funktionsfahigkeit der Fischaufstiegsanlage gegenilber landschaftsasthetischen Gesichtspunkten eindeutig vorrangig ist. Sofem Konstruktionen m Form von Umgehungsgerinnen oder Sohlenbauwerken sinnvoll verwirklichbar sind, verbinden diese fiinktionelle und landschaftsgestalterische Aspekte in guter Weise, da sie meist aus gewassertypischen bzw. natiirlichen Baumaterialien errichtet werden. In besonderen Fallen konnen diese dariiber hinaus als Ersatzlebensraume ftir rheophile („stromungsliebende") Organismen dienen. Initialbegriinungen mit standortgerechten Pflanzen fordem eine natiirliche Vegetationsentwicklung und bieten Deckungsmoglichkeiten fiir aufstiegswillige Organismen. 20.1.2

Ausbildung des Einstiegs in Fischaufstiegsanlagen

Die optimale Positionierung des Einstiegs im Unterwasser und dessen Ausbildung entscheiden zusammen maBgeblich iiber die Funktionsfahigkeit einer Fischaufstiegsanlage. Dabei ist ein Einstieg, der unmittelbar im Bereich der Querverbauung parallel bzw. in einem Winkel kleiner als 30° bis maximal 45° zur Hauptstromung in das Unterwasser einmundet, ftir die Fische leichter auffindbar als eine weiter stromabwarts einmundende Fischaufstiegsanlage, zumal die Leitstromung im Unterwasser des Wehres von dessen Turbulenzzone iiberlagert und sofort wirkungslos wird. Bei einer steileren Miindung entsteht normalerweise zwar eine wesentlich starkere Ausbreitung des Strahles in das Gewasser hinein, jedoch kann sich die Leitstromung vom Ufer ablosen, so daB am Ufer schwimmende Fische die Leitstromung erst wahmehmen, wenn sie unmittelbar an die Einstiegsstelle gelangt sind.

736

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

1st die FlieBgeschwindigkeit im Gewasser dagegen relativ hoch und das Gewasser dazu noch verhaltnismaBig breit, sollte der Einstieg in die Fischaufstiegsanlage unter einem steileren Winkel als 45° einmiinden, damit eine breitere Uferzone von der Leitstromung beeinfluBt wird. Durch die starkere Stromung des Hauptgewassers wird der unter einem steileren Winkel austretende Strahl an seiner Innenseite sofort an das Ufer gedriickt, so daB aufstiegswillige Fische nicht in eine Totzone hineinschwimmen. Unter Berucksichtigung der Ausbreitungsdynamik der Turbulenzzone gilt, daB der maximale Abstand des Einstiegs zum Querbauwerk ohne Nutzung das Vierbis Sechsfache der Unterwassertiefe (bei Mittelwasser), bei Querbauwerken mit Wasserkraftnutzung das Fiinf- bis Sechsfache der Saugschlauchiiberdeckung (bei Mittelwasser) nicht iiberschreiten darf. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Einstieg etwa auf der gleichen Hohe des Aufstiegshindemisses liegt. Ein wesentliches konstruktives Problem ist die Anpassung des Einstiegs an Niedrigwasserstande, um Fischen auch in diesem Falle das Einschwimmen in die Fischaufstiegsanlage zu ermoglichen. Durch die Anbindung der Fischaufstiegsanlage an die natUrliche Gewassersohle, unter Umstanden durch Anrampung mit einer maximalen Neigung von etwa 1 : 2, wird der Einstieg auch bodenorientierten Fischarten und Makrozoobenther ermoglicht. Bei verschiedenen bestehenden Anlagen verlauft der Einstieg in die Fischaufstiegsanlage zum Wehr hin (180° zur Hauptstromung). Diese Anordnung ist fur die Ausbildung einer Leitstromung und damit fur das Auffinden des Einstiegs in der Regel ungiinstig, kann aber in besonderen Fallen, wie beispielsweise einer starken Umlenkung der Krafthausabstromung, wiederum gute Erfolge erzielen. | L Ausstieg

Schnitt A-A

jOberwasser

Sammelkanal\

Rechen fl

Fischaufstiegsanlage

Wehr

strömungsberuhigter Bereich ^— mit Rückströmungen ^ max. min. T

Krafthaus 1"^ r^^

W

Saugrohr

f^V^'i

Turbulenzzone!

^Einstieg

Sammelkanalausläufe mit Leitströmung Unterwasser •-A Abb. 20.4: Sammelkanalanordnung im Unterwasser von Wasserkraftanlagen

i

Vor allem bei groBeren FluBkraftwerken kann man das Verhalten der aufstiegswilligen rheophilen Fische gezielt ausnutzen, die die Turbulenzzone der Saugohrmundung durchschwimmen und im daran anschlieBenden stromungsberuhigten Bereich verharren. Li derartigen Fallen bietet sich die Errichtung eines iiber die ganze Breite reichenden Sammelkanals („Collection Gallery") an, in den die Fische mit Hilfe einer Leitstromung gefuhrt und durch den diese zur eigentlichen

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

737

Fischaufstiegsanlage geleitet werden (s. Abb. 20.4). Dieser Sammeleffekt kann altemativ auch durch eine starkere, in diesen stromungsberuhigten Bereich einstromende Leitstromung erreicht werden, wie dies beispielsweise an einem der groBten Fischpasse in Europa, dem am Rheinkraftwerk Iffezheim geschieht [20.6]. 20.1.3

Leitstromung im Einstiegsbereich

FUr die Orientierung der aquatischen Organismen in einem FlieBgewasser spielt die Wahmehmung der Stromung eine entscheidende RoUe. Hierbei schwimmen die Fische stetig gegen die Hauptstromung an (sogenannte positive Rheotaxis). Die Aufwanderung fmdet dabei nicht zwangslaufig innerhalb der maximalen Stromung statt, sondem, in Abhangigkeit von der Schwimmleistung, auch am Rande der Hauptstromung. Wird die weitere Aufwanderung durch ein Querbauwerk verhindert, so suchen die Fische durch seitUches Ausweichen nach Aufstiegs- bzw. UmgehungsmogUchkeiten. Dabei verhalten sie sich weiterhin positiv rheotaktisch und konnen die aus einer Fischaufstiegsanlage austretende Stromung wahmehmen, so daB sie in diese geleitet werden. Die positive Rheotaxis bietet somit die Moglichkeit, mit Hilfe einer ktinstlich geschaffenen Stromung den aufstiegswilligen Fisch in den Einstieg der Fischaufstiegsanlage zu leiten. Diese Stromung wird daher als Leitstromung bezeichnet. Im Gegensatz dazu suggeriert der bislang in der Literatur ebenfalls verwendete Begriff „Lockstromung" eine Stromung, die den Fisch tiber groBe Entfemungen an- bzw. in die Fischaufstiegsanlage „lockt". Anhand der Erfahrungen an optimal positionierten Fischaufstiegsanlagen laBt sich nachweisen, daB die Stromung, die den Fisch in ein derartiges Bauwerk leiten soil, nicht groBer sein muB als die im Bereich des Aufstiegshindemisses vorhandene Stromungsgeschwindigkeit. Ist eine Verstarkung der Leitstromung notwendig, ohne daB durch dieses Wasser die gesamte Fischaufstiegsanlage hydraulisch uberlastet und somit fur einzelne schwachere Fischarten unpassierbar wird, kann insbesondere bei schwankenden Unterwasserstanden durch eine zusatzliche Rohrleitung in Form eines Bypasses weiteres Wasser aus dem Oberwasser direkt in den Bereich des Einstiegs geleitet werden. Derartige Dotationsleitungen sind vor allem an groBeren FlUssen sowie bei intermittierend betriebenen Fischaufstiegsanlagen (Fischschleusen, Fischaufzuge) notwendig und soUten moglichst standig beaufschlagt werden, um eine stetige Leitstromung zu erzeugen. Bei groBeren zusatzlichen Dotationswassermengen und einer entsprechend hoheren Fallhohe kann die Nutzung dieser Wassermenge in einem Dotationskraftwerk wutschaftlich sein (s. Kapitel 4.3.3), wie dies z. B. am FischpaB des Rheinkraftwerkes Iffezheim umgesetzt wurde [20.6]. Der Bypass kann als Druckrohr oder seltener als offene Rinne ausgebildet werden. Die Stromungsgeschwindigkeit der Leitstromung, die aus dem Bypass austritt, darf jedoch keinesfalls den Einstieg der Fische in die Fischaufstiegsanlage behindem, so daB es sinnvoll ist, die BypaBleitung in das unterste Becken oder ein besonderes Vorbecken moglichst difflis und gleichgerichtet mtxnden zu lassen. Die im Unterwasser auftretenden Stromungsverhaltnisse (FlieBgeschwindigkeit und Grad der Turbulenz), der Winkel und die FlieBgeschwindigkeit, mit der die Leitstromung in das Gewasser eintritt, sowie das Verhaltnis der Abflusse von Ge-

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20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

wasser und Fischaufstiegsanlage haben einen maBgeblichen EinfluB auf die Ausbildung der Leitstromung. Sie sollte einen moglichst groBen Bereich des Gewassers beeinflussen, um die Fische, die sich an der Stromung orientieren, zum Einstieg bin zu leiten. Der Einstieg ist so zu gestalten, daB sowohl die austretende Stromung als Leitstromung wirksam sein kann als auch das Einschwimmen fur alle Fischarten, unabhangig von ihrer Schwimmleistung, uneingeschrankt moglich ist. Die Austrittsgeschwindigkeit der Leitstromung aus der Fischaufstiegsanlage sollte daher maximal 2,0 m/s betragen und iiberwiegend 0,3 m/s groBer als die Ubrige Stromung sein. 20.1.4

AbfluO in Fischaufstiegsanlagen

Zur Gewahrleistung einer ungehinderten Durchgangigkeit auch wahrend der Niedrigwasserperioden sollte der verfugbare AbfluB weitestgehend tiber die Fischaufstiegsanlage abgegeben werden. Dies gilt insbesondere fiir Querverbauungen ohne anderweitige Nutzung. Steht fiir die Speisung der Fischaufstiegsanlage mehr Wasser zur Verfugung als die Funktionsfahigkeit des vorhandenen bzw. geplanten Konstruktionstypes erlaubt, so ist die Reduzierung bzw. Regelung des Abflusses durch ein EinlaBbauwerk erforderlich. Der in diesen Fallen (iberschtissige AbfluBanteil kann dann uber einen Bypass zur Verstarkung der Leitstromung genutzt werden. Altemativ kann auch gepriift werden, ob eine andere, fur hohere Abfltisse geeignetere Bauweise, wie z. B. eine rauhe Rampe, verwirklichbar ist. Die Stromung in der Fischaufstiegsanlage sollte moglichst turbulenzarm und im allgemeinen stromend sein, um den Aufstieg aller aquatischen Organismen, unabhangig von ihrer Schwimmleistung, zu gewahrleisten. Em schieBender AbfluB ist allenfalls lokal, z. B. in Schlupflochem, zulassig. Fiir Stromungsgeschwindigkeiten in Fischaufstiegsanlagen gilt allgemein, daB im Bereich von Verengungen eine maximale Geschwindigkeit von 2,0 m/s nicht iiberschritten werden darf. Die in der Fischaufstiegsanlage auftretende mittlere Stromungsgeschwindigkeit sollte jedoch deutlich unter diesem Wert liegen. Dabei sind Konstruktionen, die eine ausreichende Anzahl von Ruhezonen enthalten, zu bevorzugen, wodurch es leistungsschwacheren Fischarten ermoglicht wird, ihre Aufwartswanderung zu unterbrechen. Femer kann durch eine rauh gestaltete Sohle die Stromungsgeschwindigkeit im bodennahen Bereich reduziert und somit ein differenziertes Stromungsbild angeboten werden. 20.1.5

Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen

Bei der Dimensionierung sind Neigung, Lange, Breite, Wassertiefe und die daraus folgende Leistungsdichte bzw. Energiedissipation sowie die Abmessungen von Durchlassen und Ruhebecken die ausschlaggebenden GroBen, die maBgeblich von der jeweiligen Bauweise sowie von dem zur Verfiigung stehenden AbfluB abhangig sind. Neben diesen standortspezifischen Randbedingungen sind die Anspriiche, die aus der jeweiligen Fischregion bzw. dem zugeordneten Fischartenspektrum resultieren, von entscheidender Bedeutung (s. a. Abb. 20.1). Uber die Zuordnung zu ei-

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

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ner Fischregion werden die jeweiligen ortstypischen fischbiologischen Ansprilche sichergestellt. Dies betrifft vor allem die erforderliche Fliefitiefe, die in Abhangigkeit von der Korperhohe der Fische bestimmt wird, sowie die zulassigen Geschwindigkeiten bzw. Wasserspiegeldifferenzen infolge des Schwimmvermogens der Fische. Die notwendigen Abstande der Widerstandselemente in den Fischaufstiegsanlagen werden durch die Lange der Fische bzw. des ftir sie notwendigen „Raumvolumens" bestimmt. Da sich bereits aus einer Wasserspiegeldifferenz von Ah = 0,2 m eine Stromungsgeschwindigkeit von ca. 2,0 m/s ergibt, folgt hieraus, daB auch in Fischaufstiegsanlagen Wasserspiegeldifferenzen von mehr als 0,2 m in der Kegel nicht zulassig sind. Andemfalls ist die Fischaufstiegsanlage nur ftir leistungsstarke Fischarten passierbar. AbstUrze, bei denen beliiftete Wasserstrahlen entstehen, sind ganzlich zu vermeiden. Bei becken- und gerinneartigen Bauweisen ergeben sich maximal zulassige Neigungen von 1 : 5 bis 1 : 10, wahrend Umgehungsgerinne und Sohlenbauwerke in Anlehnung an die Gefallesituation von Stromschnellen maximale Neigungen kleiner 1:15 aufweisen sollten. Dabei muB hingenommen werden, daB das Gefalle von Umgehungsgerinnen zumeist nicht dem naturlichen Gefalle des angebundenen Gewassers entspricht. Des weiteren bestimmt das Schwimmvermogen aller relevanten Fischarten sowie ihrer Altersstadien die Lange der Fischaufstiegsanlage. Gegebenenfalls sollten bei sehr langen Bauwerken Ruhezonen bzw. Ruhebecken, in denen die Fische ihren Aufstieg unterbrechen konnen, vorgesehen werden. Dabei sollte die Leistungsdichte eines Ruhebeckens eine Energiedissipation von 50 W/m^ nicht iiberschreiten. Bei Konstruktionstypen ohne Ruhezonen und mit groBer Lange sollte jeweils nach etwa 3,0 m Hohendifferenz die Anordnung eines Ruhebeckens vorgesehen werden, wobei jedoch keine allgemein gtiltigen Angaben iiber die maximal zulassige Lange von Fischaufstiegsanlagen getroffen werden konnen. Bei becken- und gerinneartigen Bauweisen ist die Linienfiihrung der Fischaufstiegsanlagen in der Regel gestreckt oder auch serpentinenformig, wahrend Umgehungsgerinne in Anlehnung an natiirliche FlieBgewasserlaufe zumeist einen geschwungenen, maandrierenden Verlauf aufsveisen. Richtungsanderungen erfolgen bei becken- und gerinneartigen Bauweisen vorzugsweise in den Ruhebecken, andemfalls ist auf die Stromungsausbildung zu achten, damit keine hydraulischen Kurzschliisse entstehen. 20.1.6

Gestaltung der Sohle in Fischaufstiegsanlagen

Nicht zu Unrecht wird vor allem im deutschsprachigen Raum gefordert, daB die Sohle in den Fischaufstiegsanlagen durchgehend mit einer mindestens 20 cm dikken Schicht moglichst gewassertypischer Grobsubstrate mit einem Komdurchmesser > 5 cm bedeckt sein sollte. Beim Einbau des Substrates ist auf einen erosionsfesten Aufbau der Sohle zu achten. Des weiteren sollte berticksichtigt werden, daB in der Fischaufstiegsanlage moglichst natumahes Sohlenmaterial eingebracht wird, das durch variable Komungen die mosaikartige Ausbildung unterschiedlicher Luckensysteme ergibt. In diesem Liickensystem steigen im Schutze stromungsbemhigter Raume Klein- bzw. Jungfische sowie insbesondere benthale hi-

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20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

vertebraten auf und finden hier gleichzeitig Rtickzugszonen. In Umgehungsgerinnen und bei Sohlenbauwerken ist die Gestaltung einer rauhen Sohle naheliegenderweise relativ problemlos moglich. Auch im Bereich von Einlaufbauwerken, Schlitzen oder Schlupflochem ist die Durchgangigkeit der rauhen Sohle weitestgehend sicherzustellen. Bei einigen wenigen becken- und gerinneartigen Bauweisen, z. B. Denilpassen, ist die Einbringung einer rauhen Sohle grundsatzlich nicht moglich, wodurch diese Konstruktionstypen fur benthale Invertebraten nahezu nicht passierbar sind und damit eine eingeschrankte Funktionsfahigkeit gegeben ist. 20.1.7

Ausstieg aus Fischaufstiegsanlagen

Vor allem bei Wasserkraftanlagen sollte der Ausstieg aus der Fischaufstiegsanlage, der gleichzeitig den Einlauf fur das Wasser darstellt, im Oberwasser so weit vom Turbmeneinlauf bzw. Wehr entfemt sein, daB aufgestiegene Fische nicht mit der Stromung verdriftet werden. Daher sollte ein Mindestabstand von etwa 5 m zum Einlaufquerschnitt oder Rechen eingehalten werden, wobei in diesem Bereich Stromungsgeschwindigkeiten vorhanden sein soUten, die 0,5 m/s nicht Uberschreiten. Sollte dort eine hohere Stromungsgeschwindigkeit vorhanden sein, muB der Ausstieg entsprechend weiter nach Oberwasser in einen unkritischen Querschnitt verlangert werden. Bei Stauanlagen mit schwankenden Oberwasserstanden ist die Gestaltung des Ausstiegs im Gegensatz zu solchen mit konstantem Stauziel weitaus komplizierter. So ist entweder eine Bauweise fur die Fischaufstiegsanlage zu wahlen, die durch wechsebde Oberwasserstande in ihrer Funktionsfahigkeit nur wenig beeintrachtigt wird, oder es sind konstruktive Anpassungen des Ausstiegs vorzunehmen. Bei becken- und gerinneartigen Fischaufstiegsanlagen hat sich in einigen Fallen einerseits ein vertikaler Schlitz als Einlauf bewahrt. Andererseits kann zur Gewahrleistung der Funktionsfahigkeit dartiber hinaus unter Umstanden eine Regulierung des Durchflusses erforderlich sein, z. B. durch emfache Blenden. Alternativ konnen schlieBlich auch mehrere Einlaufe auf unterschiedlichen Niveaus mit wasserstandsabhangig gesteuerten VerschluBorganen eingesetzt werden. Derartige automatische Regeleinrichtungen konnen jedoch bei unsachgemaBem Betrieb die Funktionsfahigkeit von Fischaufstiegsanlagen erheblich einschranken, so daB in diesen Fallen ein erhohter KontroU- und Wartungsaufwand betrieben werden muB. Im Ausstiegsbereich der Fischaufstiegsanlage sollten weder Stromungsgeschwindigkeiten Uber 2,0 m/s noch starke Turbulenzen auftreten, um das Ausschwimmen der Fische in das Oberwasser problemlos zu ermoglichen. Dartiber hinaus sollte fur die Benthosorganismen ein stufenloser Ubergang der Sohle ins Oberwasser vorgesehen werden. Der Ausstieg bzw. Einlaufbereich in die Fischaufstiegsanlage sollte durch einen hydraulisch richtig angeordneten Schwimmbalken oder eine Tauchwand vor dem Eintrag von Treibgut geschutzt werden. SchlieBlich sollte zur Uberprufung der Funktionsfahigkeit der Fischaufstiegsanlage im Ausstiegsbereich der Einbau von Kontrollvorrichtungen, wie z. B. Kasten- oder Netzreusen, vorgesehen werden. Auch sollte eine Absperrung des Fischpasses flir Kontroll- und Wartungsarbeiten durch einen DammbalkenverschluB o. a. ermoglicht werden.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten 20.1.8

741

Betriebszeiten

Grundsatzlich sollte von einer ganzjahrigen Funktionsfahigkeit der Fischaufstiegsanlage ausgegangen werden, da die Wanderbewegung der einheimischen Fischarten zu unterschiedlichen Jahreszeiten erfolgt. Fiir die Wanderbewegung der benthischen Invertebraten lal3t sich die gesamte Vegetationsperiode ansetzen. Auch die Tageszeit, zu der aquatische Organismen Ortsbewegungen im Gewasser durchfiihren, ist bei den verschiedenen Tiergruppen nicht einheitlich. Hinzu kommt, daB wenig mobile Wirbellose, die sich in der Fischaufstiegsanlage befinden, selbst bei einem kurzfristigen Trockenfallen desselben nicht ausweichen konnen und somit bei einem periodischen Betrieb zwangslaufig absterben wiirden. Allenfalls wahrend extremer Niedrigwasserabfltisse (maximal 30 Tage) und Hochwasserperioden (maximal 30 Tage) kann eine eingeschrankte Funktionsfahigkeit hingenommen werden, da in diesen Zeiten auch die Wanderaktivitat der Fische deutlich reduziert ist. 20.1.9

Wartung der Fischaufstiegsanlagen

Da eine imzureichende Wartung haufig die Ursache fiir eine unzureichende Funktionsfahigkeit der Fischaufstiegsanlagen ist, ist bereits bei der Konzeption die gute und fiir das jeweilige Personal sichere Zuganglichkeit zu beriicksichtigen. So sind Verlegungen des Einlaufs oder von DurchfluBoffiiungen unterschiedlicher Art, Beschadigungen des Fischpasses oder defekte Regeleinrichtungen keine Seltenheit und bei regelmaBigen Kontrollen zu beseitigen. Als Wartungstumus ist zunachst bei alien Bauweisen mindestens eine wochentliche Kontrolle sicherzustellen, die aufgrund von Erfahrungswerten den Erfordernissen entsprechend angepaBt werden kann. Nach Hochwasserereignissen ist jedoch immer eine Uberpriifimg vorzunehmen. 20.1.10

Storungsvermeidung und Lenkung der Offentlichkeit

tJblicherweise werden zum Schutz aufsteigender Fische vor Beunruhigung Fangverbotszonen ober- bzw. unterhalb der Fischaufstiegsanlage ausgewiesen, wobei derartige Regelungen in der Kegel auf der Basis des jeweiligen Fischereigesetzes getroffen werden konnen. Auch Freizeitnutzungen, wie z. B. Bade- und Bootsbetrieb, sind nach Moglichkeit vom unmittelbaren Bereich der Fischaufstiegsanlage femzuhalten. Femer soUten Bootsgassen und Schiffsschleusen nicht in der unmittelbaren Nahe derartiger Bauwerke - und umgekehrt - angelegt werden. Auch darf durch bauliche Veranderungen an angrenzenden Wasserbauwerken oder Gewasserstrecken (Vertiefung der Sohle, Anhebung des Stauziels etc.) die Fischaufstiegsanlage allenfalls nur temporar beeintrachtigt werden. Zur gezielten Lenkung der Offentlichkeit sollte es an ein oder zwei Stellen ermoglicht werden, einen Blick auf bzw. in die Fischaufstiegsanlage werfen zu konnen. Des weiteren bietet es sich an, dort Informationstafehi o. a. aufzustellen. Die Fischaufstiegsanlage selbst sollte jedoch nur vom Wartungspersonal im Rahmen deren Tatigkeit oder von Dritten zu wissenschaftlichen Zwecken begangen werden.

742

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

20.2

Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbaren Querbauwerken

Entsprechend der Gliederung in Tabelle 20.1 existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Bauformen, die einigen Hauptgruppen hinsichtlich ihrer Lage zum Querbauwerk im Gewasser zugewiesen werden konnen. Zu den beckenartigen Fischaufstiegsanlagen werden vor allem folgende Bauweisen gezahlt (s. Abb. 20.5): - konventioneller BeckenpaB, - SchlitzpaB bzw. Vertical-Slot-Pai3, - Rauhgerinne-BeckenpaB, - TtimpelpaB - RhomboidpaB, - WulstfischpaB, - MaanderpaB (s. [20.7]). Derartige Gerinne bestehen aus einer Aufeinanderfolge von Becken, mit Hilfe derer die Wasserspiegeldifferenz in viele kleine, fiir Fische passierbare Hohenspriinge aufgelost wird. In den Becken treten relativ geringe FlieBgeschwindigkeiten auf. Hohe und damit fiir die Funktionalitat kritische FlieCgeschwindigkeiten treten nur an den Zwischenwanden auf, die zur Gewahrleistung des Abflusses und der Fischpassierbarkeit in der Regel Offiiungen unterschiedlicher Form und GroBe in Abhangigkeit von der Bauweise aufsveisen. Uber die genannten Bauweisen hinaus gibt es eine Vielzahl weiterer Bautypen, die einerseits haufig verschiedene Elemente der Hauptbauweisen und damit deren Vorteile kombinieren, wie z. B. der Becken-Schlitz-PaB (s. Abb. 20.6) [20.8]. Auch werden permanent neue Typen entwickelt, die die Anspruche der Aquafauna mit Bauweisen mit besonderen hydraulischen Eigenschaften verbinden. Unter gerinneartigen Fischaufstiegsanlagen werden solche zusammengefaBt, die mit Widerstandselementen in dichter Abfolge versehen sind, womit der Abbau der Hohendifferenz weitestgehend kontinuierlich erfolgt. Hierzu zahlen: - Fischaufstiegsanlage in Storsteinbauweise, - BorstenfischpaB (s. [20.9]), - DenilpaB bzw. GegenstrompaB (s. Abb. 20.5 Typ 3), - AalpaB bzw. -leiter (s. Abb. 20.7a). Zu den Sonderbauweisen gehoren alle die speziellen Formen, die keiner anderen Gruppe zugeordnet werden konnen: - Fischschleuse (s. Abb. 20.7b), - Fischaufzug.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

743

Bei der Gestaltung und der Wahl der Baustoffe stellen bei Umgehungsgerinnen naturliche gefallereiche Bache oder Stromschnellen das entsprechende Leitbild dar. Derartige Fischaufstiegsanlagen besitzen haufig natumahe Fliefigewassercharakter und entsprechen deshalb besonders den biologischen Anforderungen im Hinblick auf die Vemetzung von FlieiJgewasser. Diese Anlagen werden dabei in der sogenannten Storsteinbauweise oder unterschiedlichsten Mischbauweisen erstellt[20.1]/[20.2]/[20.10]. Haufig werden auch die aus wasserbaulichen Griinden errichteten, im HauptschluB des Gewassers angeordneten Querbauwerke direkt dazu genutzt, den Fischen und soweit realisierbar auch anderen aquatischen Organismen die aufwartsgerichtete Wanderung zu ermoglichen. Bei diesen Sohlenbauwerken handelt es sich um Uber die gesamte Gewasserbreite gefuhrte, meist flach geneigte Bauwerke zur tJberwindung eines Hohenunterschiedes in der Gewassersohle. Diese werden entweder auf deren gesamte Breite oder zumindest teilweise umgebaut, wobei man bei letzteren dann auch von Teilrampen spricht. Nachfolgend soil insbesondere auf die Funktionsprinzipien der gebrauchlichen und bezuglich der hydraulischen und biologischen Wirksamkeit hinlanglich untersuchten Fischaufstiegsanlagen eingegangen werden. Von Bedeutung ist dabei stets, daB jede Bauweise an bestimmte Randbedingungen gebunden ist und somit nahezu kein Typ universell eingesetzt werden kann, sondem vielmehr standortspezifische Planungen erfolgen miissen, deren oberstes Ziel jeweils die Herstellung einer funktionstUchtigen Anlage zur Gewahrleistung des Fischaufstiegs sein muB. Die jeweiligen Berechnungsgrundlagen fur eine genaue hydraulische Bemessung und weitergehende detailliertere Angaben zur Gestaltung und Abmessung fmden sich in der Literatur (s. v. a. [20.1], [20.2] und [20.11]). 20.2.1

Beckenpasse

Bei den konventionellen Beckenpassen wird der vom Unter- zum Oberwasser fiihrende Kanal durch Zwischen- bzw. Trennwande in eine Kette von Becken unterteilt (s. Abb. 20.5 Typen la-c). Der Fischaufstieg erfolgt durch Kronenausschnitte oder tiber sohlennahe Schlupflocher, in seltenen Fallen auch nur uber die Krone. Die FlieBgeschwindigkeit darf im Trennwandquerschnitt einen bestimmten Grenzwert nicht tiberschreiten, damit die Fische noch gegen sie anschwimmen konnen. In den Becken selbst wird die der Stromung innewohnende Energie soweit abgebaut, daB der Fisch sich dort aufhalten kann, um Krafte fur den Aufstieg m das nachst hoher gelegene Becken zu sammehi. Die Ausbildung einer rauhen Sohle und eines durchgangigen interstitialen Liickensystems ist in Verbindung mit Sohlenschlupflochem die Voraussetzung fur die Passierbarkeit fur die Benthosfauna. Eine Zusammenstellung der empfohlenen Abmessungen fur Beckenpasse ist der Tabelle 20.2 in Verbindung mit Abb. 20.6 zu entnehmen.

744

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

Vorteile -bewahrtes Prinzip - Migrationsmoglichkeit fiir leistungsstarke und bodenorientierte Kleinfische sowie benthische Fauna 1 -geringerWasserbedarf (0,05-0,5 m^/s)

Nachteile - Unterhaltungsbedarf (wochentliche Wartung und Reinigung) zur Erhaltung der Funktionsfahigkeit wegen Verstopfungsgefahr v. a. bei kleinen Offnungen

1) Beckenpasse: la) ohne Ib-c) mit Kronenausschnitten und Schlupflochem; Id) RhomboidpaB; le) Wulstfischpafi; 2a-c) Schlitz- bzw. Vertical-SlotPasse; 3) DenilpaB Tabelle 20J\: Empfohlene Abmessungen fiir Beckenpasse (s. Abb. 20.6) [20.2] 1 zuberiicksichtigende Indikator1 fischarten

Beckeilabmessiingen

h[m] Stor 5-6 iLachs, Meer- 2,5-3 forelle, lAsche, Blei, 1,4-2 pobel, sonst. Ilobere Forel- >1,0 llenregion

Schlupf lochabmessijngen

b[m] 2,5-3 1,6-2

h[m] 1,5-2 0,8-1,0

bs[m] 1,5 0,4-0,5

1-1,5

0,6-0,8

>0,8

>0,6

0,250,35 0,2

hsfm] 1 0,30,4 0,250,35 0,2

AbfluB in max. 1 der WasserspieAnlage geldifferenz ba[m] hafmj Q[m'/s] Ah fmj 0,20 2,5 0,3 0,3 0,2-0,5 0,20 Krone nausschn itte

0,25

0,25 0,08-0,2

0,20

0,2

0,2

0,02

0,05-0,1

Die in der Tabelle 20.2 aufgefuhrten groBeren Beckenabmessungen gelten fiir die groBeren Schlupflochabmessungen, wobei hs die lichte Offhungshohe uber dem Sohlensubstrat bezeichnet. Sind Kronenausschnitte und Schlupflocher vorgesehen, sollten die groBeren Beckenabmessungen gewahlt werden. Der kleinere Wert der Durchflusse bezieht sich jeweils auf die kleineren Schlupflochabmessungen ohne Kronenausschnitte; der groBere AbfluB gilt jeweils fur die groBeren Schlupflocher und Kronenausschnitte.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

745

ba^

l b /2

Substrat Bodenplatte T

^

^

^

•

•

•

.

-

Sohlenneigung I d\'

Abb. 20.6:

Schemabild mit wesentlichen Abmessungen fiir Beckenpasse [nach 20.8]

Bei der seltenen Sonderform des Rhomboidpasses (s. Abb. 20.5 Typ Id) sind die Zwischenwande schrag zur Beckenachse und in FlieBrichtimg geneigt angeordnet. Da die Neigung der Zwischenwande zur Beckenachse bei aufeinanderfolgenden Wanden jeweils gegenlaufig ist, ergibt sich fur die Becken je eine lange und eine kurze Seite. Der Neigungswinkel der Zwischenwande zur Sohle betragt ca. 60°, der Winkel zwischen den Trennwanden und der Beckenachse 45° bis 60°. Die Zwischenwande erhalten dadurch eine sehr unregehnaBige Gestalt in Form eines Rhomboids. Fiir die mittleren Becken- und Schlupflochabmessungen sowie die Wassertiefen gelten ansonsten die Empfehlungen wie fur konventionelle Bekkenpasse nach Tabelle 20.2. Der Vorteil dieser Bauweise besteht in der stromungsgiinstigen Gestaltung der Becken und einer besseren Selbstreinigungsleistung. Die schragen Zwischenwande wirken wie Leitwande und „fuhren" den Fisch beim Aufstieg zum nachsten Schlupfloch. Der WulstHschpaO (s. Abb. 20.5 Typ le) ist eine sehr seltene Sonderform des Beckenpasses, bei der die DurchlaBof&iungen als sich stromHnienformig erweitemde Schlupfkanale ausgebildet sind. Die Schlupfkanale sind im Unterschied zu anderen Beckenpassen nicht gegeneinander versetzt angeordnet. In hydrauHschen Modellversuchen ist die Form der Schlupfkanale soweit optimiert worden, daB sich in den Becken nahezu keine Wirbel und Walzen ausbilden. Die dadurch stets

746

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

gerichtete Beckenstromung erleichtert den Fischen die Orientierung im Pali. Wulstfischpasse erfordem groBe Beckenlangen und erlauben nur geringe Wasserspiegeldifferenzen, so daB diese Bauweise nur dann geeignet ist, wenn geringe Stauhohen zu tiberwinden sind und gentigend Platz fur die groBe Baulange zur Verfugung steht. Die voile FunktionstUchtigkeit ist bisher aufgrund der geringen Verbreitung noch nicht abschlieBend nachgewiesen worden. 20.2.2

Schlitz- oder Vertical-Slot-PaB

Der Schlitz- oder Vertical-Slot-PaB ist eine beckenartige Bauweise, bei der in den Trennwanden iiber die gesamte Hohe reichende, vertikale Schlitze vorhanden sind (s. Abb. 20.5, Typen 2a-c). Je nach der GroBe des Gewassers und dem zur Verfugung stehenden AbfluB sind Bauweisen mit einem oder zwei Schlitzen in den Trennwanden moglich. Obwohl der SchlitzpaB in seiner urspriinglichen Form ftir den Aufstieg von bedeutsamen GroBsahnoniden (Lachs, Meerforelle etc.) konzipiert wurde, haben die Erfahrungen gezeigt, daB sich diese Bauweise auch fur leistungsschwachere Arten gut eignet und problemlos an unterschiedliche AbfluB- und GroBenverhaltnisse angepaBt werden kann. Vorteiie - Migrationsmoglichkeit fur leistungsstarke und bodenorientierte Fischarten sowie benthische Fauna - unempfindlich gegenuber Schwankungen im Ober- und Unterwasser - weniger anfallig gegentiber Verstopfung - Bauweise erlaubt groBe Variationsbreite des Durchflusses 1 - sowohl fur kleine Bache als auch fur groBe Flusse geeignet

20.2.3

Nachteile - keinewesentlichen

Rauhgerinne-BeckenpaO

Bei Rauhgerinne-Beckenpassen kommen anstatt von Trennwanden Querriegel aus groBen Block- bzw. Bruchsteinen zum Einsatz, womit diese Bauweise eine Synthese aus unterschiedlichen Bauweisen darstellt. Die hochkant stehenden Steine werden in Langs- und Querrichtung liickig versetzt, so daB bei normalen AbfluBverhaltnissen das Wasser nur zwischen den Steinen hindurchstromt. Der Ubergang zu einer mit Steinschwellen besetzten Rampe ist flieBend. Die Anwendung dieser Bauweise ist besonders im Ober- und Mittellauf von Gewassem zu empfehlen, wenn die Platzverhaltnisse beengt sind oder flir den Betrieb eines breiteren Bauwerks nicht gentigend Wasser zur Verfugung steht. Die Baukosten ahneln dadurch auch denjenigen anderer beckenartiger Fischaufstiegsanlagen. \ Vorteiie - relativ naturgemaBe Gestaltung -Passierbarkeit auch fur benthale Invertebratenfauna aufgrund einer durchgehend rauhen Sohle - geringer Unterhaltungsbedarf - geringere Verstopfungsneigung

Nachteile - Probelauf unbedingterforderlich - groBe benotigte Abflusse - empfindlich gegenuber Schwankungen im 0berwasser - groBe Erfahrung bei Planung und Ausfuhrung sowie erhohter Aufwand bei der Bauaufsicht

]

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten 20.2.4

747

Fischaufstiegsanlagen in Storsteinbauweise

Vor allem Umgehungsgerinne und fischpassierbare Sohlenbauwerke werden durch einzelne oder im Verbund angeordnete Storsteine so gestaltet, daB je nach Fischregion ausreichend groBe FlieBtiefen und Steinabstande sowie moglichst geringe FlieBgeschwindigkeiten gewahrleistet werden. Das hierfxir notwendige hydraulische Widerstandsverhalten wird maBgeblich durch die eingebauten Storsteine hinsichtlich deren GroBe, Form und Anordnung bestimmt. Da sich eine derartige Bauweise rechnerisch infolge der stets variierenden Formen und GroBen der naturlichen, gebrochenen Steine letztlich nicht fassen laBt, kann im Rahmen der Planung nur eine Vordimensionierung mit Hilfe entsprechender Auslegungsverfahren fxir die Steinanordnung vorgenommen werden [20.10]. Es dient somit primar dazu, den notwendigen DurchfluB, die notwendige mittlere SteingroBe, die Steinabstande sowie die erforderliche Gerinnebreite vorab zu bestimmen. Auch die Positionierung der Steine kann hiermit im voraus schon weitestgehend geklart werden. Bei der Umsetzung einer derartigen Bauweise mit xiberwiegend naturlichen Materialien in der Praxis ist die Erfahrung des zustandigen Planers von entscheidender Bedeutung. Dieser oder eine andere fachkundige Person sollte somit bei der Ausfuhrung vor Ort sein und die Bauarbeiten iiberwachen bzw. anleiten, da jeder einzehie Stein eine unterschiedliche Geometric aufweist und so vor Ort entschieden werden mxxB, wie die einzebien Steine jeweils zu setzen sind. 1 Vorteile 1 - relativ naturgemaBe Gestaltung - Passierbarkeit auch fiir benthale Invertebratenfauna aufgrund einer durchgehend rauhen Sohle - geringer Unterhaltungsbedarf - geringere Verstopfungsneigung

20.2.5

Nachteile - Probelauf unbedingterforderlich - groBe Erfahrung bei Planung und Ausfuhrung sowie erhohter Aufwand bei der Bauaufsicht

Denil- oder GegenstrompaO

Diese kompakte Bauweise besteht aus einer geradlinig gefxihrten Rinne, in welcher in regehnaBigen, relativ kurzen Abstanden gegen die FlieBrichtung geneigte Lamellen angeordnet sind (s. Abb. 20.5, Typ 3). Die sich zwischen diesen Lamellen ausbildenden Riickstromungen bewirken eine erhebliche Energiedissipation und aufgrund ihrer Interaktionen eine relativ geringe FlieBgeschwindigkeit im unteren Bereich der Lamellenausschnitte. Dadurch wird es moglich, den DenilpaB mit einem im Vergleich zu anderen Bauweisen groBen Gefalle zu bauen und kleine bis mittlere Hohendifferenzen auf relativ kurzer Strecke zu uberwinden.

748

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

Vorteile - groBes mogliches Gefalle ==> geringer Platzbedarf - Vorfertigung des Gerinnes - einfache Nachriistung bei bestehenden Anlagen -unempfindlich gegeniiber Schwankungen im Unterwasser - gute Ausbildung einer Leitstromung

20.2.6

Nachteile - hohe Empfmdlichkeit gegeniiber Schwankungen im Oberwasser (maximal 20 cm zulassig) - groBerUnterhaltungsbedarf (regelmafiige Wartung) wegen Verstopfungsgefahr - Passierbarkeit fur Kleinfische, leistungsschwache Arten, Kleinlebewesen und benthische Fauna nahezu nicht moglich

AalpaB

Der Aal ist in vielen stehenden und langsam flieBenden Gewassem anzutreffen. Dieser katadrome Wanderfisch wachst im Siii3wasser bis zur Laichreife heran und wandert dann als sogenaimter Blankaal die Fltisse hinab ins Meer, um dort zu laichen. Die Aallarven, auch als Glasaale bezeichnet, erreichen in 2 bis 3 Jahren die KUsten Europas, um dann in die Biimengewasser vorzudringen. Diese aufsteigenden Tiere mit Korperlangen von 7 bis 25 cm sind zwar in der Lage, kleinere Hindemisse mit rauher Oberflache, Rissen und Spalten zu uberwinden. Besonders im Mtindungsbereich der Flusse, wo die aufsteigenden Aale noch sehr klein sind, konnen jedoch speziell auf die Leistungsfahigkeit der Glasaale abgestimmte Aufstiegshilfen, sogenannte Aalpasse oder Aalleitem (s. Abb. 20.7a), siimvoll sein. Aale mit groBerer Korperlange benutzen auch andere Fischaufstiegsanlagen, so dal3 dort gesonderte Aalleitem nicht unbedingt erforderlich sind. Bei Aalleitem kommen im wesentlichen zwei Prinzipien zum Einsatz. Zum einen werden relativ kurze, oft dicht tiber der Gewassersohle liegende Rohre, in die Reisigbiindel, Faschinen oder ahnliches zur Minderung der FlieBgeschwindigkeit eingebaut sind, durch den Wehrkorper gefuhrt, durch deren Einbauten der Aal sich hindurch winden muB. Die Uberpriifung und Wiederherstellung der Funktionsfahigkeit solcher Rohre, die sehr leicht verstopfen konnen, gestaltet sich in der Praxis als schwierig, da diese vollig unter Wasser liegen. Zum anderen kommen relativ kleine, flache, vom Unter- zum Oberwasser gefuhrte, offene Riimen, in denen unterschiedlich gestaltete Einbauten dem Aal eine kriechende Aufwartswandemng ermoglichen, zum Einsatz. Fur die Einbauten haben sich besonders borstenformige Einlagen, aber auch Reisig, Schotter und Lattenroste bewahrt. Diese Rinnen sollten eine Schutzabdeckung gegen Rauber, wie z. B. Ratten und Mowen, besitzen. Die Aalpasse werden so angelegt, daB sie nur leicht von Wasser durchrieselt oder sogar nur benetzt werden. Eine Au^artsbewegung anderer Fischarten ist hier im allgemeinen nicht moglich und auch nicht beabsichtigt. Der Einstieg in einen AalpaB muB immer am Ufer liegen. Ein SohlenanschluB ist aber nicht erforderlich, da die Glasaale an der Wasseroberflache wandem. Zu beachten ist, daB die geringen AbflUsse in einem AalpaB kaum eine ausreichende Leitstromung bewirken konnen und daher eventuell eine zusatzliche Stromung erzeugt werden muB. Der Ausstieg ins Oberwasser muB mit Riicksicht auf die geringen Schwimmleistungen der jungen Aale unbedingt in einem stromungsbemhigten Bereich angeordnet sein; auf keinen Fall darf er nahe dem Turbineneinlauf angeordnet werden.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

749

Ausgangsstellung Aalleiter (Reisigbündel)

OW

/oberes Schütz '

Schleusenkammer

unteres Schütz ^ / geöffnet UW Leitströmung

Fischpaß

Füllen der Schleuse OW t Öffnen UW _I_ geschlossen

a1

Fischaufstieg OW Leitströmung UW Spalt

Entleeren der Schleuse OW Prinzip eines borstenähnlichen Einbaus

Öffnen UW [Leitströmung

Abb. 20.7: a) AalpaB bzw. -leiter; b) Fischschleuse [20.2]

20.2.7

Fischschleuse

Der Aufbau und die Funktionsweise einer Fischschleuse, auch als Borland-PaB bezeichnet, sind dem einer Schiffsschleuse ahnlich (s. Abb. 20.7b). Entsprechend besteht er im wesentlichen aus einer Schleusenkammer sowie einem unteren und einem oberen AbschluBbauwerk mit VerschluBorgan. Die Unterschiede in der Funktionsweise verdeutlichen jedoch, daB eine Schiffsschleuse un Normalbetrieb nicht zur Aufrechterhaltung der Fischwanderungen ausreicht. Insbesondere das Fehlen einer Leitstromung, die kurzen Offiiungszeiten der Tore, die hohen Turbulenzen in der Kammer infolge der Schiffsschrauben und die Lage innerhalb der Stauanlage lassen den wanderstimmigen Fisch nur in Ausnahmen den Weg iiber eine Schiffsschleuse finden. Die zeitliche Steuerung der Betriebszustande einer Fischschleuse erfolgt automatisch. Ublich sind halbstundliche bis stUndliche Schaltintervalle, deren effizientester Ablauf und auch gegebenenfalls erforderliche jahreszeitliche Veranderungen nur anhand von speziellen Aufstiegskontrollen ermittelt werden konnen. Fischschleusen sind als Altemativen zu herkommlichen Fischaufstiegsanlagen dann von Vorteil, wenn beengte raumliche Verhaltnisse vorliegen und sehr groBe Hohenunterschiede zu iiberwinden sind. Ebenso bietet die Fischschleuse konstruktive Vorteile, wenn sehr groBe oder leistungsschwache Fischarten zu beriicksichtigen sind.

750

20 Durchgangigkeit an Wasserkraflstandorten

Eine selektierende Wirkung in bezug auf die Passierbarkeit durch Invertebraten, bodenorientierte Fische und Kleinfische kann nach dem derzeitigen Erkenntnisstand nicht ausgeschlossen werden. Die beweglichen Teile, Antriebs- und Steueraggregate bedingen einen erhohten Unterhaltungsaufwand gegeniiber herkommlichen Anlagen. 20.2.8

Fischaufzug

Normalen Fischaufstiegsanlagen sind vor allem bei groBeren Stauhohen {Ah > 610 m und mehr) und geringer zur Verfugung stehender Wassermenge aufgrund der Baukosten, des dann verhaltnismaBig groBen Platzbedarfes und nicht zuletzt der Leistungsfahigkeit der Fische Grenzen gesetzt. Bei einem Fischaufzug bzw. Fischlift werden die Fische nach dem Prinzip eines Liftes mittels einer als Fangreuse ausgebildeten Wanne als Beforderungsmittel aus dem Unterwasser ins Oberwasser gebracht, wie dies beispielsweise seit Fruhjahr 2005 am Hochrheinkraftwerk Whylen erfolgt. Zum Auffinden des Einstieges ist eine ausgepragte Leitstromung erforderlich. Der automatische Betrieb wird entsprechend der aktuellen Wanderaktivitat tumusmaBig gefahren. Da die Fische passiv aufwarts befordert werden, sind Fischaufzttge auch fiir leistungsschwache Arten sowie fiir den Transport von sehr groBen Fischen geeignet. Der Aufstieg von Invertebraten und der Abstieg von Fischen ist in diesen Anlagen allerdings nicht moglich. Probleme treten bei der konstruktiven Gestaltung fiir die Ausbildung einer Leitstromung auf, wenn starke Wasserspiegelschwankungen im Unterwasser vorkommen. Naheliegenderweise ist der Betriebsaufwand hoher als bei den anderen Typen von Fischaufstiegsanlagen. 20.2.9

Umgehungsgerinne

Dieser Typ ist dadurch gekennzeichnet, daB mit ihm ein Querbauwerk im Gewasser in Form eines FlieBgewassers im NebenschluB weitlaufig umgangen wird (s. Abb. 20.8a) und groBere Eingriffe in das eigentliche Querbauwerk nicht unbedingt notig sind. Der wesentliche Nachteil eines Umgehungsgerinnes ist der relativ groBe Flachenbedarf und unter Umstanden dessen Empfindlichkeit gegeniiber auftretenden Hochwassem. Die Anwendbarkeit dieser Bauweise hangt damit stark von den jeweiligen ortlichen Gegebenheiten ab. Andererseits bietet gerade die Weitlaufigkeit eines solchen Gerinnes die Moglichkeit fur eine natumahe Gestaltung und die gute Einbindung in die Landschaft. Damit sind auch die Voraussetzungen dafur geschaffen, daB dieses Gerinne nicht nur als Migrationsweg, sondem zusatzlich auch als permanenter Lebensraum genutzt werden kann. Des weiteren bieten Umgehungsgerinne die Moglichkeit, das FlieBgewasserkontinuum im Sinne eines ungestorten, durchgangigen Gewassers ohne plotzliche Veranderung der abiotischen Randbedingungen aufrechtzuerhalten bzw. wiederherzustellen.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten Vorteile - gute landschaftliche Einbindung - Passierbarkeit fiir gesamte Aquafauna - auch fiir Fischabstieg geeignet - Schaffung neuer Lebensraume - im allgemeinen geringere Baukosten als bei bekken- und gerinneartigen Fischaufstiegsanlagen - groBere Funktionssicherheit bei geringerem Unterhaltungsbedarf - gut geeignet fiir Nachrustung

20.2.10

751

Nachteile - groBer Flachenbedarf bzw. groBe Lange - empfindlich gegentiber Hochwasser und gegeniiber Schwankungen im Oberwasser - Anbindung an das Unterwasser oftmals nur mit becken- und gerinneartiger Fischaufstiegsanlage moglich 1

Sohlenbauwerke

Fiir die Wiederherstellung eines FlieBgewasserkontinuums ist ein strukturreiches, flach geneigtes Sohlenbauwerk in Form einer Sohlengleite, einer rauhen Rampe in Riegelbauweise oder in Storsteinbauweise die sicherlich gUnstigste Ausfiihrung fiir den Umbau kleinerer Querbauwerke im Gewasser, da sich hiermit die natiirlichen Verhaltnisse einer gefallereichen FlieBstrecke am ehesten gestalten lassen. Kann auf die Regulierbarkeit der Wasserstande verzichtet werden und steht eine ausreichende Wassermenge zur Verfugung, so besteht die Moglichkeit, ein Wehr tiber die gesamte Breite umzugestalten. Aufgrund der Wasserkraftnutzung, des Hochwasserschutzes und anderem ist dies jedoch haufig nicht moglich. Um in derartigen Fallen die Migrationsmoglichkeiten fur die Gewasserfauna trotzdem herzustellen, kann zumindest m einen Teil einer Wehranlage (nachtraglich) eine rauhe Rampe oder Gleite geringerer Breite - eine sogenannte Teibampe - integriert werden (s. Abb. 20.8b+c). Eine Teilrampe faBt nach Moglichkeit den gesamten, bei Niedrig- und Mittelwasser zur Verfugung stehenden AbfluB zusammen. An Ausleitungskraftwerken kann iiber die Teilrampe z. B. der erforderliche MindestwasserabfluB abgefuhrt werden. Die eigentliche Wehranlage wird dann nur bei Hochwasser beaufschlagt. Sohlenbauwerke sind im allgemeinen mit Storsteinen oder kaskadenformigen Steinschwellen ausgestattet, um die fiir den Fischaufstieg erforderlichen Wassertiefen und FlieBgeschwindigkeiten zu gewahrleisten. Der fiir den Fischaufstieg maBgebende AbfluB bestimmt die Breite des eigentlichen Aufstiegskorridors. Bei groBeren Abfliissen (Hochwasser) kann die Funktionsttichtigkeit von Sohlenbauwerken in Hinblick auf den Fischaufstieg nur noch bedingt sichergestellt werden; in diesem Fall sind in erster Linie die Aspekte der Standsicherheit fiir die Bemessung des Bauwerks maBgeblich [20.1]. Vorteile -Passierbarkeit fiir gesamte Aquafauna, - geringer Unterhaltungsbedarf und optisch attraktiv - gut geeignet fiir Nachrtistung und fur Fischabstieg - gute Leitstromung und geringe Verstopfungsneigung - Lebensraum fiir rheophile Arten

Nachteile - groBer Flachenbedarf - groBe benotigte Abflusse - gegebenenfalls empfindlich gegentiber Schwankungen im Oberwasser

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

752

i ggf. TeilBauwerk. rampe zur Abfluß-^^ ^ begrenzung =«5s^y

Ausstieg/ Einlaufbauwerk

Trennwand " Gefälle flacher ^ I C) mit Aufweitungen^

b

R

^Wehr nur bei TeilHochwasser rampe beaufschlagt ^

Umgehungs-1 gerinne Wehr

l|l|l|l|l|l|l|l|l

Krafthaus-^ zufahrt

a

Nachbett

Gefälle steiler (Leitströmung!)

Abb. 20.8:

20.3

c

^

a) Prinzipielle Anordnung eines Umgehungsgerinnes an einer Stauanlage; b) Teilrampe an einem Wehr mit beweglichen Verschliissen; c) Teilrampe an einem festen Wehr [20.2]

Fischschutz- und Fischabstiegseinrichtungen

Uber die Funktionsfahigkeit von Fischabstiegsanlagen liegen bisher nur sehr wenige generelle Erkenntnisse vor, so daB fiir diese Konstruktionen noch keine allgemein giiltigen Regehi empfohlen werden konnen. Allenfalls fur einige wenige Arten, darunter vor allem fiir die anadrom und katadrom uber weite Distanzen wandemden Fische, wie Aal, Lachs etc., sind mittlerweile weltweit tiefergehende Erfahrungen gewonnen worden, die jedoch aufgrund verschiedenartiger Verhaltensmuster nie pauschal auf andere Gebiete ubertragen werden dtirfen (s. v. a. [20.12]). Ausgangspunlct jeglicher Betrachtungen miissen die lokal vorkommenden Fischarten und in der Folge deren Wanderverlialten (Zeitpunkt, Wanderkorridor, Verhalten etc.) in Verbindung mit dem entsprechenden Lebensraum sein. Auf dieser Basis konnen dann weiterfiihrende Betrachtungen an Querbauwerken bzw. Wanderhindemissen vorgenommen werden, die in einem ersten Scliritt eine Schadensminimierung zum Ziel haben, indem die Fische daran gehindert werden sollen, beispielsweise in Turbineneinlaufe zu schwinmien, da dort eine Vielzahl unterschiedlicher Gefahren auftreten (s. Abb. 20.9). Um die abwandemden Fische von einer Gefahrenzone femzuhalten, bieten sich eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden und Techniken an, deren Einsatz und insbesondere Effektivitat von vielen Randbedingungen abhangig sind.

20 Durchgangigkeit an Wasserkraftstandorten

753

Hierzu zahlen vor allem folgende Aspekte: - Stromungsverhaltnisse und -geschwindigkeit, - mechanische Barrieren (konventionelle Rechen, Lochblechrechen, Louver, Tauchwande etc.; s. Kapitel 5.2), - Verhaltensbarrieren bzw. Scheuchanlagen (Elektro-, Lichtscheuchanlagen, Schallimpulse, Luftblasenschleier etc.). .

3

stetiger Druckanstieg 1

Turbinenkontakt (Schläge, Reibung etc.)

Scherkräfte —^-

schneller 3 Druck- 2 abfall ^ und Kavitation

Turbulenzen

Abb. 20.9: Gefahrenzonen fiir Fische bei der Turbinenpassage Da mit den Schutz- und Abweiseinrichtungen alleine jedoch dem naturlichen Bestreben der Fische, fluBabwarts zu wandem, nicht ausreichend nachgekommen werden kann, ist es bei der Umsetzung derartiger MaBnahmen unabdingbar, die moglichst schadensfreie Abwanderung eines ausreichenden Anteils dieser Fische durch geeignete MaBnahmen zu gewahrleisten. Hierbei bieten sich folgende Losungen an: - BypaBsysteme in Form von Rinnen, Rohrleitungen etc., - Fischsammelsysteme, - gezieltes Betriebs- oder Turbinenmanagement an der Anlage (Verwendung von Wamsystemen, TurbinendurchfluBreduzierung etc.), - Einsatz fischfreundUcherer Turbinen (Reduzierung der schadlichen Spalte, hydraulische Optimierung, Drehzahlverringerung etc.). Sehr weit sind mittlerweile die Untersuchungen fur derartige Systeme fiir sohlennah abwandemde Fische, wie beispielsweise den Aal, gediehen, so daB erste groBmaBstabliche Einrichtungen an Wasserkraftanlagen zu Forschungszwecken errichtet werden konnten (s. z. B. [20.13]).

754

20 Durchgangigkeit an Wasserkraflstandorten

Generell muB festgehalten werden, daB sich nicht jede Schutz- und Abweiseinrichtung bzw. -methode an jedem Standort verwirklichen laBt, sondem ortlich und fischartenspezifisch unterschiedliche Erfolge erkennbar sind. Des weiteren ist die Nachriistung von bereits bestehenden Anlagen sowie solchen mit hohen Ausbaugraden bzw. Ausbaudurchflussen weitaus starkeren Restriktionen unterworfen, als diese bei der Planung einer neuen auftreten. Insgesamt sind hier jedoch noch viele Fragen offen, deren Beantwortung das Ziel zahlreicher aktueller Forschungsarbeiten ist. 20.4

Literatur

[20.1] Landesanstalt fur Umweltschutz Baden-Wurttemberg (LfU) (Hrsg.): Leitfadenreihe Durchgangigkeit fur Tiere in FlieBgewassem. In: Schriftenreihe Oberh-dische Gewasser der LfU (2005) [20.2] DVWK (Hrsg.): Fischaufstiegsanlagen. In: Merkblatter zur Wasserwirtschaft des DVWK (1996), Heft 232 [20.3] Wasser- und Energiewirtschaftsamt des Kantons Bern (Hrsg.): Leitfaden ftir den Bau von Fischwegen. Bern, 1993 [20.4] Jungwirth, M.; Osterreichisches Bundesministerium fiir Land- und Forstwirtschaft (Hrsg.): Fischaufstiegshilfen an Gebirgsfliissen. Wien, 1994 [20.5] Jungwirth, M et al.: Angewandte Fischokologie an FlieBgewassem. Wien: Facultas Verlag, 2003 [20.6] Heimerl, S.; Nothlich, I.; Urban, G.: FischpaB Iffezheim - erste Erfahmngen an einem der groBten Verbindungsgewasser Europas. In: Wasserwirtschaft 92 (2002), Heft 4/5, Seite 12-22 [20.7] Peters, H. W.: Der Maander-Fischpass. In: Wasserwutschaft 94 (2004), Heft 7/8, Seite 33-39 [20.8] Heimerl, S.; Ittel, G.: Becken-Schlitz-Passe als zukunftstrachtige Bauweise fur technische Verbmdungsgewasser. In: Wasserwirtschaft 92 (2002), Heft 4/5, Seite 54-55 [20.9] Hassinger, R.: Der BorstenfischpaB- Fischaufstieg und Bootsabfahrt in emer Rinne. In: Wasserwirtschaft 92 (2002), Heft 4/5, Seite 38-42 [20.10] Heimerl, S.; Homilius, S.; StandfuB, M.; Wurster, H.: Auslegung von Fischaufstiegsanlagen in Storsteinbauweise. In: Wasserwirtschaft 95 (2005), Heft 6 [20.11] Larinier, M.; Travade, F.; Porcher, J. P.: Fishways: biological basis, design criteria and monitoring. In: Bull. Francais Peche Pisciculture, 2002, Nr. 364 [20.12] ATV-DVWK (Hrsg.): Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen - Bemessung, Gestaltung, Funktionskontrolle. In: ATV-DVWK-Themen, 7/2004 [20.13] Gohl, C : BypaBeinrichtungen zum Abstieg von Aalen an Wasserkraftanlage. In: Berichte des Lehrstuhles und der Versuchsanstalt fur Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Munchen (2004), Nr. 98

755

21

Ausfiihrungsbeispiele

Zur Veranschaulichung der vorausgegangenen Kapitel liber theoretische Grundlagen, Planung, Konstruktion und Betrieb aller Anlagenkomponenten der Wasserkraftnutzung sollen iiber die bereits ausgefuhrten Beispiele hinaus zwei Anlagenkomplexe im Sudschwarzwald detaillierter dargestellt werden (s. Abb. 21.1). ^

Neustadt

Sägen-bächleStollen

Rhein-KW RyburgSchwörstadt

I Säckingen |

Abb. 21.1:

Ubersicht uber die Anlagen der Schluchseewerk AG [21.1]

756

21 Ausfuhmngsbeispiele

Neben den bisher exemplarisch erlauterten Wasserkraftanlagen: - Pfeilerkraftwerk NuBdorf am Inn (Niederdruckanlage, s. Kapitel 4.2.1.1); - uberstrombares Kraftwerk am Lech (Niederdruckanlage, s. Kapitel 4.2.1.1); - Gezeitenkraftwerk Ranee (Niederdruckanlage, s. Kapitel 4.4.1); - Rheinkraftwerk Laufenburg mit Straflo-Turbinen (s. Kapitel 15.1.1.2) - Rheinkraftwerke Albbruck-Dogem, Iffezheim und Rheinau (s. Kapitel 13); - Bleilochtalsperre, Obere Saale (Mitteldruckanlage, s. Kapitel 4.2.2); - Krafthaus Chatolet, Doubs (s. Kapitel 13); - Pumpspeicherkraftwerk Glems (s. Kapitel 4.3.1); - Pumpspeicherkraftwerk RoBhaag (s. Kapitel 17.4); - PumpspeicherkraftAverk Goldisthal (s. Kapitel 17.8.5) - Luftspeicherkraft^erk Huntdorf (s. Kapitel 17.8.4) - Pumpspeicherkraftwerk Bieudron, Grande Dixence (s. Kapitel 13); konnen anhand des FluBkraftwerkes Sackingen und des variantenreichen Systems der Wasserkraftnutzung durch die Schluchseewerk AG (s. Abb. 21.1) nicht zuletzt die vielen Entwicklungsstufen der Bau- und Maschinentechnik bis hin zu modemsten Bauweisen und Technologien gut nachvollzogen werden. Dabei deckt das Beispiel der Schluchseewerke nicht nur die Pumpspeicheranlagen sondem gleichzeitig auch die Mittel- und Hochdruckanlagen sowie Kleinwasserkraftanlagen ab. 21.1

Hochrheinkraftwerk Sackingen

Dieses 1961 bis 1966 errichtete FluBkraflAverk ist in der typischen Flachbauweise erstellt worden, wobei von der rechten Uferseite her beginnend beun Montageraum die vier Maschinensatze und die flinf Wehrfelder aufeinander ft)lgen (s. Abb. 21.2). Des weiteren befmdet sich auf der Seite des Maschinenhauses eine Fischtreppe, an der anderen Uferseite ist eine kleine Bootsrampe installiert. Da es sich um ein Grenzkraftwerk handelt, befindet sich das Kraft:werk je halftig in Besitz von schweizerischen und deutschen Stromversorgungsuntemehmen. Deutschland

Abb. 21.2: GrundriB des Hochrheinkraftwerkes Sackingen [21.2]

21 Ausfiihrungsbeispiele

757

Uber die gesamte Breite der Anlage konnen zwei AuBenportalkrane fahren, die so auBer zur Turbinenmontage auch zum Versetzen der auf der Unterwasserseite im Maschinenhaus installierten Transformatoren, femer der Dammbalkenverschliisse an Maschinenhaus und Wehrfeldem und der Rechentafeln sowie zu Revisionsarbeiten an den Wehrschtitzen herangezogen werden konnen. Bei den vier Maschinensatzen handelt es sich um vertikale Kaplan-Turbinen mit einem Laufraddurchmesser von 7,40 m, die bei einer Nennfallhohe von 6,57 m, einem NenndurchfluB pro Turbine von 325 w?/s und einer Umdrehungszahl von 60min"^ eine Nennleistung von 18.400 kW erbringen (s. Abb. 21.3). Bei einer mittleren Fallhohe von 7,10m und einem AusbaudurchfluB von 1.450 mVs liegt so die mittlere Bruttostromerzeugung bei 475 Mio. kWh pro Jahr, wovon 420 Mio. kWh an die Verbraucher abgegeben werden. Das Kaplan-Laufrad wiegt ca. 1001, und das axiale Turbinengewicht, also die Last auf die Traglager betragt ca. 7001 (s. Kapitel 15.2.2.1). Oberhalb der Laufrader ist jeweils ein luftgekiihlter Generator mit einer Nennleistung von 23 MVA und einem cos cp = 0,76 bei einer Nennspannung von 10,5 kV angeordnet. Der Generatorlaufer hat einen Durchmesser von 10,73 m und wiegt ca. 1701. Die wassergekiihlten Transformatoren wandeln die Spannung in eine Oberspannung von 50 kV fur die Schweiz und 110 kV fiir die Bundesrepublik Deutschland um. In der direkt neben dem Maschinenhaus befindlichen Freiluftschaltanlage wird der Strom in das deutsche Netz eingespeist, wohingegen der schweizerische Strom tiber ein Erdkabel zur weiter entfemt liegenden Schaltanlage bei Mtinchwilen geftihrt wh-d. Bei den fiinf jeweils 19,50 m breiten Wehrverschltissen handelt es sich um 8,53 m hohe Segmentschiitze mit aufgesetzten Klappen von 3,52 m Hohe, wobei entsprechend der («-7)-Regel bereits vier Offiiungen das maBgebliche Hochwasser von 5.400 m^/s abfuhren konnen. Sowohl die Klappe als auch das Segmentschiitz werden tiber einen olhydraulischen Antrieb betatigt, wobei die Hebezeiten fiir die Klappe 15 min und ftir das Schiitz 35 min betragen, die Senkzeit der Klappe liegt bei 1,5 min und die des Segmentes bei 3,5 min.

Kaplanturbine mit Generator "^

Stau 288,83

\ Kolkschutz

10 m

Abb. 21.3: Querschnitte des Hochrheinkraftwerks b)Stauwehr[21.2]

20 m

Sackingen: a) Maschinenhaus;

758

21 Ausfiihrungsbeispiele

Die Stauhaltung dient gleichzeitig als Unterbecken fur das Kavemenkraftwerk Sackingen (s. Kapitel 21.4.1), wobei der Wasserspiegel des Rheins imierhalb der Stauhaltung durch den Turbinen- bzw. Pumpenbetrieb des Pumpspeicherkraftwerkes um bis zu 45 cm erhoht bzw. um bis zu 30 cm abgesenkt werden kann. Das bewirtschaftete Stauraumvolumen liegt bei ca. 1 Mio. m^. 21.2

Wasserkraftnutzung durch die Schluchseewerk AG

Am 15.12.1928 wurde die Schluchseewerk AG, Freiburg, gegrundet. Ihr oblag von Anfang an, das Wasserkraftpotential im sUdlichen Teil des Schwarzwaldes groBtechnisch zu nutzen. Hierbei sollte mit Wasserkraftwerken und Pumpspeicherwerken Strom fiir den Spitzenbedarf im nationalen und europaischen Verbundnetz bereitgestellt, aber auch zum wirtschaftlichen Ausgleich zwischen Warmekraft und Wasserkraft beigetragen werden. In den zuriickliegenden sieben Jahrzehnten entstanden eine erhebliche Anzahl von Kraftwerksstufen und ganzen Kraftwerksgruppen, ebenso liegen verschiedene Planungen zum weiteren Ausbau mit erganzenden Wasserkraftanlagen vor (s. Abb. 21.1). 21.2.1

Werksgruppe Schluchsee

Die erste Ausarbeitung eines generellen Projektes fiir die Wasserkraftnutzung zwischen Schluchsee und Rhein unter Einbeziehung der Fliisse Schwarza und Schlticht nahm Prof. Dr. Theodor Rehbock von der Technischen Hochschule Karlsruhe im Jahre 1907 vor. Eineinhalb Jahrzehnte hemach wurde ein offentlicher Wettbewerb fur den Bau des Schluchseewerkes ausgeschrieben. Eine der Vorgaben war die hauptsachliche Deckung von Leistungsspitzen, wofur der natUrliche Schluchsee mit einem Aufstau um 30 m einen rund 108 hm^ Wasser fassenden Speicher bilden und der urspriingliche nattirliche Zuflufi durch Pumpspeicherung unter Heranziehung weiterer Wasservorkommen in tiefer liegenden Einzugsgebieten und aus dem Hochrhein erganzt werden sollten. Die hierfur erstellten Entwiirfe gingen von mehrstufigen Anlagen zwischen Schluchsee und Hochrhein in verschiedenen Talem aus. Die Vorentscheidung fur die weitere Detailbearbeitung fiel zugunsten des Schwarza-FluBtales und dreier Kraftwerksstufen. Der aufgestaute Schluchsee wurde als Jahresspeicher vorgesehen. Sein natiirliches Einzugsgebiet war durch Beileitungen von 41,5 km^ auf rund 73 km^ zu vergroBem. Der hierdurch bedingte mittlere JahreszufluB betragt 91 Mio. m^. Die Wassertiberleitung vorrangig aus dem Feldberggebiet erfolgt in einem Kanal mit 7 vo?/s MaximalabfluB tiber den Windgfall-Weiher zum Schluchsee. Femer entschied man sich fur eine Pumpforderung aus den Fliissen Alb, Schwarza, Mettma, Schlticht und Steina mit Zwischenspeichem m deren Talem und schlieBlich fiir eine vorrangige Pumpforderung mit 40 m^/s aus dem Hochrhein. Im September 1928 beschloB der Badische Landtag mit groBer Mehrheit den Bau des Schluchseewerkes. Drei Monate spater wurde der GrUndungsvertrag ftir die Schluchseewerk AG durch die beiden Elektrizitatsversorgungsuntemehmungen Badenwerk (vormals Badische Landeselektrizitatsversorgung AG, heute EnBW Energie Baden-Wiirttemberg AG), Karlsruhe, und Rheinisch-Westfalisches

21 Ausfiihrungsbeispiele

759

Elektrizitatswerk (RWE), Essen, mit je gleich groBem Gesellschaftskapital unterzeichnet. Spater traten als weitere Aktionare die Kraftubertragungswerk Rheinfelden AG und die Kraftwerk Laufenburg AG hinzu. 21.2.2

Werksgruppe Hotzenwald

Von Anfang an lag der Planung der mehrstufigen Werksgruppe Schluchsee die Idee zugrunde, das natUrliche Wasserdargebot durch eine Pumpspeicherung bestmoglich energiewirtschaftlich zu nutzen. Eine derartige hydraulische Energiespeicherung mittels Pumpen bot sich um so mehr an, als daB die ftir die Wasserkraftgewinnung genutzten Mittelgebirgsflusse im Sudschwarzwald im Frlihjahr und Herbst eine hohe Wasserflihrung aufweisen, wahrend der Hochrhein die meisten Abflusse in den Sommermonaten hat, die sich aufgrund der verzogerten Schneeschmelze in dessen Einzugsgebiet der Alpen einstellen. Hieraus ergibt sich fur eine optimale Betriebsfuhrung der Speicherkraftwerke eine wahrend des ganzen Jahres nahezu ausgeglichene Wassermengenbilanz. Weitere beachtliche Vorteile flir eine giinstige Wasserkraftgewinnung in dieser Region bedeuten das aus Gneis und Granit bestehende Grundgebirge als Baugrund fur die Stauwerke, StoUenleitungen und Kraftwerkskavemen, dann die in der Eiszeit freigelegten Tahnulden fiir Staubecken, femer der gegen Bodenerosion und Talsperrenverlandung schutzende Waldreichtum, schlieBlich der Steilabfall der Gebirgszuge zum Hochrhein bei uber 600 m betragenden Hohenunterschieden zwischen diesem und den obersten Talsperren bzw. Stauseen. Da seit der Grundung der Schluchseewerk AG im badischen elektrischen Verbundnetz dieser die Aufgabe einer Deckung des Strombedarfes in Spitzenlastzeiten zugewiesen war, d. h. die zum Ausgleich von Bedarf und Angebot notwendige Kraftwerks- bzw. Leistungsreserve vorzuhalten war, muBte die Planung der in Frage kommenden Wasserkaftanlagen auf deren stufenweisen Ausbau in Abstimmung mit der Versorgungssicherheit ausgerichtet werden. Ein derartiges, sich tiber Jahrzehnte hinweg erstreckendes Baukonzept wurde im Rahmen einer Gesamtplanung fur den wasserreichen Sudschwarzwald zwischen den FluBgebieten Mettma und Schlucht im Osten und der Wehra im Westen entwickelt, so daB zur vorerwahnten Werksgruppe Schluchsee mit drei Ausbaustufen die Werksgruppe Hotzenwald in rund 15 km Entfemung mit einer Reihe inzwischen ausgefuhrter und zukiinftiger Ausbaustufen hinzugetreten ist. 21.2.3

Merkmale des Pumpspeicherbetriebes

Fiir die in Abb. 21.1 im Lageplan dargestellten beiden Werksgruppen Schluchsee und Hotzenwald gehen aus der Tabelle 21.1 aufschluBreiche Hauptdaten flir bisher realisierte Kraftwerksstufen hervor. Die beiden sich auf den Hotzenwald beziehenden Ausbaustufen sind die Unterstufe Sackingen mit dem Oberbecken Eggberg und dem Kavemenkraftwerk Sackingen sowie die Hombergstufe mit dem Oberbecken Homberg und dem Kavemenkraftwerk Wehr. Die genannten Kraflwerke Sackingen und Wehr sind Pumpspeicherwerke im Tagesbetrieb, bei denen das dem jeweiligen Oberbecken entnommene Wasser fiir den Turbinenbetrieb nach Moglichkeit vollstandig in der Folgenacht oder resthch

760

21 Ausfuhrungsbeispiele

am Wochenende durch Hochpumpen wieder ersetzt wird. Das Pumpspeicherwerk Sackingen entnimmt das zu pumpende Wasser aus den beiden Stauraumen des FluCkraftwerkes Sackingen bzw. des nachfolgenden FluBkraftwerkes RyburgSchworstadt am Hochrhein. Das Pumpspeicherwerk Hombergstufe mit dem Kavemenkraftwerk Wehr verfugt dagegen iiber ein eigenes Unterbecken im FluBtal der Wehra. Tabelle 21.1: Hauptdaten der Kraftwerksstufen der Schluchseewerk AG [21.1]/[21.3] IWerksgruppe lAusbaustufe IlKraftwerk lllnbetriebnahme RohfallhOhe (gemittelt) llAnzahl der Maschinensatze llNenndrehzahl llTurbinenausbauwassermenge llinst. Turbinenleistung llinst. Generatorenleistung llPumpenantriebsleistung llPumpenforderwassermenge llAnlagengesamtwirkungsgrad llOberbecken mit [Nutzinhalt

lUnterbecken

bberstufe Hausem

Schluchsee Mittelstufe Witznau

Unterstufe Waldshut

1931 205 m

1943 250 m

1951 160 m

Hotzenwald | Unterstufe Hombergstufe 1 Wehr (KaverSackingen ne) 1 (Kaverne) 1967 1976 413 m 626 m

4 (vertikal)

4 (vertikal)

4 (horizontal)

4 (horizontal) 4 (horizontal) I

333 1/3 min' 80 mVs

333 1/3 min' 120 mVs

250 min"* 140 mVs

600 min"^ 96 mVs

600 min'^ 180 mVs

144 MW

220 MW

176 MW

353 MW

992 MW

145 MVA

235 MVA

176 MVA

472 MVA

1160 MVA

104 MW

128 MW

80 MW

301 MW

1000 MW

40 mVs

40 mVs

40 mVs

70 mVs

144 mVs

57 %

60%

63%

76%

77 %

Schluchsee (lOSMio.m^)

Schwarzabecken Witznaubecken EggbergHomberg11 (1,3 Mio. m^) becken (1,35 Mio. m^) Becken Albbecken (2,0 Mio. m^) (4,4 Mio. m^) (2,2 Mio. m') Mettmabecken (1,7 Mio. m^) Schwarzabecken Witznaubecken Rhein Rhein Wehra-Becken||

Diese beiden Wasserkraftanlagen der Kraftwerksgruppe Hotzenwald haben ftlr den gesamten Pumpspeicherbetrieb einen Wirkungsgrad von 16 bzw. 77 % (s. Tabelle 21.1). In welch beachtlicher Weise sich hierdurch UberschuBstrom in Spitzenstrom durch die hydraulische Pumpspeicherung veredeln laBt, wird durch die Tatsache belegt, daB ftir 1 kWh hochwertiger Tagesenergie lediglich ca. 1,30 kWh Pumpstrom aus der nachtlichen Schwachlastzeit aufzubieten sind. Bei der Werksgruppe Schluchsee sind es im Mittel 1,65 kWh Pumpstrom. Aus der KraftwerksUbersicht in Tabelle 21.1 geht hervor, daB sich die installierte Leistung fiir den Turbinenbetrieb auf 540 MW fiir die Werksgruppe Schluchsee und 1.345 MW ftir die Werksgruppe Hotzenwald, somit auf insgesamt 1.885 MW verteilt. Die Zahlenwerte ftir die Pumpenantriebsleistung sind entsprechend 312 MW fur die Werksgruppe Schluchsee sowie 1.301 MW ftir die Werksgruppe Hotzenwald, d. h. insgesamt 1.613 MW.

21 Ausftihrungsbeispiele

761

Da die Werksgruppe Schluchsee sowohl natiirliche Zuflusse in erheblichem MaCe als auch Pumpwasser aus dem Hochrhein fur die Stromerzeugung nutzt, handelt es sich um eine mit der Pumpspeicherung kombinierte Speicherkraftwerkskette, wahrend die beiden Kavemenkraftwerke Sackingen und Wehr reine Pumpspeicherwerke darstellen. Im Falle Sackingen tritt der natiirliche ZufluB aus den drei Bachfassungen stark hinter die Pumpwassermenge zuriick. Der Einsatz der in Tabelle 21.1 ausgewiesenen, von der Lastverteilerwarte Kiihmoos femgesteuerten 20 Maschinensatze beider Werksgruppen erfolgt beim Turbinen-Generator-Betrieb in standiger Anpassung an den Sollwert der Leistungsfrequenzregelung. Neben dieser Frequenzhaltung im Zuge der automatischen Wirkleistungsregelung und neben der Veredelung von UberschuBenergie in Schwachlastzeiten stellen sie erhebliche Leistungsreserven flir etwaige Storungen im Stromversorgungsnetz oder gar bei Leistungsausfall anderer Kraftwerke im Verbundnetz dar. Auch tragen die Maschinengruppen zur Blindleistungsvorhaltung und Blindleistungsdeckung fiir die Kompensation von Wechselstromverlusten in den Uberlandleitungen bei. Aufgrund dieses fur Pumpspeicherwerke typischen Aufgabenspektrums sind fiir die installierten 20 Maschinensatze jahrlich etwa 50.000 Wechsel der Betriebsarten zu verzeichnen. Ein charakteristisches Betriebsdiagramm fiir die Belastung eines Maschinensatzes im Turbinen- und im Pumpenbetrieb ist in Abb. 17.5 wiedergegeben. Fur die zwischen 1928 und 1976 errichteten flinf Wasserkraftwerke im Hochschwarzwald, im Hotzenwald und am Hochrhein und ffir die 220/3 80-kVSchaltanlage wurden insgesamt ca. 560 Mio. € aufgewendet. Ungeachtet betrachtlicher Kostensteigerungen war es allein mit verbesserten, wirtschaftlichen Baumethoden und mit standig vergroBerten Leistungseinheiten moglich, die spezifischen Baukosten bei alien Ausbaustufen auf den ungewohnlichen Wert von weniger als etwa 300 €/kW installierter Kraftwerksleistung zu beschranken. 21.3

Kraftwerksgruppe Schluchsee

Das aus dem Anfang der 20er Jahre ausgeschriebenen Wettbewerb hervorgegangene GroBprojekt der Schluchseewerk AG sah die drei Kraftwerksstufen Hausem als Oberstufe, Witznau als Mittelstufe und Waldshut als Unterstufe vor. Das zugehorige Talsperrensystem ist aus Abb. 21.1 zu entnehmen. Den Langsschnitt zeigt Abb. 21.4. Wie aus Tabelle 21.1 ersichtlich, erstreckte sich die Bauausfuhrung auf iiber zwei Jahrzehnte, fiir die bei vorausschauenden Planungsablaufen Bau- und Betriebsphasen festzulegen waren. Die Ausbaustufen wurden von oben nach unten verfolgt. Der ursprtingliche Schluchsee entstand in der letzten Eiszeit (Wiirmeiszeit), und sein Wasserspiegel erreichte ein Niveau von 900 m ii. NN. Durch eine am Ende der Gletscherwanne errichtete, 64 m hohe Schwergewichtsstaumauer konnte der Schluchsee um 30 m angehoben, seine Lange bei Vollstau von 3,0 auf 7,5 km, damit die Spiegeloberflache auf 5,17 km^ ausgedehnt und das Staubecken zu einem Jahresspeicher von 108 hm^ Nutzinhalt ausgebaut werden. Der Schluchsee erhalt seinen nattirlichen ZufluB hauptsachlich durch einen 10 km langen, sowohl als offene Hangleitung als auch als Stollen angelegten Freispiegelkanal, an den

762

21 Ausfuhrungsbeispiele

zahlreiche Bachfassungen im ostlichen Feldbergbereich angeschlossen sind. Das auf diese Weise erheblich erweiterte Einzxigsgebiet liefert einen mittleren JahreszufluB von91 hm^ Sägenbächlefassung 1.001,3 m ü. NN 1.100-T 1.000"^ 900800700600500400300200-

Windgfällweiher 966.5 m ü. NN

m ü . NN - 1.100 ~ 1.000 Wasserschloß - 900 800 474,5 m ü. NN / - 700 - 600 Rhein _ 500

Wasserschloß 723,0 m ü . N N

Mettmabecken 717,.5mü.NN

736,5 Albbecken KWHäusern mit Schwarzabecken

KWWitznau KWWaldshut

• 400 300 - 200

Oberstufe Häusern

^

Mittelstufe Witznau

Unterstufe Waldshut

Abb. 21.4: Langsschnitt der Werksgruppe Schluchsee [21.3] Der Schluchsee ist mit dem 210 m tiefer liegenden Kraftwerk Hausern iiber den 6,2 km langen Schluchsee-Schwarza-Stollen verbunden. Im Jahr 1994 wurden an diesem Stollen Undichtigkeiten aufgrund der permanenten Wechselbelastungen in Form von Langsrissen in dem Bereich festgestellt, in dem die Auskleidung am Stollenende von Beton auf Stahl ubergeht. Nachdem eine Zementinjektion nicht den gewunschten Erfolg brachte, wurden im Fruhjahr 1998 auf einer Lange von 150 m ab der bestehenden Panzerung in Richtung des Oberwassers eine neue Panzerung eingezogen und der verbleibende Hohhaum zwischen neuem Stahlrohr und bestehender Betonauskleidung ausbetoniert. Das in Abb. 21.5 dargestellte, ca. 80 m hohe SchachtwasserschloB leitet zum gepanzerten Druckstollen iiber, der sich beim Austritt aus dem Gebirge iiber ein Hosenrohr in zwei Hangrohrleitungen von 3,0 m Durchmesser, im unteren Bereich von 2,5 m Durchmesser aufteilt. Zur Sicherung der Hangrohrleitungen dienen je zwei Drosselklappen als SchnellschluB- und NotschluBorgane. Diese Rohrleitungen gehen innerhalb des Krafthauses in vier Turbinenleitungen iiber, die maximal 80 m^/s den vertikalachsigen Maschinengruppen zufiihren. Die vier Maschinensatze (s. Abb. 14.30b) bestehen je aus dem Synchron-MotorGenerator, der Spiralturbine und aus einer kuppelbaren Hochdruck-Speicherpumpe. Das dem Kraftwerk vorgelagerte Tagesausgleichsbecken Schwarza fai3t 1,4 Mio. m^. Zusatzlich zum verarbeiteten Wasser aus dem Schluchsee nimmt das Schwarzabecken das von der Mittelstufe Witznau hochgepumpte Wasser auf, ebenso die natiirlichen Zufliisse aus den Beileitungen von den Fliissen Alb und Schwarza. Die Nutzung der Alb, die einen mittleren JahreszufluB von 120 hm^ hat, stellt die bedeutendste Beileitung dar, wofiir ein Speicherbecken mit 2,2 hm^Nutzinhalt unterhalb von St. Blasien angelegt worden ist. Das Kraftwerk Witznau ist als 250 m tiefer liegende Mittelstufe an das Schwarza-Unterbecken des Kraftwerkes Hausem durch einen 9,2 km langen Druckstollen von max. 5,0 m Durchmesser angeschlossen. Oberhalb des zugehorigen, etwa 75 m hohen Schachtwasserschlosses miinden zwei Verbindungsstollen zum Speicherbecken der Beileitungen Mettma ein. Eine auBergewohnliche Losung fanden Staumauer und Kraftwerk, die aufgrund des dort sehr engen Schwarzatales zu einem Bauwerk zusammengefaBt worden sind (s. Abb. 21.6). Das den

21 Ausfiihrungsbeispiele

763

vier vertikalachsigen Maschinengruppen zugefiihrte Turbinenwasser wird in das fluBaufwarts gelegene Witznaubecken abgeleitet. Die am tiefsten sitzenden, durch eine Kupplung von den Turbinen abtrennbaren Pumpen erfahren einen hohen Zulaufdruck ungeachtet der durch die Talenge bedingten, groBeren Wasserspiegelschwankungen. Auf der Staumauerkrone sind die vier MaschinenTransformatoren und die 110-kV-Schaltanlage angeordnet. ^

Schnitt B-B

Schnitt A-A

- 160 m

Waldshut j ^ i J ^rf i

1-

fB

Häusern

- 120 m - 100 m

Säckingen - 80 m E — 60 m

JL

• 40 m

A

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20 m II

0m

Abb. 21.5: Wasserschlosser der Schluchseewerk AG [21.1] Die Verbindung zwischen der Mittelstufe Witznau und der Unterstufe Waldshut schlieBlich wird durch den 9,5 km langen Rheintal-Stollen mit max. 6,0 m Durchmesser iiber eine 160 m betragende Fallhohe hergestellt. Das die DurchfluBund Druckschwankungen ausgleichende SchachtwasserschloB vor dem Kraftabstieg hat eine Hohe von ca. 160 m und einen Durchmesser von 14 m (s. Abb. 21.5). Fur den groBten Teil des durch feste und dichte Granite, Gneise und Kalksteine laufenden Druckstollen war eine Ausgleichsbetoninnenschale ausreichend. Fiir einen knapp 500 m betragenden Streckenabschnitt wurde eine Ringvorspannung notwendig, wahrend die gesamte Abstiegsstrecke zum Krafthaus eine Stahlblechpanzerung erforderte (s. Abb. 21.7). Fiir das Kraftwerk Waldshut bot sich eine iibersichtliche, horizontalachsige Anordnung von Turbmen, Pumpen und Generatoren an, da die als Unterbecken wirkende Stauhaltung des Hochrhein-Laufwasserkraftwerkes Albbruck-Dogem geringe Wasserspiegelschwankungen sicherstellt. Bei den vier gleichartigen Maschinengruppen befindet sich der Generator zwischen Turbine und Pumpe. Die Pumpenfbrdermenge ist wie bei der Mittelstufe und der Oberstufe 4 x 1 0 m^/s, so daB je nach Verfugbarkeit und Bedarf Rheinwasser durchgehend bis hinauf in den Schluchsee hochgepumpt werden kann.

764

21 Ausfuhrungsbeispiele

Abb. 21.7: Stollenquerschnitte des Rheintal-Stollens: a) Regelquerschnitt; b) Vorspannstrecke; c) Panzerstrecke [21.3] Mit der 1951 erfolgten Inbetriebnahme der Unterstufe entstand eine hydraulische Kopplung eines Laufsvasserkraftwerkes am Hochrhein mit den Hochdruckanlagen der Speicherkette. Das FluBkraftwerk Albbruck-Dogem gehort zu den 12 Laufwasserkraftwerken am Hochrhein auf der FluBstrecke zwischen Bodensee und Basel (s. Abb. 2.1), auf der von 1933 bis 1951 der Kraftwerksbetrieb mit konstantem Oberwasser erfolgte. Durch den AnschluB an die Pumpspeicherkraftwerkskette Schluchsee wurde nunmehr ein Ausgleichsspeicher von 1,0 hm^ Inhalt als Unterbecken des Kraftwerkes Waldshut erforderlich. Dieses geschah durch einen erhohten Anstau um 50 cm. Das Kraftwerk Albbruck-Dogem iibemahm hierbei die Aufgabe, die durch den Kraftwerksbetrieb Waldshut verursachten Schwankungen im RheinabfluB durch entsprechende Bewhtschaftung des Stauraumes auszugleichen. Jedoch trat nach rund zwei Jahrzehnten insofem eine gravierende Anderung in dieser Wassermengenbewirtschaftung ein, als daB im Falle von Storungen zeitweise im Grundlast- und im Mittellastbereich die Werksgruppe

21 Ausfiihrungsbeispiele

765

Schluchsee 12 Stunden und langer im Turbinenbetrieb gefahren werden muBte. Auch verlagerten sich zusehends die Pumpzeiten von den werktaglichen Nachten auf das Wochenende. Ebenso erforderte die automatische Frequenzregelung eine Ausdehnung der Wasserspeicherung und eine angepaBte Wasserbewirtschaflung. Als Abhilfe dieser Zwangspunkte wurde ein 2,2 hm^ groBes Speicherbecken zwischen dem Oberwasserkanal des Ausleitungskraftwerkes Albbruck-Dogem und dem ursprunglichen FluBlauf des Rheines geschaffen. Dieses sogenannte Aubecken laBt eine 10 m groBe Wasserspiegelbewegung zu. Die Beckensohle liegt 2,5 m tiefer als die Sohle des Oberwasserkanales. Der tiefste Wasserstand im Rhein befindet sich in Hohe der Beckensohle. Es ist in vortrefflicher Weise gelungen, durch standortgerechte Anpflanzungen die Umfassungsdamme des neu geschaffenen Aubeckens in das ortliche Landschaftsbild gut einzuftigen und sogar in seiner Gesamtheit hieraus ein Vogelparadies entstehen zu lassen. Das hochste Hochwasser im Rhein erreicht nahezu das Stauziel des Aubeckens. Das am ostlichen Beckenende angeordnete Einlauf- und Auslaufbauwerk erlaubt eine Wasserableitung von 140 mVs aus dem Oberwasserkanal, d. h. gerade den vom Kraftwerk Waldshut abgegebenen TurbinenabfluB im Vollastbetrieb der Schluchseespeicherkette [21.4]. Die umfangreichen BaumaBnahmen fur die Werksgruppe Schluchsee, die zum Teil in die auBerordentlich schwierigen Jahre der Weltwirtschaftskrise 1929/1932 und hemach des Zweiten Weltkrieges fielen, bildeten fur die Region einen erheblichen Wirtschaftsfaktor. In energiewutschaftlicher Hinsicht ist ebenso bemerkenswert, daB mit einem 1,0 m^ dem Schluchsee entnommenen Wassers, das jahrlich mehrfach durch natiirlichen ZufluB und Hochpumpen von Rheinwasser umgesetzt wird, in den drei Kraftwerksstufen zusammen 1,3 kWh Spitzenstrom erzeugt werden konnen. Aufgrund des Mittelgebirgscharakters vor allem der funf Speicherbecken der Werksgruppe Schluchsee fallt dort je nach Wasserftihrung standig Geschwemmsel hochst unterschiedlicher Menge und Qualitat (Laub bis zu kompletten Nadelbaumen) an. Auf die Dauer befriedigte die bisherige Entnahme desselben einerseits in angelegten Vorsperren sowie andererseits in den Speichem selbst mittels Greifbaggem nicht und so wurde nach einer anderen Losung gesucht. Da das anfallende Geschwemmsel zum groBten Teil erne Lange von unter 2 m aufweist und im Schluchsee noch zusatzlich schwimmende Torfinseln auftreten, die aus einem iiberstauten Moorbereich stammen, kam der Gedanke auf, em schwimmendes Aufhahmegerat zu konzipieren. Dieses Geschwemmselaufhahmegerat soUte einerseits auf zwei herkommlichen LKW transportiert und mittels eines normalen Kranes zusammengebaut und ins Wasser gesetzt werden konnen, damit nur ein Gerat fiir alle Speicher beschafft werden muB. Zum anderen sollte das Fahrzeug die unterschiedlichen Arten von Geschwemmsel erfassen und zu Uferbereichen bringen konnen, die fur einen Abtransport geeignet sind. Die ersten Einsatze des 1998 in Betrieb genommenen Geschwemmselaufiiahmegerates haben diese Uberlegungen bestatigt (s. Abb. 21.8).

766

21 Ausfiihrungsbeispiele

Abb. 21.8: Funktionsprinzip des schwimmenden Geschwemmselaufnahmegerates [21.5] 21.4

Kraftwerksgruppe Hotzenwald

21.4.1

Pumpspeicherwerk Sackingen

In den ersten Nachkriegsjahren trat mit dem Wiederaufbau der Bundesrepublik Deutschland eine sturmische Wirtschaftsentwicklung ein, die mit einem wachsenden Energiebedarf einherging. So sah sich auch die Schluchseewerk AG vor die Aufgabe gestellt, die Wasserkraftnutzung zu verstarken und erhohte installierte Kraftwerksleistungen bereitzustellen, um alien Anforderungen im Erzeugungs-, Pump- und Regelbetrieb geniigen zu konnen. Anstelle einer weiteren Wasseriiberleitung aus den westlichen FluBgebieten der Wehra, des Ibaches und der Murg zu der Werksgruppe Schluchsee fiel zu Anfang der 1950er Jahre die Entscheidung zugunsten einer selbstandigen Werksgruppe im Hotzenwald unter Ausnutzung der genannten Wasserlaufe. Diese wurde in ihren Grundztigen einer zu verknupfenden Speicherkette mit naturlichen Zufliissen und Pumpwasser ahnlich der Werksgruppe Schluchsee konzipiert, wie ein sich auf Abb. 21.1 stUtzender Vergleich inzwischen ausgefiihrter und geplanter Wasserkraftanlagen deutlich zeigt. Aufgrund der eindrucksvollen Fortschritte in der Entwicklung leistungsstarker Turbinen, Pumpen und Generatoren konnten wesentlich groBere Fallhohen und Ausbauwassermengen in jeder Kraftwerksstufe in Betracht gezogen werden, wie gleichfalls der tabellarischen Zusammenstellung der Hauptdaten entnommen werden kann (s. Tabelle 21.1). In den natUrlichen Voraussetzungen von Wasservorkommen, Gefalleunterschieden und Baugrund ergaben sich fiir die beiden Werksgruppen Schluchsee und Hotzenwald kaum Unterschiede. Hinsichtlich der Gelandemorphologie sind jedoch bei den Schluchseewerksanlagen ausgesprochene FluBtaler bestimmend gewesen und die Bauentwicklung orientierte sich im wesentlichen langs des Schwarzatales. Die Landschaft des Hotzenwaldes zeichnet sich dagegen eher durch Hochflachen zwischen Talniederungen aus. Entsprechend ist der Ausbau der Werksgruppe Hotzenwald gepragt durch Speicherbecken und Kraftwerksstandorte in verschiedenen FluBgebieten und durch diese verbindende Triebwasserstollen. Der Steilabfall vom Hotzenwald zu den FluBtalem des Hoch-

21 Ausfuhrungsbeispiele

767

rheines und der Wehra legte bei bestens geeigneten Felsformationen den Bau von Kraftwerkskavemen mit unterirdischer Stollenflihrung nahe. Im Jahre 1962 wurde der Bau der Unterstufe Sackingen in Angriff genommen, ebenso wie der Neubau des Laufwasserkraftwerkes Sackingen im Hochrhein durch die Rheinkraftwerk Sackingen AG (s. Abb. 21.9 in Verbindung mit Abb. 21.2). Die Stauhaltung dieses Flui3kraftwerkes bildet zusammen mit der nachfolgenden Stauhaltung Ryburg-Schworstadt das bewirtschaftbare Unterbecken des Speicherkraftwerkes Sackingen mit hauptsachlichem Pumpspeicherbetrieb. Bin Novum in Deutschland bedeutete der Ausbruch der 160 m langen, 30 m hohen und 20 m breiten Maschinenkaveme, die als Spiegelbild fortgeschrittener Felsmechanik und modemen Felsbaues zu werten ist. Das 410 m tiber der Kaveme liegende Oberbecken Eggberg mit 2,0 hm^ Nutzinhalt ist durch einen senkrechten Druckschacht mit 4,7 m Ausbruch- bzw. 4,3 m Innendurchmesser verbunden. Bin insgesamt 12,5 km langer Stollen dient der Wasserzuleitung aus dem Ibach, der Murg und aus dem Dorfbach zu diesem ovalen Staubecken auf 700 m u. NN. Beileitungsstollen

Eggbergbecken

|Kabelschrägschacht Kabel- und -^en^ Belüftungsstoll^ Abb. 21.9:

Schematische Darstellung des Pumpspeicherwerkes Sackingen [21.3]

Die vier horizontalachsigen Maschmengruppen weisen eine Turbinenleistung von 353 MW und eine Pumpenleistung von 301 MW auf. Der Pumpenforderstrom betragt mit 70 m^/s ca. zwei Drittel des Turbinendurchflusses von 96 m^/s. Zu diesem Verhaltnis des kleineren Forderstromes zu dem grofien TurbinendurchfluB kommt hinzu, daB der Unterwasserstollen mit ca. 2,0 km Lange relativ kurz ist und daher die Stollenreibung zur Dampfung der Massenschwingungen bei oft ungiinstigen, raschen Lastanderungen der Turbinen und der Speicherpumpen klein ausfallt. Die in Abb. 21.5 bzw. Abb. 21.9 wiedergegebene Schwallkammer innerhalb des Unterwasserstollens Sackingen stellt ein ungedrosseltes Wasserschloi3 dar. Die untere Kanmier mit einem Durchmesser von 6,8 m faBt 6.700 m^ Wasser, dagegen konnte die obere Kammer wegen des im Durchmesser von 11,5 m relativ groBen Speicherschachtes entfallen. Der Querschnitt des Steigschachtes ist damit 3,5mal so groB als der nach Thoma zu beachtende Mindestquerschnitt. Auch sind

768

21 Ausfiihrungsbeispiele

die Wasserspiegelandemngen im Unterbecken, d. h. in der Stauhaltung des Flui3kraftwerkes Sackingen klein. Die Krafthauskaveme wird iiber einen 1,6 km langen Zufahrtsstollen erreicht. Die erzeugte elektrische Energie wird unterirdisch iiber 235-kV-Oldruckkabel und dann oberirdisch iiber eine Freileitung zur nahegelegenen Freiluftschaltanlage Kiihmoos geleitet. Eine Besonderheit ist schlieBlich, daB ein Uberschwingen beim UnterwasserschloB durch eine elektromechanische Schutzeinrichtung verhindert werden kann, die im Falle systemgefahrdender Schwingungsphasen das weitere Offiien des Turbinenleitapparates bzw. das Offiien der vor den Pumpen angeordneten Kugelschieber unterbindet. Als weitere SchutzmaBnahme weist das WasserschloB am abgewandten Ende der Unterkammer einen Querstollen auf, der eine Verbindung zwischen den beiden Hauptasten der unterwasserseitigen Verteilerharfe, dem WasserschloB und dem Unterwasserstollen herstellt. Mit dieser Losung wird eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Unterwassersysteme durch DruckstoBe verhindert.

Abb. 21.10: Speicherpumpe Sackingen: a) alte Back-to-back-Pumpe [21.3]; b) neue Speicherpumpe [21.6] Im Jahr 1994 ist die alteste der vier einflutigen, zweistufigen Speicherpumpen im Kavemenkraftwerk Sackingen durch eine neue Maschine ersetzt worden. Ihre aus einer mehrjahrigen Entwicklungs- und Konstruktionszeit hervorgegangenen, beachtlichen Vorteile liegen vor allem in dem um 20 % angehobenen Forderstrom, in dem erheblich verbesserten Kavitationsverhalten und in der Begrenzung der Pumpenanfahrleistung auf die bisher im Anfahrwandler abgegebene Leistung von 38 MW. Da auBerdem auf die bestehenden Maschinenfiindamente im AnschluBbereich der ober- und unterwasserseitigen Kugelschieber wie auch auf den verfligbaren Platz innerhalb der Maschinengruppe Riicksicht zu nehmen war, wurde hierfiir eine einflutige, einstufige Speicherpumpe mit fliegendem Laufi*ad konzipiert. Schwierigste Einbaubedingungen einschlieBlich des zugehorigen neuen Pumpenfimdamentes ergaben sich nicht zuletzt dadurch, daB die drei iibrigen Maschinensatze weiterhin in Betrieb gehalten werden muBten. In der Abb. 21.10 ist neben der alten auch die neue Speicherpumpe im Querschnitt dargestellt.

21 Ausfiihrungsbeispiele 21.4.2

769

Pumpspeicherwerk Hornbergstufe

21.4.2.1 Ubersicht Im Jahre 1969 wurde der BaubeschluB fiir das Pumpspeicherwerk Hornbergstufe mit dem Oberbecken Romberg, dem Kavemenkraftwerk Wehr und dem Unterbecken Wehra gefaBt. Diese im Jahre 1976 in Betrieb gegangene Wasserkraftanlage stellt die leistungsstarkste imierhalb der Schluchseewerk AG dar, indem die wiederum auf vier Maschinengruppen ausgelegte Turbinenleistung 992 MW und die Pumpenleistung 1.000 MW betragen. Diese erklaren sich aus der in einer Kraftstufe genutzten Fallhohe von max. 653 m und aus den Durchfliissen von 180 m^/s im Turbinenbetrieb und 144 m^/s im Pumpenbetrieb, die insgesamt auBergewohnliche Entwurfsdaten darstellen und die emeuten groBen Fortschritte in Bau- und Maschinentechnik unterstreichen.

Hornberg\ " Ehwaldbrücke Druckschacht

/Grabenwaldtunnel

.

^•^w

Hornbergbecken I / Grabenwaldbriicke

Wehra-Becken 419mü.NN V = 4.100.000 m³

r, r ^

n

^•ü•^•^•^^ ^Zufahrtsstollen

^

, Betriebsgebäude

C KavernenKraftwerk Wehr 3 3 0 m ü . NN

Kabel- und Belüftungsstollen Wehratalstraße

^ ^.

^ Unterwasserstollen ^- 400-kV-Freileitung zur Schaltanlage Kühmoos

/ " ^ Wehrastollen '> W e h r a t a l s p e r r e mit neuer Kleinwasserkraftanlage

500

0

1000 m

(Sperrenkraftwerk) m+NN

_ ^ - , —1.000 Hornbergbecken —

Energieleitungsstollen Unterwasserstollen

900

800

700

Druckschacht —

600

—

500

—

400

—

300

WehraBecken

Kavernenkraftwerk Wehr

Abb. 21.11: Lageplan (oben) und Langsschnitt (unten) der Hornbergstufe [21.1]/[21.3] Aus dem schematischen Langsschnitt in Abb. 21.11 gehen die Anlagenkomponenten hervor. Hiemach ist auf der Kuppe des Lang Ecks bei Homberg ein ktinst-

770

21 Ausfiihrungsbeispiele

liches Staubecken mit Stauziel 1.048,00 m ii. NN als 4,4 hm^ fassendes Oberbekken angelegt. Ein gepanzerter, 1,4 km langer, unter 31,5° geneigter Druckschacht von 5,5 m lichten Durchmesser, der am unteren Ende in acht Stichleitungen von 2,5 m Durchmesser iibergeht, stellt die Verbindung zu den vier Maschinensatzen her. Diese wurden wiederum in der 219 m langen, 35 m hohen und 19 m breiten Kraftwerkskaveme horizontalachsig angeordnet. Die Einzelheiten von StoUenftihrung, WasserschloB, Schieber- und Transformatorenkaveme, sowie Maschinenkaveme sind aus Abb. 21.12 und 21.13 zu ersehen. Die Kraftwerkskaveme wird durch einen 1,3 km langen Zufahrtsstollen mit 34 m^ Ausbruchquerschnitt und einer Neigung von 7 % erreicht. Zufahrtsstollen Energieleitungsstollen

Obei^assen^eikohrleitiing

Pumpe Kupplung Generator Energie(X~IZ~X\ leitungsstollen \\ Schieber- und Trafokaveme OberwasserVerteilrohrleitung

Maschinenkaveme

^ t Schragschacht fur GeneratorI ""^>.s^^ " ^ > ^ ableitung 14,5 m

Unterwasser35,3 m Verteilrohrleitung yWindkessel

r

SI

VerschluCorgan

Abb. 21.12: Kavemenkraftwerk Wehr: GrundriB und Langsschnitt [21.3] Uber einen 1,5 km langen Unterwasserstollen mit 7 m Durchmesser und einem maximal 15,8 % betragenden Gefalle auf der Abstiegsstrecke wu*d das Triebwasser in das Wehra-Becken geleitet. Mit diesem unterwasserseitigen Stollen steht ein Zweikammer-WasserschloB in Verbindung (s. Abb. 21.5), das im Vertikalschacht eine Drossel enthalt. Das im FluBlauf der Wehra durch einen 40 m hohen Steinschiittdamm mit Asphaltbeton-AuBendichtung aufgestaute Unterbecken fafit 4,1 hm^ bei einem Stauziel von 419,00 m ii. NN. Die Stromungsverhaltnisse im Einlaufturm, der geneigten Druckschachtstrecke als auch der Verteilrohrleitung wurden in ausfuhrlichen Modellversuchen untersucht und damit die bauliche Ausgestaltung optimiert.

21 Ausfiihrungsbeispiele

771

Uber SF6-Gas geflillte 400-kV-Rohrschienen durch einen weiteren Schragschacht von 636 m Lange und dann mit einer 400-kV-Freileitung wird die elektrische Energie zur Schaltanlage Ktihmoos geleitet (s. Abb. 16.22).

Abb. 21.13: Kavemenkraftwerk Wehr: Ansicht [21.3] Die beim Speicherkraftwerk Sackingen gesammelten Erfahrungen sind flir die nachfolgende Wasserkraftanlage Hombergstufe von groBem Wert gewesen und ermoglichten eine rasche Verwirklichung dieses auBerordentlich leistungsstarken Pumpspeicherwerkes, das innerhalb von sieben Jahren erstellt werden konnte. Einige Besonderheiten in der Fortentwicklung optimaler BaumaBnahmen und maschinentechnischer Ausrtistung sind in den nachfolgenden Absatzen beschrieben. 21.4.2.2 Konstruktive Gestaltung von Oberbecken und Unterbecken Ahnlich wie das Eggberg-Becken entstand das geometrisch einfach geformte Homberg-Oberbecken durch eine ringformige Dammschiittung aus insgesamt 2,2 hm^ Granit und Gneis einschlieBlich deren Zersatz, die bis zu 33 m tief auf der langgestreckten Bergkuppe ausgehoben wurden. Die groBte Hohe des Erd- und Steinschuttdammes betragt 65 m (s. Abb. 21.14). Die Flachen von Beckensohle und Innenboschungen erhielten eine einlagige Asphaltbeton-Oberflachendichtung mit Binderschicht und Kiesfilter (s. Abb. 21.15), womit die verbesserte Einbautechnik gegenuber dem Eggberg-Becken mit mehrlagigen Asphaltbetonschichten zum Ausdruck kommt. Die gemessenen Leckwassermengen liegen im allgemeinen unter dem Wert von 1 1/s. Die 400 m lange Hauptentwasserungsleitung, die aus Schleuderbetonrohren von 1.000 mm Durchmesser besteht, erstreckt sich von der in Abb. 21.14 erkennbaren Restentleerung bis zum gegeniiberliegenden Beckenrand. An diese sind 17 Samm-

772

21 Ausflihrungsbeispiele

ler zusammen mit den abschnittsweise verlegten Drainageleitungen zur Abfiihrung von Leckwassermengen aus der Filterschicht angeschlossen.

Abb. 21.14: Hombergbecken: Lageplan und Schnitt durch den Ringdamm in der Zugangsstollenachse [21.3] Der im westlichen Bereich des Hombergbeckens befindliche Einlaufturm ist anstelle einer Briicke durch einen Tunnel unter dem Steinschiittdamm und der Bekkensohle zuganglich. Der Nutzspeicherraum des Hombergbeckens ist mit 4,4 hm^ um 0,35 hm^ groBer als jener des Unterbeckens. Damit wird eine Speicherwasserreserve zum Ausgleich von Versickerungs- und Verdunstungsverlusten geschaffen.

Cu-Riffelblech 0,2 mm/ 600 mm breit in Mastix verlegt, vorgespritzt mit Haftkleber

Abb. 21.15: Dichtungsaufbau am Hombergbecken: a) Sohle mit AnschluB der Asphaltbetondichtung an die Betonbauwerke; b) Boschung [21.3]

21 Ausfiihrungsbeispiele

773

Fiir die Anlage des 4,1 hm^ groBen Unterbeckens Wehra stellte das enge WehraFluBtal nicht nur eine schwierige Aufgabe dar, sondem es muBten ebenso angesichts der bis zu 24 m betragenden Wasserspiegelschwankungen, die binnen acht Stunden bei Pumpenbetrieb zwischen Stau- und Absenkziel rasch erfolgen und eine Absenkgeschwindigkeit von 1,0 m in 20 min bedeuten, bestimmte Vorkehrungen getroffen werden. Die 25,1 ha groBe Beckenoberflache bei Vollstau erstreckt sich in Langsrichtung auf 2,5 km. Die Talhange langs des Staubeckens sind hinsichtlich Neigung und Untergrund unterschiedlich ausgebildet. Der steilere, bis zu 36° geneigte Osthang weist bis zu 10 m starke Hangschuttmassen auf standsicherem Felsuntergrund auf. In diesen war eine seither an der Talsohle dem FluB entlang fiihrende VerbindungsstraBe auf mehrere Kilometer Lange hangaufwarts zu verlagem. Weitere zu losende Aufgaben ergaben sich durch den Anstieg des Grundwasserspiegels innerhalb der Lockergesteinsschichten bis zur Stauhohe von 419 m ii. NN. Zur Hangsicherung kam eine Vorschiittung zur Ausfiihrung, die zusammen mit einer Filterschicht der rutschgefahrdeten Hangzone vorgelagert ist [21.7]. ^ Stauziel 419 m ü. NN Asphaltbetondichtung. Schotter

^^\y^

^ Absenkziel 395 m ü. NN Dammkern *

^\,^

•

\

Kiesfilter

175 m

Abb. 21.16: Schnitt durch den Damm des Wehra-Beckens [21.3] In Abb. 21.16 ist ein Schnitt durch den Damm des Wehra-Beckens mit dem 40 m hohen Steinschiittdamm einschlieBlich Asphaltbeton-AuBendichtung dargestellt. Des weiteren zeigt Abb. 21.15a eine vorbildliche Losung fur den wasserdichten AnschluB der Asphaltbetondichtung an Betonbauteile. Die begehbare, in den felsigen Untergrund eingebundene Herdmauer am wasserseitigen BoschungsfuB wurde zunachst vollig unabhangig von der Dammschtittung erstellt, woraus sich eine beachtliche Verkurzung der Bauzeit ergeben hatte. Die Wehra wird mit einem Mittelwasser von 2,7 m^/s durch das Wehra-Becken hindurch und mittels eines 300 m langen Umleitungsstollen von 3,7 m Durchmesser um die Wehra-Sperre herumgeleitet. Zur Abfuhrung groBer Hochwassermengen bis zu 160 m^/s (HHQ) ist der Umleitungsstollen mit Hosenrohr und vier Regulierschiebem (zwei Ringkolbenschieber, zwei Kegelstrahlschieber) im Auslaufbauwerk in der Lage. Die Regulierorgane haben auch die Aufgabe, Zufltisse bei veranderlichen Wasserstanden im Becken im Normalfall unverandert, d. h. mit den dynamischen Anderungen, an den Unterlauf abzugeben. Der AbfluB aus dem Wehra-Becken wird durch einen ProzeBrechner so geregelt, daB dieser etwa dem ZufluB in dasselbe entspricht und es gleichzeitig in diesem nicht zu Defiziten oder Uberschiissen des Speicherwassers fiir den Betrieb des Pumpspeicherwerkes Hombergstufe kommt.

774

21 Ausfiihrungsbeispiele

21.4.2.3 Druckschacht zwischen Oberbecken und Verteilrohrleitung Der das Oberbecken Romberg mit der oberwasserseitigen Verteilrohrleitung verbindende Druckschacht wurde in zwei Arbeitsgangen durch Bohren bei einer Steigung von 54,3 % auf 1,25 km Lange aufgefahren. Der restliche Schachtstreckenabschnitt von 83 m mit Kriimmerstrecke im Kavemenbereich entstand ebenso wie der vertikale Schacht mit Krlimmer unter dem Einlaufbauwerk auf herkommliche Weise. Die mit einer Vortriebsmaschine ausgefuhrte Pilotbohrung von unten nach oben hatte einen Durchmesser von 3,0 m. Im dieser Pilotbohrung folgenden Arbeitsgang wurde mit der umgertisteten Tunnelbohrmaschine der Querschnitt in entgegengesetzter Richtung auf 6,30 m Durchmesser aufgeweitet (Nachschnittverfahren). Der elektrisch du-ekt angetriebene Bohrkopf trug 26 BohrmeiBel, jeder mit 22 cm Durchmesser in Form eines Kegelstumpfes, der mit Hartmetallnoppen besetzt war. Die durchgehende Druckschachtpanzerung wurde auf einen Innendruck von max. 90 bar bei mittragender Wirkung des Gebirges und auf einen AuBendruck von 67 bar bemessen. Der Bemessungsdruck von 90 bar erklart sich aus der Fallhohe von 630 m und aus 17 bar Drucksteigerung bei Abschaltung von vier Turbinen. Etwas geringer ist die Drucksteigerung bei Abschaltung der vier Speicherpumpen. Zur Aufiiahme des hohen AuBendruckes erhielt die Rohrkonstruktion T-formige Ringversteifungen in Abstanden von 0,8-1,7 m bei Blechstarken von 46 mm am FuBe des Schragschachtes, bis 14 mm im oberen Bereich. Die abschnittsweise Hinterftillung der Druckschachtpanzerung erfolgte mit hinsichtlich FlieBverhalten, Verfullungsgrad und Selbstverdichtung optimierten Zementbeton. 21.4.2.4 Maschinenkaverne Die 219 m lange Maschinenkaverne hat oberhalb des Firstes eine Felstiberdeckung von bis zu 380 m. Dank umfangreicher geologischer, felsmechanischer und hydrologischer Voruntersuchungen mit einer Vielzahl einschlagiger MeBgerate und dank modemer Rechenverfahren mittels Finite-Element-Methoden konnten die Spannungs- und Verformungszustande im elastischen und elastoplastischen Bereich bei verschiedenen Bauzustanden als auch nach Fertigstellung der Kaveme vorab zutreffend geklart werden. Hierzu gehorte auch die Klarung jener Kavernenbereiche, die bei senkrechter Ausbildung der Wande von vomherein standsicher sind oder Spritzbetonschalen unterschiedlicher Starke sowie Felsverankerungen notwendig machten. Derartige Verankerungen wurden beispielsweise in die First- und Uhnenbereiche eingebracht. Damit wurde nicht nur eine hohe Sicherheit der Verbundkonstruktion aus Felsgestem, Systemankerung und Spritzbeton erreicht, sondem auch eine Abschirmung der Ausbruchsflachen und etwaiger Gesteinsauflockerungen. Daruber hinaus konnte man es sich erlauben, kn Gegensatz zur Kaveme Sackingen, bei der als Querschnitt ein angenahert elliptisches Profil gewahlt wurde, das elliptische Profil unterhalb des Montagebodens, also im unteren Drittel, zu verlassen und senkrechte Wande anzuordnen. Die Ausbmchsfolge von Kalotte bis zum Kavemenboden mit Strossenabschnitten und mit Setzen der insgesamt 82 Vorspannanker mit einer Tragkraft von je 1,7 MN geht aus Abb. 21.12 hervor. Die gesamten Ausbmchsmassen von 135.000 m^ fanden bei der Schiittung des Wehra-Dammes Verwendung. Die em-

21 Ausfuhrungsbeispiele

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gebrachten Betonmassen fur die Maschinenkaveme betrugen 1.500 m^ fiir Ausgleichsbeton und 25.000 m^ ftir Konstruktionselemente. 21.4.2.5 Maschinensatze Die Wahl der Maschinengruppen flel auf konventionelle Dreimaschinensatze, nachdem zunachst Pumpenturbinen erwogen wurden. Die Entscheidungskriterien waren neben Sicherheit, Zuverlassigkeit und Wirtschaftlichkeit vor allem kurze Betriebsubergangszeiten. Um letztere auf ein Minimum zu beschranken, wurde entschieden, Turbine und Pumpe vom Generator/Motor abkoppelbar auszufiihren und bei einem Wechsel von Turbinenbetrieb auf Pumpenbetrieb und umgekehrt stets gefiillt zu belassen. Damit bestehen die vier im Pumpspeicherwerk Wehr eingebauten, horizontalen Maschinengruppen aus Turbine, Kupplung, Synchronmaschine, Anfahrwandler mit Zahnkupplung und Speicherpumpe. Einmalig in der Welt war die Wahl einer Francis-Turbine bei einer mittleren Fallhohe von 625 m. Hierbei schieden Kavitationsprobleme aus, da die Einbautiefe durch die Speicherpumpe vorgegeben ist. Fiir letztere wurde eine zweistufige, zweiflutige Ausftihrung mit vier Laufradem gewahlt, da beim damaligen Stand der Technik bei einer einstufigen, einflutigen Pumpe mit nur einem Laufrad die Zulaufliohe um ca. 30 m zu vergroBem und hohere dynamische Auswirkungen zu erwarten gewesen waren. Welcher neuer Fortschritt mit groBvolumigen Speicherpumpen hervorragenden Betriebsverhaltens seither weiter erzielt worden ist, zeigt die im Kavemenkraftwerk Sackingen eingebaute, im Kapitel 21.4.1 naher beschriebene Maschine. Um die beachtlichen Vorteile leichter durchfuhrbarer Montagearbeiten und Revisionen, unmittelbarer Zuganglichkeit und geringeren Arbeitsaufwands im betrieblichen Ablauf zu nutzen, wurde trotz einer groBeren Lange der Maschinenkaveme eine horizontalachsige Anordnung der Maschinengruppen gewahlt. Die Gesamtanordnung emer Maschinengruppe geht aus dem Schnittbild in Abb. 21.18 hervor. Mit welchen kurzen Zeiten fiir einzehie Betriebsiibergange zu rechnen ist, zeigen die Abb. 21.17 sowie 14.31. Die Hauptabmessungen sind fiir die FrancisTurbine 2,69 m Eintrittsdurchmesser des Laufrades, fiir die Speicherpumpe 2,67 m groBter Laufradaustrittsdurchmesser. lOJ^ 1 Generator (Turbine)! 30 si (Volllast)

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Abb. 21.17: Betriebsubergangszeiten des Kavemenkraftwerks Wehr [21.1] Ober- und unterwasserseitig sind die Turbinen und Pumpen durch Kugelschieber, auch als Kugelhahne bezeichnet, geschiitzt. Hinzu kommt in der Sicherheitskonzeption der Hochdruckanlage ein sowohl als RevisionsabschluB als auch als NotabschluBorgan dienendes Zylinderschutz un Emlaufturm des Hombergbekkens. Die oberwasserseitig vor den Maschinen sitzenden Kugelschieber befinden sich in der Zufahrtskaveme und dienen gleichzeitig als Betriebs- und Notabsperrorgane.

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Diese Betriebs- und Notabsperrorgane miissen in der Lage sein, den hochsten Wasserstrom im Falle eines Rohrbruches abzusperren. Dieser betragt rechnerisch 300 w?/s. Dieselbe Regelung ist auch auf der Unterwasserseite getroffen worden, wo je ein Kugelschieber vor den Turbinenauslaufen und je zwei Kugelschieber vor den zweiflutigen Forderpumpen als Revisions- und Notabsperrorgane ausgebildet sind. Im Auslaufbauwerk schlieBt eine Rollschiitze mit der Abmessung 6,75 X 6 m als RevisionsabschluBorgan die Auslauf- bzw. Eintrittsoffiiung. 21.4.2.6 Generatoren und Transformatoren Die vier durch je eine Wasserturbine angetriebenen Synchrongeneratoren im Kavemenkraftwerk Wehr miissen als Motorgeneratoren im Turbinen-, Phasenschieber- und Pumpenbetrieb einsetzbar sein. Besondere Bedingungen sind dadurch gegeben, daB ein haufiger Wechsel der Betriebsart und der Belastung hauptsachlich infolge der Frequenzregelung - geschieht. Auch ist angesichts der notwendigen Spannungshaltung im landerUbergreifenden Verbundnetz die Blindleistung in bezug auf die Nenn-Wirkleistung zu beachten, die durch den Leistungsfaktor bestimmt wird. So wurden wiederum ftir das vorbildliche, leistungsstarke Pumpspeicherwerk Hombergstufe wie bei den vorausgegangenen Kraftwerken der Schluchseewerk AG neuartige Motorgeneratoren entwickelt, die mit der hohen Polleistung von 30MVA an das technisch Machbare heranreichen (G = 623 t; s. Abb. 16.16). Grundlegend konstruktive Anderungen erfuhren vor allem Stator und Rotor, die zumeist aus den hohen Fliehkraften bei einer Nenndrehzahl von 600 U/min herriihren. Die Standerwicklung und das Standerblechpaket sind direkt wassergekuhlt. Gegen DurchfluBstorungen durch Oxidablagerungen in den Hohlleitem hat sich eine Alkalisierung des Reinwassers bewahrt. Die Kiihlung der Lauferwicklung erfolgt hingegen konventionell mit Luft. Filr die Alternative der direkten Wasserkiihlung hatte eine spezielle Wasserzufuhrung mit radialer Zustromung entwickelt werden miissen, da das Fehlen von freien Wellenenden den Einsatz der erprobten axialen Zustromung nicht zulieB. Die fur diese sowie die weiteren Anlagen des Schluchseewerkes notwendigen Kiihlvolumen gehen aus der nachfolgenden Abb. 21.19 hervor, wobei die dortigen Angaben auf den einheitlichen Wu*kungsgrad von Sackingen umgerechnet sowie auf Temperaturdifferenzen von 10 K fur das Wasser und von 25 K fiir die Luft bezogen wurden. Zur Kiihlung der Standerpaketenden werden bei untererregten Betriebszustanden Zusatzlufter eingeschaltet. Nicht nur diese MaBnahme sondem besondere Auslegungsdetails, wie eine elektromagnetische Abschirmung der Druckplatten und ein sorgfaltiges Abtreppen und Schlitzen der Endzahne ermoglicht die vergleichsweise hohe untererregte Belastbarkeit mit Nennscheinleistung und Leistungsfaktor cos (p = 0,775 ohne schadliche Erwarmung der Endbereiche. Infolge der hohen Polleistung muBten die Isolierungen der Polwindungen und des Polschaftes verstarkt werden, um eine ausreichende Sicherheit gegen innere Fehler bei Netzstorungen zu haben. Mit 98,7 % erreicht der Wirkungsgrad einen fur schnellaufende Grenzleistungsmaschinen beachtlich hohen Wert.

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140

Kiihlvoluinen [m /s] 120 100 80 60 40 20

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Abb. 21.19: Luft- und Wassermenge zur Generatorkiihlung als Funktion der Maschinenleistung[21.3] Die Motorleistung im Pumpenbetrieb wurde bei den Maschinengruppen erstmals groBer als die Generatorleistung gewahlt, was auf die Verkiirzung der fur den Pumpenbetrieb nutzbaren Schwachlastzeiten im Stromnetz zuriickzufuhren ist. Je zwei Synchronmaschinen sind auf einen gemeinsamen Dreiphasen-Transformator geschaltet (G = 336t; s. Abb. 16.21). Die von den beiden Transformatoren im Kraftwerk Wehr abgegebene elektrische Energie wird ttber SF^- und anschlieBende Freileitungen zur Schaltwarte Ktihmoos abgefiihrt (s. Abb. 16.22). 21.4.2.7 Schaltanlage und Leitwarte Kiihinoos Die 220/3 80-kV-Schaltanlage Ktihmoos nimmt in der Nahe des EggbergOberbeckens des Pumpspeicherkraftwerkes Sackingen eine vorteilhafte geographische Lage innerhalb des deutschen und europaischen Verbundnetzes ein. Sie ist eine Gemeinschaftsanlage der EnBW, der RWE und der Schluchseewerk AG. Von der modemen Lastverteilerwarte Ktihmoos werden die Femsteuerung aller Einzelmaschinen in den Werksguppen Schluchsee und Hotzenwald, die Leistungsfrequenzregelung, die Bewirtschaftung aller Speicherbecken und der als Unterbecken dienenden Rheinstauraume unter Beachtung der jeweiligen Konzessionsvorgaben vorgenommen. Dazu kommt die Erfassung aller Betriebszustande, Wasserzufliisse und Wasserspiegellagen in den Staubecken, ebenso der Durchfliisse der StoUenleitungen und Kraftwerke. Aufgrund der hydraulischen Verkniipfimg der Speicherkraftwerke der beiden Werksgruppen mit den Stauhaltungen im Hochrhein werden in der Leitwarte die Kraftwerksdurchfliisse und die Betriebszustande der Maschinengruppen der in Frage kommenden FluBkraftwerke Albbruck-Dogem, Sackingen und RyburgSchworstadt festgehalten. Fiir letzteres ist die Einhaltung moglichst geringer Wasserspiegelschwankungen im nachfolgenden Unterwasser als Folge des Pumpspeicherbetriebes im Kavemenkraftwerk Sackingen von sehr groBer Bedeutung. Um die Fiille aller Informationen optimal auswerten zu konnen, wurde eine Datenverarbeitungsanlage zusammen mit ProzeBrechnem eingerichtet.

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21.4.2.8 Betriebsstunden, Wirkungsgrad und spezifische Ausbaukosten Die Benutzungsdauer der Pumpspeichersatze der Werksgruppen Schluchsee und Hotzenwald schwankt im Pumpenbetrieb zwischen 650 und 3.300 h/Jahr und im Turbinenbetrieb zwischen 650 und 1.650 h/Jahr. Der Pumpspeicherwirkungsgrad ist beim Pumpspeicherwerk Wehr mit 78 % auBergewohnlich hoch. Auch die spezifischen Ausbaukosten sind mit ca. 275 €/KW als beachtlich niedrig zu nennen. Die Griinde fur diese gunstigen Bewertungsdaten liegen in der fiir ein Mittelgebirge sehr groBen Bruttofallhohe zwischen 653 m und 593 m, in den erreichten kiirzesten Triebwasserleitungslangen zwischen den weniger als 2 km Horizontalentfemung auseinander liegenden Ober- und Unterbecken sowie in den auBerordentlichen maschinentechnischen Fortschritten, die sich mit Francis-Turbinen, Speicherpumpen und Motorgeneratoren - jede Maschine an der technisch erzielbaren Leistungsgrenze - haben erzielen lassen. 21.4.2.9 Naturintegrierende Bauweise In den zuriickliegenden Jahrzehnten seit der 1976 erfolgten Inbetriebnahme des Pumpspeicherwerkes Hombergstufe mit dem Kavemenkraftwerk Wehr wurde von Jahr zu Jahr deutlicher, welche Erfolge die naturintegrierende Bauweise, eine artgerechte Bepflanzung und laufende intensive PflegemaBnahmen zur Beseitigung aller voriibergehenden, baubedingten Eingriffe in eine sensible Natur gebracht haben. Das fiir den Hotzenwald typische Landschaftsbild im Umfeld der Baustellen konnte wiederhergestellt werden, ja sogar durch die entstandene Seenlandschaft bereichert werden. Ein groBer Teil der Wasserkraftanlagen wurde in unterirdischen Kavemen errichtet, die Triebwasserwege treten nach auBen nicht in Erscheinung, die kunstlichen Speicherbecken wurden in ihre naturliche Umgebung eingebettet, so das Hombergbecken innerhalb eines an der Luftseite mit Baumbestand begrunten Ringdammes, das Wehra-Becken in einem nattirlichen FluBtal unter Beachtung der nattirlichen Gelandeformen. Ingenieure, Techniker, Architekten, Forstleute, Geologen, Biologen, Fischereisachverstandige, Landschaftspfleger und Okologen suchten und fanden die von den Standortbedmgungen abhangigen, am besten umweltvertraglichen Losungen, nicht zuletzt auch ftir die unumgangliche ErschlieBung der Baustellen durch StraBen und Wege; femer fur geeignete Deponien zur Lagerung tiberschiissigen oder nicht verwertbaren Erd- und Felsmateriales, ebenso Losungen fiir die Verbesserung der Infrastruktur zum Vorteil der ansassigen Bevolkerung. Friihzeitig wurden RekultivierungsmaBnahmen auf der Basis langfristiger Vorversuche fiir Wiederbegriinung und Wiederbewaldung durch standortgerechte Pflanzen und Baumarten festgelegt. Die Anwohner zeigten sich bei aller Skepsis am Anfang zunehmend kooperativ und anerkennend. Im iibrigen wurde die Wirtschaftskraft dieser strukturschwachen Region durch Schaffung von Arbeitsplatzen, durch Gewerbesteuereinnahmen und durch gesteigerten Fremdenverkehr erheblich erhoht. 21.4.2.10 Neubau einer Kleinwasserkraftanlage Urspriinglich wurde der ZufluB zum Wehra-Becken ohne energetische Nutzung durch das DurchfluBbauwerk der Wehra-Talsperre annahemd zeitgleich entsprechend den Auflagen komplett an das ursprtingliche FluBbett der Wehra wieder ab-

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gegeben. 1997 wurde daher die Planung eines Dotationskraftwerkes mit einem Ausbaudurchfluii von QA = ^ m^/s, der etwa einem Q240 entspricht, aufgenommen. Um eine bauliche Anderung am Steinschiittdamm des Wehra-Beckens zu umgehen, sollte der bereits im Abschnitt 21.4.2.2 beschriebene, 290 m lange Umleitungsstollen von 3,7 m Durchmesser genutzt werden, indem an dem rechten der beiden fortflihrenden Rohrstrange ein Abzweig zur neuen Turbine letztendlich anzuschliel5en war (s. Abb. 21.20).

Dotationskraftwerk Abb. 21.20: Auslaufbauwerk des Wehra-Beckens mit Dotationskraftwerk [21.8] Direkt im AnschluB an diesen Abzweig wurde eine Drosselklappe sowie ein innenliegender Rechen als Schutz gegen Treibzeug mit einem Stababstand von 30 mm angeordnet. Im voraussichtlich selten auftretenden Fall der Rechenverlegung, die anhand der zurtickgehenden Maschinenleistung festgestellt werden kann, wird die Drosselklappe geschlossen und nach einem Leerlaufen der Triebwasserleitung der Rechen uber das Mannloch handisch gereinigt. Entsprechend der Bewirtschaftung des Wehra-Beckens schwankt die nutzbare Fallhohe sehr stark, was bei der Turbinenauswahl entsprechend zu berucksichtigen war. Im Mittel betragt die nutzbare Fallhohe etwa 28 m. Infolge des weiters stark variierenden, von der verfugbaren Fallhohe ganzlich unabhangigen Durchflusses fiel die Entscheidung zugunsten einer zweizelligen Durchstromturbine mit Saugrohr, die einen breiten Riicken der Wirkungsgradkurve selbst bei kleineren Durchfliissen aufweist. Sie ist in einem kleinen Anbau neben dem Auslaufbauwerk angeordnet worden (s. Abb. 21.21). Das Turbinengehause ist entsprechend den beiden Zellen im Verhaltnis 1 : 2 aufgeteilt. Der Laufraddurchmesser betragt 1,0 m. Das Laufrad enthalt 37 Schaufehi und treibt direkt einen 28poligen Synchrongenerator bei 214 Umdrehungen pro Minute an. Die BaumaBnahmen fur diese neue Kleinwasserkraftanlage, die bei einer installierten maximalen Leistung von 1.135 kW sowie einer mittleren Leistung von 395 kW im Jahresmittel ca. 3,8 Mio. kWh erzeugt, wurden im Jahr 2000 abgeschlossen. Im iibrigen hat dieses Dotations- bzw. Sperrenkraftwerk keinerlei Auswirkungen auf den Betrieb des Pumpspeicherwerkes Wehr und auf die Unterlieger.

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Abb. 21.21: Kleinwasserkraftanlage (Dotationskraflwerk) mit Durchstromturbine am Unterbecken (Wehra-Becken) des Pumpspeicherkraftwerkes Wehr [nach 21.1] 21.5

Geplante Ausbaustufen der Schluchseewerke

Als nachste Ausbaustufe der Werksgruppe Hotzenwald ist die Oberstufe Miihlegraben mit dem Stausee Lindau (Stauziel 934 m u. NN) projektiert (s. Abb. 21.1). Diesem Speicher kommt dieselbe Aufgabe wie dem Schluchsee als Sammler-, Ausgleichs- und Reservebecken zu. Mit dem Oberbecken Lindau sollen das Kraftwerk Muhlegraben betrieben und das Turbinenwasser hemach in das Eggberg-Becken geleitet und dem Kavemenkraftwerk Sackingen zur Verfligung gestellt werden. Femer ist bereits dem nachsten Vorhaben mit einer der Hombergstufe gleichzusetzenden, leistungsstarken Pumpspeicheranlage mit ca. 630 m Fallhohe, der Atdorfstufe, die Konzession erteilt worden. Ihr zugehorig sind das kiinstlich angelegte Oberbecken, das Hombergbecken II (Stauziel 1.016 m U. NN), ein Druckschacht, die Maschinenkaveme und ein Unterwasserbecken in einer Talmulde (Hasel-Becken, Stauziel 400 m ii. NN) oberhalb Sackingen. Letzteres soil Uber den Unterwasserstollen des Kavemenkraftwerkes Sackingen an den Hochrhein angeschlossen werden. Auch ist daran gedacht, den Jahresspeicher Lindau mit einem Stollen an das Hombergbecken II anzubinden und schlieBlich die beiden Hombergbecken untereinander zu verkniipfen. Mit diesen zukiinftigen Projekten konnen die bisherigen fiinf Speicherkraft- und Pumpspeicherwerke mit insgesamt 1.885 MW installierter Turbinenleistung um weitere 225 MW (Oberstufe Muhlegraben) und 1.020 MW (Atdorfstufe) fur Spitzenbedarf und Bereitstellung von Momentanreserven in groBen Einheiten erweitert werden.

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Eine herausragende Aufgabe stellt sich in der groBeren Auslegung neuer Speicherbecken, um der zunehmenden Verlagerung von bisher werktaglichem Nachtstrom auf Wochenenden Rechnung tragen zu konnen. Diese Tatsache ergibt sich aus der erhohten Anzahl nachtlicher Stromabnehmer und aus dem Riickgang des Industriestrombedarfes am jeweiligen Wochenende. SchlieBlich arbeiten Pumpspeicherwerke auch mehr und mehr im Mittellastbereich, da bei Ausfall groBer thermischer Kraftwerksblocke im Verbundnetz entsprechend groBe Ersatzleistungen in ca. 12-Stunden-Betriebsbandem fur einige Tage vorgehalten werden miissen. 21.6

Das GroBprojekt Drei-Schluchten-Kraftwerk am Jangtse/China

Der chinesische VolkskongreB erteilte 1992 die Zustimmung zu der weltweit groBten, als FluBspeicherkraflwerk ausgelegten Stauanlage im Mittellauf des Jangtse, des drittlangsten Stromes der Erde in Zentralchina (s. Abb. 21.22). Das als Mehrzweckprojekt ausgelegte Vorhaben soil neben einer hochwertigen Energienutzung gleichzeitig einen wirksamen, lOOjahrlichen Hochwasserschutz gegen die sich standig wiederholenden katastrophalen Uberschwemmungen (letztes derartiges Hochwasser 1998 mit ca. 1.600 Toten) und ebenso den GroBschiffahrtsverkehr vom Gelben Meer bis ca. 3.500 km ins Landesinnere bis nach Chongqing (mit 35 Mio. Einwohnem) sichem. Das Quellgebiet des Jangtse liegt im Nordosten des tibetischen Hochlandes. Der Jangtse flieBt nach iiber 6.300 km in einem groBen, nahe Shanghai gelegenen FluBdelta in das ostchinesische Meer. Im Bereich der Schluchtenstrecke wechselt die Breite zwischen 10 m und 200 m des hier auf einem Niveau von 65 m U. NN ursprunglich liegenden Wasserspiegels. Letzterer wurde nach der ersten, zehn Jahre umfassenden Baustufe 2003 binnen 12 Tagen Einstauphase auf 135 m erhoht, er soil dann bis zur Fertigstellung der Gesamtanlage im Jahre 2009 schlieBlich 175 m U. NN als normaler Stauspiegel betragen. Im Falle des Hochwassereintrittes wird der Wasserspiegel bis auf 185 m u. NN ansteigen. Das Gesamtvolumen der auf rund 632 km langen, im Durchschnitt 1,1 km breiten, aufgestauten FluBstrecke wird 39 Mrd. m^ betragen, wovon auf den Hochwasserruckhalt 22 Mrd. m^ entfallen. Die maximale Flache des Stausees wird sich auf 1.045 km^ belaufen, so daB hierdurch 990 km^ Land iiberflutet werden. Die FluBsperre bildet eine 181m hohe und langs der Krone 2,3 km lange Betonschwergewichtsstaumauer. Das am MauerfiiB angeordnete, mit je 600 m Lange zweigeteilte Talsperrenkraftwerk wird mit 26 Maschinensatzen von je 700 MW bei 1.200 mVs AusbaudurchfluB auf insgesamt 18.200 MW installierter Leistung ausgelegt, wovon 4.990 MW standige Laufwasserkraftwerksleistung bieten. Die jahrliche elektrische Stromerzeugung wird 84,7 Mrd. kWh betragen. Dieser Wert entspricht einem Sechstel der in Deutschland jahrlichen Stromproduktion. Nach jungster Planung wird sogar ein drittes Krafthaus mit nochmals sechs Maschinengruppen von je 700 MW als Kavemenkraftwerk am linken Ufer hinzukommen, so daB die Summe installierter Leistung auf 22.400 MW ansteigen wird. Dem Schiffsverkehr steht eine flinfstufige Zweikammerschleuse (fiir Frachtschiffe bis zu 10.000 BRT) und ein Schiffshebewerk (Hubhohe 115 m, groBtes Frachtschiff mit 3.000 BRT) zur Verfugung. Die Hochwasserentlastungsanlage

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und die Grundablasse befinden sich im ca. 500 m langen Mittelteil des Sperrbauwerkes. Mit dem Drei-Schluchten-Projekt ist eine umfangreiche soziale Umstrukturierung irmerhalb des umliegenden Industriezentrums und der vielfachen Siedlungsgebiete notwendig geworden. Von der Umsiedlung sind allein etwa 1,3 Mio. Menschen betroffen, fiir die ungeachtet der psychologischen Probleme in Nachbarregionen vollig neue Stadte und Dorfer mit Ackerland geschaffen worden sind. Auch wird eine Reihe landschaftlich reizvoUer und historisch wertvoUer Schatze in den Fluten versinken, wenngleich Tempel und alte Denkmaler zum Teil gerettet werden. AuBer Zweifel steht die zu erwartende erhebliche Steigerung der weitraumigen Wirtschaftskraft durch die Bereitstellung von umweltfreundlicher Energie in grower Menge. Die bisherige Stromgewinnung in die Umwelt stark belastenden Kohlekraftwerken kann sptirbar zuriickgedrangt werden. Deren Einsparung von 50 Mio. t Kohle fiihrt zu einer beachtlichen Verminderung um jahrlich 100 Mio. t CO2 sowie mehrerer tausend Tonnen SO2, CO und NOx. SchlieBlich werden auch Freizeitgestaltung und Fremdenverkehr angesichts des riesigen Stausees eine positive Entwicklung erfahren. Die Gesamtkosten werden auf 25 Mrd. US $ geschatzt, die sich zu 60 % auf die BaumaBnahmen und zu 40 % auf die Umsiedelung aufteilen. Die Finanzmittel stammen aus dem offentlichen Haushalt und aus erhohten Strompreisen. Mit der im Juni 2003 erfolgten Inbetriebnahme der ersten beiden Maschinensatze und zweier weiterer nachfolgend im Oktober 2003 ist die Stromproduktion plangerecht aufgenommen worden. Die restlichen neun Maschinengruppen des im linken Mauerbereich angeordneten Maschmenhauses werden bis 2006 arbeiten.

Abb. 21.22: GroBprojekt Drei-Schluchten-Kraftwerk am Jangtse/China

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21 Ausfuhrungsbeispiele

21.7

Kleinwasserkraftanlage GroBarl

Ein typisches Ausfiihrungsbeispiel ftir eine privat errichtete und betriebene Kleinwasserkraftanlage im alpinen Bereich mit einer Pelton-Turbine stellt die Wasserkraftanlage am Ellmaubach im GroBellmaugraben ostlich von GroBarl, das etwa 80 km sUdlich von Salzburg liegt, dar. Die Vorplanungen ftir die Anlage begannen in der Folge der Energiekrise Mitte der 1970er Jahre, wobei dieses Werk vor allem die permanente Stromversorgung des dem Initiator der Anlage und Betreiber, Herm Anton Knapp, gehorenden Hotels „Alte Post" in GroBarl sicherstellen sollte. Nach dem Erhalt der wasserrechtlichen Bewilligung im Jahr 1980 wurden in den Jahren 1981/82 die wesentlichen Anlagenteile errichtet und anschlieBend der Betrieb aufgenommen. Die Wasserfassung, die in den Abb. 21.23 und 21.24 dargestellt ist, liegt auf 1.094 m ii. NN und quer im Ellmaubach, der an der Fassungsstelle ein Einzugsgebiet von ca. 22,4 km^ aufweist. Uber ein Tiroler Wehr wird dem Bach, der an dieser Stelle aufgrund von Grundwasserzufltissen nahezu das ganze Jahr Uber eisfrei ist, das Triebwasser entzogen. Durch einen kurzen Wehrkanal gelangt dieses in den Kiesfang und den daran anschlieBenden, zweigeteilten Sandfang. Die Spiilung aller drei Becken erfolgt tiber automatisch gesteuerte Spiilschutze. Der oberhalb des Tiroler Wehres angeordnete, fur kaltere Jahreszeiten vorgesehene Wintereinlauf, der mit einem Grobrechen gesichert ist und tiber ein Schiitz gesteuert werden kann, ist infolge der erwahnten giinstigen Lage fast nicht in Betrieb.

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Rohrbruch- Wasserstandsregelung Rohrbruchschutze sicherung

Abb. 21.23: GrundriB der Wasserfassung mit Tiroler Wehr am Ellmaubach [21.9]

21 Ausfiihrungsbeispiele

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Aus der Sandspulschwelle am Ende des zweiten Sandfangbeckens liegt der unter ca. 60° geneigte Feinrechen mit Rechenreinigungsmaschine auf, wobei das obere Rechenende als tJberfallkante zur Treibgutrinne ausgebildet ist. Diese Rinne wird in regelmaBigen Abstanden gespUlt, indem durch ein Senken der Sptilschutze der Wasserspiegel im Sandfang angehoben wird und so die Entleerung in den Ellmaubach erfolgt. Im AnschluB an den Rechen beginnt mit einer Einlauftrompete und der dort angeordneten Rohrbruchsicherung in Form eines Fallschutzes die Druckrohrleitung. Neben der Einlauftrompete ist dartiber hinaus eine kurze Rohrleitung zur automatischen und dauerregistrierenden Mindestwasserabgabe angeordnet. Als Mindestwasserabgabe von Mai bis Oktober sind 100 1/s und von November bis April 20 1/s vorgeschrieben, die iiber eine induktive DurchfluBmessung gesteuert werden. In den Sandfang mtindet die Beileitung des Ellmaugrabens ein, dessen in Abb. 21.25 dargestellte Fassung auf 1.097,9 m ti. NN liegt. Auch hier wird iiber ein kleines Tiroler Wehr das beigeleitete Triebwasser entnommen und iiber eine Kunststoffleitung mit einer Nennweite von 300 mm der Wasserkraftanlage zugefiihrt. Die permanente Mindestwasserabgabe in Hohe von 10 1/s wird durch ein im Wehr eingebautes Rohrstuck mit einem Durchmesser von 100 mm sichergestellt.

Abb. 21.24: Langsschnitt der Wasserfassung am Ellmaubach [21.9] Die zum Krafthaus hinfuhrende, 1.578,40 m lange Druckrohrleitung mit einer Nennweite von 600 mm besteht uberwiegend aus glasfaserverstarktem Kunststoff und nur im einem eventuell hoher belasteten Bereich aus Stahh*ohrstiicken. Diese Rohrleitung ist auf der gesamten Lange im Erdreich verlegt, wobei hierfiir ein heute nicht mehr benutzter Gemeindeweg emschlieBlich Lawinengalerie genutzt werden konnte, so daB eine aufsvendige Trassenfiihrung in dem sonst relativ schmalen und steilen Tal vermieden werden konnte.

21 Ausftihrungsbeispiele

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0,25m 0,6 m 0,3 m

Beileitung

Schnitt 1-1

NW300

0,2 nil 1^ m ' /

2,46 m

0,25 m 0,6 m

1^

Tv/Tiroler Wehr i(Grobrechen)^,
N^<^ A Beileitung NW 300

\

0,3 m

^1 1^0,2 m

\

Restwasserabgabe

I Restwasserabgabe I NW 100

Schnitt 2-2

Abb. 21.25: Wasserfassung der Beileitung des Ellmaugrabens [21.9]

In dem auf 953,95 mu. NN liegenden Krafthaus (s. Abb. 21.26 und 21.27) ist eine zweidiisige Pelton-Turbine mit NebenauslaB installiert. Diese Turbine ist fur einen maximalen DurchfluB von 650 1/s bei einer Drehzahl von 500 min"^ ausgelegt und erzielt hierbei eine Nennleistung von ca. 650 kW. Die Bruttofallhohe der Anlage betragt knapp 140 m und die Nettofallhohe zwischen Stauziel und Turbinenachse etwa 125 m. Das Jahresarbeitsvermogen betragt unter Beriicksichtigung aller Verluste ca. 3.700 MWh/a. Der Drehstromsynchrongenerator (1.000 kVA, 500 min'^) ist direkt mit der Turbine tiber ein Gleitlager gekuppelt. Uber einen Riemenantrieb kann notfalls ein zweiter Generator (200 kVA) zugeschaltet werden, um die Energieversorgung des zugehorenden Hotelbetriebes sicherzustellen. Die Krafthausausriistung wird durch einen Drehzahlregler sowie einen Schaltschrank im Maschinenraum erganzt. In einem separaten Raum des Krafthauses sind sowohl der 30-kV-Transformator (1.000 kVA) zur Netzeinspeisung als auch der 6-kV-Transformator (315 kVA) zur Eigenversorgung angeordnet. Im Krafthaus befmden sich des weiteren noch eine Werkstatt, Lagerraume sowie kleine Sozialraume. Unter der Turbine befmdet sich der Turbinenauslauf, von dem aus das abgearbeitete Triebwasser uber einen rechteckigen, betonierten Unterwasserkanal von knapp 14 m Lange in den Ellmaubach zuriickgegeben wird. Die Ausmtindung des Ellmaubaches ist mit einem schweren Steinsatz gesichert.

21 Ausflihrungsbeispiele

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Generator 1.000 kVA 400/231 V n = 500 min

Kabelkanal Turbinenschieber

Schwungrad Ø 1.800 mm, als Riemenscheibe ausgebildet

r

Gleitlager (Festlager)

Abb. 21.26: GrundriB des Krafthauses am Ellmaubach [21.9] Urspriinglich sollte die Anlage primar der Eigenversorgung des dem Anlagenbetreiber gehorenden Hotels dienen, und die dort nicht je nach Jahreszeit benotigte tJberschuBenergie sollte in das 30-kV-Netz des regionalen Versorgers eingespeist werden. Verstarkt wurden diese Uberlegungen durch die Tatsache, daB dessen Stromversorgungsnetz trotz einer vor ca. 10 Jahren gebauten Ringleitung durch Witterungseinflusse (Windbruch etc.) jahrlich im Schnitt 2-3mal ausfallt. Um nun die Grundversorgung des Hotels standig aufrechtzuerhalten, wurde eine direkte 6-kV-Kabelverbindung mit einer Lange von gut 1 km zwischen dem Krafthaus und dem Hotel installiert. Die Fertigstellung der zusatzlich gebauten, erdverlegten 6-kV-Kabelverbindung konnte aufgrund von straBenbaulichen MaBnahmen der Gemeinde erst 1986 erfolgen. Sowohl am Anfang als auch Ende dieser Leitung befindet sich jeweils ein Transformator (315 kVA), um den Strom einerseits von der Generatorspannung in die 6-kV-Hochspannung und andererseits in die iibliche Endverbraucherspannung von 230/380 V umzuwandeln. Durch erne zusammen mit dem Erdkabel verlegte Steuerleitung konnen sowohl die wesentlichen Anlagen- und Verbrauchsdaten un Hotel abgelesen als auch die Anlage vom Netz genommen und die direkte Leitung durchgeschaltet werden.

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21 Ausfuhrungsbeispiele

Abb. 21.27: Langsschnitt A-A des Krafthauses am Ellmaubach (Angaben in mm) [21.9] Durch die verhaltnismaBig geringeren Erlose aus der Abgabe der UberschuBenergie gegeniiber einer vom Netzbetreiber bevorzugten und damit finanziell besser gestellten permanenten Einspeisimg ins Netz und anschlieBender Entnahme der fiir das Hotel notwendigen Energie aus demselben, wird diese direkte Verbindung nur im Bedarfsfall unter Spannung gesetzt und zum Hotel durchgeschaltet. Insgesamt hat sich diese Losung sehr bewahrt, denn ein gleichzeitiger Ausfall sowohl des Netzes als auch der Wasserkraftanlage trat bisher nicht auf, und ein Zusammentreffen beider Ereignisse scheint relativ unwahrscheinlich. Aber selbst fiir diesen Fall hat Anton Knapp durch die Vorhaltung eines Dieselaggregates im Krafthaus vorgesorgt - eine MaBnahme, die selbst er als fast iibertriebene VorsichtsmaBnahme betrachtet.

21 Ausfiihrungsbeispiele

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Aus der nachfolgenden Abb. 21.28 wird ersichtlich, daB durch die Stromerzeugung der Stromverbrauch des Hotels im Monatsmittel immer bei weitem gedeckt werden konnte. Auch wird aus dieser Darstellung das jahreszeitlich schwankende Wasserdargebot deutlich, das alljahrlich im Mai in der Hauptschneeschmelze sein Maximum erreicht, wohingegen im Februar, gepragt durch starken Frost, der AbfluB sein Minimum aufweist. Des weiteren konnen aus dieser Darstellung auch Zeiten mit stark variierenden Niederschlagen (v. a. August bis Oktober) abgelesen werden. Insgesamt bestatigen die Uber zwei Jahrzehnte umfassenden Beobachtungen der Wasserfuhrung und der ermoglichten Wasserkraftnutzung die der ersten Planung zugrunde gelegten Bemessungsdaten in eindrucksvoler Weise. EJMWh] 600

-Mittelwerte Erzeugung Minimalwerte Erzeugung

^^—Maximalwerte Erzeugung - - - Mittelwerte Verbrauch

Abb. 21.28: Wasserkraftanlage GroBarl: Gegeniiberstellung der monatlichen Mittelwerte der Energieerzeugung der Periode 1991 bis 2003 mit den zugehorenden Minimal- und Maximalwerten sowie des mittleren Verbrauchs des Hotels [21.9] In den bisher Uber 20 Jahren regularen Betriebes traten dank umfassender Planung und sorgfaltiger Wartung keine gravierenden Schwierigkeiten auf, die je zu langeren Stillstandszeiten der Anlage geftihrt batten. Einzig das standig im Bach mitgefUhrte Laub hat zu kleineren Problemen unterschiedlicher Natur gefuhrt. Zum einen muBte der Betreiber feststellen, daB die vorhandene Neigung des Grundrechens des Tu-oler Wehres mit einer Neigung von ca. 18 % zu gering ist, als daB bei geringen Abfltissen ausreichend Wasser tiber den Rechen abflieBen und die dort abgelagerten Blatter mitnehmen wUrde. Um die daraus folgende Rechenverlegung kilnftig deutlich zu reduzieren, ist die Rechenoberkante um ca. 20 cm angehoben worden, so daB der Rechen eine Neigung von etwa 24 % erhielt. Sollte dieser Umbau nicht zu dem gewunschten Ergebnis fUhren, so besteht beim Anlagenbetreiber die konkrete Uberlegung, eine im Wehrkanal angeordnete SpUleinrichtung zu konstruieren, bei der auf einer drehbaren Rohrleitung Dusen angeordnet sind, durch die Wasser von unten gegen den Rechen gesprtiht und so das darauf liegende Laub weggespUlt werden konnte.

790

21 Ausfuhrungsbeispiele

Zum anderen gelangen hin und wieder einzelne Blatter durch den Feinrechen hindurch bis zur Turbine, wo sie dann geme am in der Dtise befindlichen Fiihrungskreuz der Dusennadel hangen bleiben. Findet gleichzeitig eine groBere Laubmenge den Weg bis in die Dtisenleitung und wird sie nicht durch die DUse hindurchgespiilt, so verringem sich der DurchfluBquerschnitt deutlich und damit die Turbinenleistung. Da bauseits m den DUsenzuleitungen keine Wartungsoffnungen vorgesehen sind, muBte eine Reinigung entweder nur mit Hilfe eines Iangen Drahtes o. a. durch die Duse hindurch erfolgen oder die Maschme in diesem Bereich komplett zerlegt werden. Um eine derartige Beeintrachtigung eines kontinuierlichen Turbinenbetriebes in Zukunft zu beseitigen, wurden an den entsprechenden Stellen in die DUsenzuleitungen kleine Locher geschnitten und zu offnende Verschliisse angeflanscht. Im ubrigen hat diese originelle Kleinwasserkraftanlage GroBarl in jtingster Zeit einen weiteren Beitrag mit umweltfreundlicher Energieversorgung zu leisten, indem sie wahrend der Nachtstunden, d. h. bei schwacher Netzbelastung, im Falle schneearmer Wintertage auf den Skipisten eingesetzte Schneekanonen bedient. Diese wiederum werden mit sauberem Wasser aus benachbarten Gewasserlaufen direkt oder aus gilnstig angelegten, kleinen Sammelbecken bzw. unauffalligen Speichem gespeist. Somit findet auch hier der Umweltschutz fur eine auf einen ausgewogenen Fremdenverkehr angewiesene Talschaft am nordlichen FuB der Hohen Tauem eine tiberzeugende Verwirklichung. 21.8

Literatur

[21.1] Schluchseewerk AG, Freiburg: Personliche Auskunft, 1996/1998/2002 [21.2] Gysel, G.: Das Rheinkraftwerk Sackingen. In: Wasser, Energie, Luft 54 (1962), Heft 7, Seite 215-221 [21.3] Schluchseewerk AG (Hrsg.): 50 Jahre Schluchseewerk AG Freiburg - Bau und Betrieb groBer Pumpspeicherwerke. Freiburg, 1978 [21.4] Fabian, E. et al.: Das Aubecken der Rheinkraftwerk Albbruck-Dogem AG. In: Wasserwutschaft 70 (1980), Nr. 3, Seite 137-140 [21.5] Bar, G.: Treibgut- und Geschwemmselentsorgung aus Speicherbecken der Schluchseewerk AG. In: Verbandsschrift des Schw. Wasserwirtschaftsverbandes: Entsorgung von Geschwemmsel (1997), Heft 58 [21.6] Voith AG, Heidenheim: Personliche Auskunft, 1996 [21.7] Fabian, E.; Giesecke, J.: Hillside stabilization for the lower reservoh* of the Wehr pumped-storage plant - 20 years of operational experience. In: Proceedings of 19eme Congres des Grands Barrages (Florenz 1997), 16 S. [21.8] Klebsattel, G.; Schneider, K.; Wirth, D.: Bau einer Kleinwasserkraftanlage mit Durchstromturbine an der Wehratalsperre. In: Wasserwirtschaft 90 (2000), Heft 4, Seite 192-197 [21.9] Knapp, A.; GroBarl/Salzburger Land: Personliche Auskunft, 1998/2005

791

22 22.1

Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren KenngrOOen und Symbole

Trotz des Bemuhens, moglichst eindeutige Bezeichnungen zu finden, konnte infolge der unterschiedlichen Bereiche, die in diesem Buch abgehandelt werden (z. B. Mechanik, Statik, elektrische Maschinen), eine Mehrfachverwendung einzelner KenngroBen und Symbole nicht immer vermieden werden. a a a an aD ai ak as ar P P P Pi PiD y y y yb yo yr S S S S Sa £ e £ £ij £r £^ i^ CD ife <5 (^k t^gh Cqs Cqv (^r Cs.o Ct

CorioHs-Beiwert, vereinfachend a^\ [-] Abzweigwinkel/Kriimmungswinkel/Neigungswinkel der Rechenstabe/StoUenneigungAVinkel zwischen der Rohrachse und der Horizontalen [°] Verbauungsverhaltnis [-] Abminderungsfaktor fur Rohre in schmalen Graben [-] Durchschlagsbeiwert [-] Benetzungsgrad in der Schicht / [-] Korrekturfaktor fur Randfaserdehnungen [-] Verzogerungsbeiwert der Sinkgeschwindigkeit [-] Warmeausdehnungskoeffizient, bei Stahl a r = 1,2 • 10"^m/mK [m/mK] [°] Rohmeigungswinkel/durchschnittHches Einfallen des Talhanges Formbeiwert des Rechenstabes [-] Widerstandsbeiwert des Druckstollens [sVm] Neigungswinkel der Spiraleniibergangsflachen [°] Langsdruckfestigkeit [N/mm^] Exponent Sicherheitsbeiwert [-] Winkel zwischen der Halbachse der VerschneidungselHpse und der Achse des Verteilerrohres [°] Wichte des Bodens, i. d. R. yb = 20 kN/m^ [kN/m^] Wichte des Felsens/Gebirges [kN/m^j Rohrwichte [kN/m^] [-] Durchmesserzahl Pfeilerformbeiwert [-] Wandreibungswinkel [°] isothermer Kompressionsfaktor [mVs^] adiabatischer Kompressionsfaktor [mVs^j [-] Dehnung infolge Druckwelle Konvergenzkriterium, i. d. R. 0,0001 < £< 0,001 [mVs] relative Rauheit [-] Langsdehnung infolge Temperaturanderung [-] Dehnung in Ringrichtung [-] elastische Verformung des Wassers [-] Korrekturbeiwert [-] Verlustbeiwert der Drossel bzw. des gedrosselten Wasserschlosses [-] Verlustbeiwert fur Einlaufe [-] Verlustbeiwert [-] Krummungsverlustbeiwert [-] Verlustbeiwert fiir Stufen bzw. Sohlschwellen [-] Verlustbeiwert fiir Querschnittsanderung infolge Schieber [-] Verlustbeiwert fiir Verbreiterungen bzw. Verengungen [-] Reibungsverlustbeiwert [-] Verlustbeiwert im stationaren Betrieb [-] Verlustbeiwert der Tauchwand [-]

792

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

^v,e i^v,v Q l/-^^qs rj T]A rjL rjM rjp ripsw rjT rjTh Tjtot HTrafo .9 .9 S K K /Co

Einlaufverlustbeiwert Verlustbeiwert infolge Querschnittsveranderung Verzweigungsverlustbeiwert DurchfluBbeiwert Verformungsverhaltnis Anlagenwirkungsgrad bzw. hydraulischer Koeffizient Wirkungsgrad der Triebwasserzuleitung: ?]L = (hf- kj/hf Motorwirkungsgrad Pumpenwirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes: r[psw= 10-lS % Wirkungsgrad der Turbine Sicherheits- oder VergrOBerungsfaktor Gesamtwirkungsgrad Wirkungsgrad der Umspannnanlage Lastwinkel Wichtungsfaktor beim (impliziten) Differenzenverfahren Durchflutung Korrekturbeiwert fiir vollkommenen/unvollkommenen Uberfall Abminderungsfaktor fiir Erdlasten nach der Silotheorie Abminderungsfaktor fiir gleichmaBig verteilte Flachenlasten nach der Silotheorie Produktionsnebenkostenanteil bezogenauf dielnvestition Unterhaltskostenanteil bezogen auf die Investition Lange-Durchmesser-Verhaltnis bei elektrischen Maschinen Reibungsbeiwert/Rauheitsbeiwert Winkel zwischen der Halbachse ap und der Hauptrohrachse bei Hosenrohren Operatoren (Fuzzy Logik) Konzentrationsfaktor neben dem Rohr Konzentrationsfaktor fmb < 4 da maximaler Konzentrationsfaktor Auslaufziffer/AusfluBbeiwert Riffelfaktor Querkontraktionszahl, fiir Stahl i. d. R. // = 0,3 AusfluBziffer, bezogen auf ^a Permeabilitat des V a k u u m s : j^o = 4 • 7t • 10"^ V s / A m AusfluBbeiwert (bezogen auf ^5) Querkontraktionszahl des Betons, i. d. R. //^ = 0,2 Querdehnungszahl des Felsens/Gebirges Zugehorigkeitsgrad (Fuzzy Logik) DusenausfluBbeiwert: //,/>« 0,96-0,99; i. d. R. //p = 0,97 relative Permeabilitat des jeweiligen Materials Reibungsbeiwert des Dichtungsmaterials: i. d. R. jUr,D = 0,2-0,3 Reibungsbeiwert der Zwischenunterstiitzung Querdehnungszahl der Stollenauskleidung Uberfallbeiwert bei ringfOrmigem Uberfall Uberfallbeiwert kinematische Viskositat SchweiBnahtwertigkeit kinematische Viskositat von Wasser Leistungszahl spezifischer Leiterwiderstand Dichte Feststoffdichte (wenn unbekannt: pp ^ 2 6 5 0 kg/m^) Dichte der Fliissigkeit

KN Ku A A A X/y/b AB ARG max A // jLi // //' //
[A]

[%] [%]

[Vs/Am]

[mVs] [mVs] [Qm] [kg/m^] [kg/m^] [N/mm^]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

Ps/Pw Pw (JI/GIII (^a CTB Ci (Tl

CflJ

cri,u o-i,s (TL <Jr ^res

(Ts.i (^SckD (^t,max(fi) CTTH

O'V.N O'KSch (Tzul CfzuiZ

Ts (P

(Pv,i COS (p 0

¥ CO CD CO

n a a a a

793

Rohrmaterialdichte Dichte von StahlAVasser Dichte des Wassers (fiir T= 10°C: pw = 999,73 kg/m^) Hauptspannungen Biegezugspannung aus AuBenbelastung Trennfestigkeit Ringzugspannung aus/?, Langsspannung Biegespannung in Langsrichtung Langsspannung aus Eigengewicht pro laufenden Meter Langsspannung aus den Stopfbuchsenkraften Langsspannung aus stationarer Temperaturbelastung Langsspannung aus kegelformiger Rohrverjiingung Langsspannung aus Ringdehnung Laufzahl Radialspannung resultierende Spannung mittlere Radialspannung Spannung am Innenrand des Scheitelquerschnittes Dauerschwellfestigkeit max. tangentiale Druckspannungen in der Betonauskleidung (Innenseite) Thoma-Beiwert maximale Vergleichsspannung Vergleichsspannung(Gestaltanderungshypothese) Vergleichsspannung (Normalspannungshypothese) Vergleichsspannung (Schubspannungshypothese) zulassige Spannung zulassige Beanspruchung gegen Zeitschwingbruch fur HB Ring- Oder Tangentialspannung mittlere Ringspannung Regelfunktion der hydraulisch wirksamen Offnungsflache des Regelorgans wahrend der Regelzeit T Wandschubspannung Polteilung SchieberschlieBzeit Geschwindigkeitsbeiwert Spiralen- oder Zentriwinkel Winkel der Phasenverschiebung zwischen den sinusfOrmigen Verlaufen von Spannung und Strom Geschwindigkeitsbeiwert des Turbineneintrittsquerschnittes Spomwinkel StoBbeiwert der jeweiligen Verkehrsart Leistungsfaktor magnetischer FluB Einschnurungs-ZKontraktionsziffer SpulenfluB elektrische Kreisfrequenz der Sinusspannung: co = 2 • n-f Wellenfrequenz: co = 2 • TT/T Winkelgeschwindigkeit mechanische Winkelgeschwindigkeit des Laufers

[kg/m^] [kg/m^] [kg/m^] [N/mm^; [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ m] [N/mm^: [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^

Annuitaten-/Kapitalwiedergewinnungs-/Kapitaltilgungsfaktor: a = l/aa OffnungshOhe des Schiitzes relative Rohrausladung Druckwellengeschwindigkeit

[-] [m]

H [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [-] [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [N/mm^ [-] [NW]

[m] [• [•

[• [•

[Wb = Vs] [-] [Vs] [Hz = s-']

[-] [m/s]

794

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

A A A A A A^ A/B a/b/c a' ao Ao Ao Ao As tta Aa aB AD Gd AD QD/hD ads Qe Ae ap QF AF AF AF,i ai ai/hi Aii/Fii <3fo Amin Ap Apj/Aai ar an ARE ARS As As As As As As AsB AsTs An Ay y4v,
Annuitat mit konstanten Verlauf Flache in Ringrichtung pro laufenden Meter Strombelag bei elektrischen Maschinen Querschnittsflache DurchfluBquerschnitt Querschnitt in Abhangigkeit des Spiralenwinkels (p Unbekannte aus der Differentialgleichung Schaufelbecherabmessungen wirksame relative Rohrausladung Schallgeschwindigkeit in unendlich ausgedehntem Wasser (10 °C) FlieBquerschnitt im Ursprungszustand Rohrquerschnitt Querschnitt am Spiralenanfang Querschnittsflache des Laufradaustrittes Akkumulierungsfakor AusfluBquerschnitt prozentualer Anteil der Betriebskosten Querschnittsflache der WasserschloBdrossel Diskontierungsfakor Drosselquerschnitt Tiefe/Breite des senkrechten Turbineneintrittsquerschnittes Diskontierungsfakor mit Steigerungsrate Erhohungsfaktor fur ZubehOr, Bauarbeiten etc. Querschnitt des eingeschniirten AusfluBstrahles Korrekturfaktor zur Berucksichtigung der Druckausbreitung Schallgeschwindigkeit fur Longitudinalwellen in Flussigkeiten Fallschachtquerschnitt Oberflache des zylindrischen Laufers bei elektrischen Maschinen Rohrquerschnitt des Abschnitts / Abkiirzungen Halbachsen der Verschneidungsellipsen bei Hosenrohren Abkiirzungen mittlere Offtiungsweite fur Kliifte/fUr Radialrisse/fur Langsrisse kleinste Ubertragungsflache Belastungsflachen Flachen im Bereich / Parameter Druckwellengeschwindigkeit des Rohres Rechenfeldflache (Bruttoflache) Regulierquerschnitt des Schiebers Stabquerschnittsflache {As=s • 4) Offnungsflache des Regelorganes Querschnittsflache des Stiitzringes Scheitelquerschnitt des Zwickeltragers im S c h n i t t x - x Stollenquerschnitt Nennquerschnitt des Schiebers Strombelag bei elektrischen Maschinen Steigschachtquerschnitt Thoma-Querschnitt Verkrautungsstimflache Verstarkungsflache bei Abzweigen Verbauungsflache der Abstandshalter, Rechentrager etc. Verbauungsflache der Rechenstabe verlegte Flache infolge Treibgut, Algen, Muscheln etc. Beckenoberflache WasserschloBquerschnitt Querschnittsflache im Windkessel-WasserschloB aquivalenter Windkessel-WasserschloBquerschnit

[€] [mVm] [A/m] [m^] [m^] [m^] [m] [m] [-] [m/s] [m^] [m^] [m^] [m^] [-] [m^] [-] [m^] [-] [m^] [m] [-] [-] [m^] [m/s] [m^] [m^] [m^] [m] [m] [mm^] [mm^] [mm^] [-] [m/s] [m^] [m^] [mm^] [m^] [m^] [mm^] [m^] [m^] [A/m] [m^] [m^] [m^] [mm^] [m^] [m^] [m^] [m^] [m^] [m^] [m^]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren Aa b b b b b B B Bg, Bo bo Ba/Bi BD bi bi bi Zb'/ bk Bp Zbpj bre BRT bs Bs bii b^ b^irk c c c c C C Ca C/Ci ci c/ C2 C2 Cb CD,F CD,K CE CET Ci q q], / q", Ck c„ cp Cq Cs Cs.zui Cv,i d

Materialflachen Breite/Gerinnebreite Packungstiefe des Dichtungsmaterials mittragende Lange im Hauptrohr BestimmungsgroBe Hohe des Spiralquerschnittes Konstante magnetische Induktion Trapezquerschnittshohe im Querschnitt Ag, Trapezquerschnittshohe im Querschnitt Ag Hohe im Turbineneintrittsquerschnitt Beiwerte zur Ermittlung der Wanddicken unter Innendruck Laufradbreite bei Durchstromturbinen Gerinnebreite am Punkt i Sickerstromungsparameter Abkurzungen Gerinnebreite im verbauten Querschnitt mittlerer Abstand der Einzelkltifte bzw. Radialrisse Breite des Unterwasserkanales bei Pelton-Turbinen Breite der aufgesetzten Pfeiler Breite des Rechenquerschnittes Bruttoregistertonnen Breite des Stutzringes Breite des Sandfanges Breite der Uberfallkrone Breite der Schwall- bzw. Sunkwelle wirksamer Stababstand: b^trk < e bzw. b^^irk < 0,7-is spezifische Energieerzeugungskosten Beiwert Korrekturbeiwert ftir voUkommenen/unvollkommenen Uberfall Konstante am Punkt / zur Abschatzung der Felsiiberdeckung Kapazitat Essonsche Ausnutzungsziffer Korrekturfaktor fiir den Krummungswinkel a Konstante/Bestimmungsgr56e Zuschlag fiir Fertigungstoleranzen Zuschlag"^ fiir Fertigungstoleranzen Zuschlag fiir Abnutzung und Korrosion Dusenaustrittsgeschwindigkeit Faktor fiir die Resthohe am Spiralenende: c ^ « 1,2 -^ 1,4 Laufradbeiwert bei Francis-Turbinen Laufradbeiwert bei Kaplan- und Propellerturbinen Einkaufspreis des Pumpstromes Kohlenstoffaquivalent zur Schweifieignungsbeurteilung Konstanten Vektor der Absolutgeschwindigkeiten

795 [mm^] [m] [mm] [mm] [m] [m]

H [T=VsW] [m] [m] [m] [-] [m] [m] [m/s] [m] [m] [m] [m] [m] [t] [m] [m] [m] [m] [mm] [€/kWh] [-] [-] [-] [F] [kVAmin/m'] [-]

[%] [mm] [m/s] [-] [(s/m)-"^] [(s/m)-"^] [€/kWh] [%] [m/s] [m/s]

tangentialer/radialer Absolutgeschwindigkeitsvektor

[m/s]

Korrekturfaktor fur die aquivalente Rauheit k Dimensionskorrekturfaktor: c„=l m^'^/(m^/sy'^ Leistungsiiberschlagsbeiwert (incl. Generator, Trafo etc.) Korrekturbeiwert fiir Querschnittserweiterungen Konzentration der Geschiebe- und Schwebstofffracht zulassige Konzentration der Geschiebe-/ Schwebstofffracht im Triebwasser Verformungsbeiwerte fiir Durchmesseranderungen Rohrdurchmesser

[-] [m'"'/(mVs)"^] [kg/s'm'] [-] [kg/m'] [kg/m'] [-] [m]

796

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

d D D

Durchmesser der Uberfallkrone LauferauBendurchmesser bei elektrischen Maschinen Schiebemennweite Durchmesser des Kreisringquerschnitts Ag, Durchmesser des Hauptrohres bei Hosenrohren LaufradauBendurchmesser Laufraddurchmesser der fiktiven Turbine bei Q* =\ mVs Komdurchmesser bei 90 % Siebdurchgang Durchmesser des Rohres an der schwachsten Stelle charakteristischer Komdurchmesser Durchmesser des Degenrohres Fallschachtdurchmesser GrenzkomgrOBe Geschiebe - Schwebstoff hydraulischerDurchmesser: dhy = dKreisrohr = 4-rhy = 4(A/iJ Rohrinnendurchmesser Dicke der Schicht / Laufradinnenkreisdurchmesser bei Durchstromturbinen Innendurchmesser des Hauptrohres bei Rohrabzweigen mittlerer Komdurchmesser Laufraddurchmesser der ModeUturbine Strahldurchmesser bei Pelton-Turbinen Strahlkreisdurchmesser des Pelton-Laufrades Stollendurchmesser Unmndheit bei Rohren Verformung des Rohres lichter Abstand der Rechenstabe Energie Elastizitatsmodul der Ringwulstschale Verformungsmodul des Bodens seitlich des Rohres Gmndwert von E2 Arbeitsvermogen effektives Arbeitsvermogen theoretisches Arbeitsvermogen jahrliche bezogene Energiemenge Elastizitatsmodul der Flussigkeit E-Modul des Felsens/Gebirges kinetische Energie potentielle Energie Elastizitatsmodul des Rohres Elastizitat von Stahl E-Modul der StoUenauskleidung Elastizitatsmodul des Wassers Wellenenergie Einbauziffer fur Betonrohre Formbeiwert Netzfrequenz, in Deutschland i. d. R . / = 50 Hz Frequenz Kraft Bewertungsfaktor fiir die Tragfahigkeit scheiben- oder rippenformiger Verstarkungen Reduktionsfaktor fiir das Kriechen Abmindemngsfaktor fur Sackungen infolge GmndwassereinfluB Bewertungsfaktor bei Hosenrohren Ausbaugrad Anregerfrequenz infolge Wirbelablosungen Spannungserhohungsfaktor, fur gerade Rohrei^^ = 1 Eigenfrequenz Gmndeigenfrequenz

dg,

Do Ds D; dgo da,min dch

d, dF dgr dhy di di

A Di dm DM

dp Dp

ds du Ad, e E E E2 E20 Ea Ea,eff ^Qythe

EE EF EG

Ek E, ER

Es Es E„ Ewe

EZ

f f f F fi

f, f2

fs fa fA

h

fE fE,0

[m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [mm] [m] [mm] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [%] [mm] [m] [kWh] [N/mm^] [MN/m^] [MN/m^] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [N/mm'] [N/mm^] [kWh] [kWh] [N/mm^] [N/mm^] [N/mm^] [N/mm^] [Wh] [-] [-] [Hz] [Hz = s-'] [N] [-] [-] [-] [-] [-] [Hz]

H [Hz] [Hz]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren Fi Fi

FK FKi FM FM.K

fr Fr Fr

Fr* Fr2 Fr; ^ reak

Fs Fu Fzw,r

g G G GR GRJ

Gs GT

Gza Gw,senk

h h H H Ah h(t) ho ho hi hi hi/h2 hi/h2 ha flamb

hsw he

h, ho hdyn

hE HE he.Sp MEJ

he,u hf hf,o hf,B hf,N

ho f^geo

HHQ HHS

Hilfslasten zur Strafienverkehrslast Druckkraft auf Stollenquerschnitt / Krummerkraft aus Drucken Kriimmerkraft infolge Impulsanderung Stopfbuchsen- bzw. Muffenkraft Reibungskraft an der Stopfbuchse Relaxationsfaktor bei Wasserschlossem Froudesche Kennzahl Reibungskraft im Stollenquerschnitt 1-2 Feststoff-Froude-Zahl Froudesche Kennzahl hinter der Tauchwand kritische Feststoff-Froude-Zahl (Bewegungsbeginn) Auflagerkraft Schleppkraft Kegelstiickkraft im Ubergangsstuck Reibungskraft an Zwischenabstutzungen Erdbeschleunigung: g = 9,81 m/s^ jahrlicherNettogewinn Gewichtskraft Rohrleitungsgewicht Eigengewichtskomponente senkrecht/parallel zur Rohrachse Gewichtskraft des Stollenvolumens Turbinengewicht Spurlagerbelastung senkrecht wirkende Gewichtsanteile der Wasserftillung Bodenuberdeckung/Uberdeckung ab HOhe Rohrscheitel statische Druckhohe am betrachteten Punkt / Wellenhohe magnetische Feldstarke Wasserspiegeldifferenz Wasserspiegelhohe zum Zeitpunkt t Wasserspiegelhohe iiber Bezugshorizont Hohendifferenz Beckenwasserspiegel - WasserschlofifiiBpunkt bzw. Leitungsachse Freihang bei Pelton-Turbinen Fallhohe der fiktiven Turbine: hi = \m Druckhohen in den Abstanden ri /r2 Wasserspiegelhohe vor/hinter der Tauchwand Druckstofihohe AtmospharendruckhOhe: hamb = 1 bar = 10 mWS HOhe des Bergwasserspiegels uber Stollen GeschwindigkeitshOhe DampfdruckhOhe des Wassers Druckhohe dynamische Saughohe Energiehohe magnetische Feldstarke im Eisen Hohe der Betonhalbspirale im Einlaufquerschnitt Energiehohendifferenz in der Turbine EinlaufuberdeckungshOhe Fallhohe Fallhohe im stationaren Betrieb Bruttofallhohe NettofallhOhe vertikale Tiefe des betrachteten Punktes / geodatische Hohendifferenz zwischen Unter- und Oberwasser hochster HochwasserabfluB Hydraulic-Habitat-Suitability-Index/HHS-Index

797 [kN] [N] [kN] [kN] [N] [N] [-] [-] [N] [-] [-] [-] [N] [kN] [N] [N] [m/s^] [€/Jahr] [N] [t] [kN] [N] [t] [t] [N] [m] [m] [m] [A/m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [A/m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m^/s] [-]

798

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

hi Ahi hk

Wasserspiegelhohe am Punkt / Druckhohendifferenz zwischen den Randem der Schicht / kinetische Energiehohe magnetische Feldstarke im Luftspalt Fallhohe der Modellturbine hochster DruckstoBausschlag im geneigten Hochdruckschacht zwischen WasserschloB und Maschinengruppen potentielle Energiehohe Pumpenforderhohe Zulaufhohe der Pumpe Hohe des Massenschwerpunktes bzgl. des Bezugshorizontes Druckhohe am Schieber Saughohe DruckstoBhohe im horizontalen Zuleitungsdruckstollen infolge der Drosselung am WasserschloB Hohe der Tauchwand Uber der Sohle Amplitude der Tidewelle Uberfallhohe Mindesthohe der Kanalberandung bzw. des Ufers GeschwindigkeitsverlusthOhe hv,c = v^ /2g Drosselverlust Einlaufverlust VerlusthOhe Krummungsverlust Pfeilerverlust Stufen- bzw. Sohlschwellenverlust Schieberverlust Querschnittsanderungsverlust Reibungsverlusthohe Rechenverlust Summe der Reibungs- und GeschwindigkeitsverlusthOhen im Stollen bei stationarem Betrieb Verlusthohe im Saugschlauch Verluste am Saug-/Druckstutzen bei Pumpen Verlusthohe im stationaren Betrieb Tauchwandverlust Querschnittsveranderungsverlust Verzweigungsverlust im Abzweig/Hauptgerinne Druckhohe im Windkessel-WasserschloB kalkulatorischer Zinssatz: / =p/100 Anzahl der Pumpenstufen elektrischer Strom Investition Tr^gheitsmoment des Stabes quer zur FlieBrichtung Effektivwert des elektrischen Stroms, Effektivstrom spezifische Investition Energieliniengefalle hydraulisches Gefalle innerhalb der Schicht / Teilinvestition im Jahr K KurzschluBstrom AuBenleiterstrom Nennstrom Rohrleitungsinvestitonskosten StoBkurzschluBstrom Strangstrom Institut fur Wasserbau der Universitat Stuttgart Anzahl der nebeneinandergeschalteten Pumpen Abkurzungen

HL

hM f^max

K hp hps

hs hs hs hs,stoji

ht HTW

hu hufer

Kc K,D

K,e Ki K,k K,p hv,qh K,qs K,qv

K,r Kre K,S K,S hv,s/hv,D hv,so

K,t

K, K,i hwk

I I llejf

lo

h h IK IK ^Letter

IN IR htoji Istrang

IWS j h

[m] [m] [m] [A/m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [ra] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [-] [-] [A] [€] [mm''] [A] [€/kW] [-] [-] [€] [A] [A] [A] [€] [A] [A] [-]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren k K K* k.A. Kj Kj ki,k2 K2 KB

k, KD KE

kf kp/ks KG

ki

Ku KJ Kj,E KN

K kr KR

kst,v Kt kzF kzK

Ku ku.D ku,F ku,K ku.P K,i

I L L l/L LAWA IE IF

IFJ

hix

h Lp is

is is Ls it LT

iu izw

m

aquivalente Rauheit Festigkeitskennwert Reaktionsdruckbeiwert keine Angabe Konstante Verhaltnis von horizontalem zu vertikalem Erdruck Konstanten Erddruckverhaltnis laufende Betriebskosten der Wasserkraftanlage Durchgangsdrehzahlfaktor Laufraddrall Beiwert der Eintrittsgeschwindigkeit bei Spiralen abtrennbaren Einzelkosten Durchlassigkeitsbeiwert Durchlassigkeitsbeiwert des Felsens/Betons Gemeinkosten Durchlassigkeitsbeiwert der Schicht / Abkurzungen Jahreskosten/-ausgaben jahrliche Kosten fur die bezogene Energie Produktionsnebenkosten (Steuer, Verwaltung etc.) Faktor infolge QuerdehnungseinfluB Kornrauheit Einheitspreis des Rohrmaterials Strickler-Beiwert korrigierter Strickler-Beiwert infolge Verkrautung fur Verkrautungsgrade 5 >A/Av> 130 Kosten (Ausgaben) im t-ten Jahr, auf Jahresende bezogen hydraulischer Turbinenbelastungsbeiwert (Francis-Turbine) hydraulischer Turbinenbelastungsbeiwert (Kaplan-Turbine) laufende Unterhaltungskosten Beiwert fur DurchstrOmturbinen: ku,D « 35-39 Beiwert fur Francis-Turbinen Beiwert ftlr Kaplan- und Propellerturbinen Beiwert ftir Pelton-Turbinen Verlegungsfaktor eines Rechens der Gruppe 1 oder 2 Leiterlange bei elektrischen Maschinen Induktivitat Lauferlange bei elektrischen Maschinen Lange (Wellenlange/Streichwehrlange etc.) Landerarbeitsgemeinschaft Wasser mittlere Wegl^ge im Eisen Fallschachtlange Teillange des Abschnitts / Leitungslange zwischen Fixpunkt und nachstem oberhalb liegendem Dehnungsausgleich Dicke des Luftspalts bei elektrischen Maschinen Turbinengehausedurchmesser/-breite bei Pelton-Turbinen schwingungsfahige Stablange (Querabstand) mittragende Lange im Abzweigrohr/Stutzen Stollenlange Sandfanglange (wirksamer Raum) Abstand bei Abzweigen Lange der Tragerschwerachse des Kragtragers benetzter Umfang Leitungslange zwischen den betrachteten Auflagem Masse Anzahl der abtrennbaren Einzelkosten

799 [mm] [N/mm^] [-] [-] [-] [-] [-] [€] [-] [mVs] [-] [€] [m/s] [m/s] [€] [m/s] [€/Jahr] [€] [€] [-] [m^^Vs] [€/t] [m'^Vs] [m^^Vs] [€] [-] [-] [€] [-] [-] [-] [-] [-] [m] [H = Vs/A] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [mm] [mm] [m] [m] [mm] [m] [m] [m] [kg] [-]

800

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

m m m M M(KgeJ

Boschungsneigung 1: m Dampfungsbeiwert Strang-ZPhasenzahl Lagerungskoeffizient(gelenkig/eingespannt) Schwerpunktwert der Ergebnisflache (Fuzzy Logik) Maximalmoment im statisch bestimmten Grundsystem (Nullzustand) maximale Drucksto6h5he infolge Joukowsky-StoB Einspannmoment am geraden Kragtrager inneres Drehmoment Beiwerte zur SchnittgroBenermittlung bei Rohren Momente infolgey Kippmoment Moment in Langsrichtung Nenndrehmoment MittelwasserabfluB Reluktanz- oder Reaktionsmoment Maximalwert des Reluktanzmomentes Wassermasse im Stollen Moment im Scheitel im Schnittx-x Reaktionsmoment der Kontrollraumbegrenzungskraft S Drehmoment StoBmoment resultierendes Drehmoment der Synchronmaschine Drehmoment auf die Turbinenachse infolge des Wassers Momentenverlauf am geraden Kragtrager (Nullzustand) Moment infolge Verformungsbehinderung DruckstoB-Ubertragungsparameter bei Teilreflexion am WasserschloB Zahlungszeitpunkt bzw. Beginn der Zahlungsreihe Stabanzahl Polytropenexponent Drehzahl Drehzahl der fiktiven Turbine bei hi = \m Drehzahl der Einheitsturbine Eigengewichtskomponente parallel zur Rohrachse ng = qg • tan p Normalkrafte infolgey Drehzahl der Modellturbine niedrigster NiedrigwasserabfluB Net positive suction head spezifische Drehzahl spezifische Drehzahl pro Duse Abminderungsfaktor infolge Rohrriickverformung spezifische Drehzahl bezogen auf die Turbinenleistung Normalkraft im Scheitel im Schnitt x-x Synchrondrehzahl zur Netzfrequenz Nutzen (Einkommen) im Men Jahr, auf Jahresende bezogen Uberdruck ZinsfuB Polpaarzahl bei elektrischen Maschinen {2p ist damit die Polzahl) Leistung Flachenlast absoluter Druck Atmospharendruck Blindleistungsanteil an der Scheinleistung Wasserdruck am AuBenrand der injizierten/aufgelockerten Felszone Durchgangsleistung Bodenspannungen infolge Erdauflast horizontaler Erdruck auf Ebene des Rohrscheitels elektrische Leistung (Momentanwert)

max hajou Mmnsp Mi mi/rii Mj MK

Ml MM

MQ M, Mr,max

ms Ms Ms Ms Mstoji Msyn MT

Mc

A^ n n n n ni

nn Nj riM

NNQ NPSH nq,D riR ris

Ns Nt

P P P P Po Pabs Pamb PB

Pc PD PE

PE,h Pel

[-] [-] [-] [-] [kNm] [m] [kNm] [Nm] [-] [kNm/m] [Nm] [kNm] [Nm] [mVs] [Nm] [Nm] [kg] [kNm] [Nm] [Nm] [Nm] [Nm] [Nm] [kNm] [kNm/m] [-] [a] [-] [min"*] [min'] [min'] [kN/m] [kN/m] [min'^] [mVs] [m] [min-*] [min"^] [-] [min'^] [kN] [s'] [€] [N/m^] [%] [-] [W] [kN/m'] [N/m'] [N/m^] [W] [N/mm^] [W] [kN/m'] [kN/m'] [W]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren Pel Pel PEng PF Phydr Pi Pi Pi Pi Pi,So /pi,Su Pj(ti) Pkrit,el Pkrit,pl ^mech PP PpM Pre

Ps PT ^theo

Pv Pv Pv PKges Pv.i ^Verlust

P^ Pw PWk

q

q Q Q

Q: Qn Qa qsi qc QD

Qe qp qg qh Qi QK QM QM

Qp

Qs Qs,o QsTS QT

elektrische Leistung (konstant bzw. zeitlicher Mittelwert) Wirkleistung in einem Dreiphasensystem EngpaBleistung Spannung unter Radlasten und Radaufstandsflachen theoretisch mOgliche hydraulische Anlagenleistung Druck am AuBenrand der Schicht / Innendruck hydrostatischer Druck im Punkt / innere Leistung oberer/unterer Wert der Schwingungsamplitude Druck zum Zeitpunkt /, zulassiger Druck (Lastfall elastisches Einbeulen) zulassiger Druck (Lastfall plastisches Verformen) mechanische Leistung auf der Welle Leistungsbedarf der Pumpe Leistungsbedarf des Pumpenmotors Verbauungsgrad des Rechens Scheinleistung Turbinenleistung theoretische Leistung des Laufrades Verkehrslast lotrechte Kraft auf die Flache F Leistungsverlust Gesamtverkehrslast Verkehrslast der jeweiligen Verkehrsart Anlagenverlustleistung Wirkleistung (Momentanwert) Wirkleistung (zeitlicher Mittelwert) Druck im Windkessel-WasserschloB ZufluB zum Schacht pro laufenden Meter H5he Zinsfaktor:^ = 7+/?/7(?0 Abflachung bei Rohren Leiterquerschnitt bei elektrischen Maschinen DurchfluB/AusfluB/AbfluB DurchfluB in Abhangigkeit des Spiralenwinkels (p DurchfluB vor/nach dem Offnen bzw. SchlieBen Last DurchfluB der fiktiven Turbine bei hi = lm DurchfluB der fiktiven Turbine bei Qi*=\ mVs EinheitsdurchfluB AusbaudurchfluB ZufluB durch den ungerissenen/gerissenen Beton ZufluB aus der injizierten/aufgelockerten Felszone DurchfluB pro Diise bei Pelton-Turbinen DurchfluB nach Beendigung des Offiiungsvorgangs ZufluB aus dem umgebenden Gebirge Eigengewichtskomponente senkrecht zur Rohrachse horizontaler Seitendruck am Rohr horizontaler Bettungsreaktionsdruck biegeweicher Rohre DurchfluB an der Stelle / Drossel- bzw. KammerdurchfluB DurchfluB pro Maschinensatz ModelldurchfluB PumpenfOrderstrom DurchfluB im Stollen stationarer StollendurchfluB SteigschachtdurchfluB TurbinendurchfluB

801 [W] [W] [kW] [kN/m'] [kW] [kN/m'] [kN/m^] [N/m'] [W] [N/mm'] [N/m'l [N/mm^] [N/mm^] [W] [kW] [kW] [-] [W] [kW] [Nm/s = W] [kN/m^] [kN] [W] [kN/m'] [kNW] [kW] [W] [W] [N/m'l [mVsm] [-] [mm]

K] [mVs] [mVs] [mVs] [kN/m] [mVs] [mVs] [mVs] [mVs] [mVsm] [mVsm] [mVs] [mVs] [mVsm] [kN/m] [kN/m'] [kN/m'] [mVs] [mVs [mVs [mVs [mVs [mVs [mVs [mVs [mVs

802

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

QT,O

stationarer TurbinendurchfluB vertikale Gesamtlast am Rohr Wasserverlust aus dem Stollen pro laufendem Meter Querbelastung aus Wasserfullung DurchfluB im WasserschloB Querkraft infolge Verformungsbehinderung prozentuale Preissteigerung Nutzen-Kosten-Verhaltnis Radius Restwert der Anlage am Abschreibungsende Zylinderdurchmesser ohmscher Widerstand Bewegungsrisiko SpiralenauBem'adius SpiralenkemauBenradius Radius im Trapezquerschnitt bei Spiralen Abstande zum Schacht Querschnittsflachenverhaltnis WasserschloB/Triebwasserstollen Krummungsradius des Rohrbogens AuBenradius der injizierten/aufgelockerten Felszone Reynolds-Zahl sedimentologischeReynolds-Zahl/Feststoff-Reynolds-Zahl hydraulischer Radius Hilfsradien zur StraBenverkehrslast mittlerer Radius mittlerer Radius der Schicht / mittlerer Radius der Ringwulstschale AuBenradius der von der SickerstrOmung beeinfluBten Felszone Stutzringradius Entsandungsverhaltnis Grad der Fortpflanzung des DruckstoBes Steigerungsrate: s = I + r Hohe der Stufe bzw. Sohlschwelle Rechenstabbreite Schlupf der elektrischen Maschine Sicherheitszuschlag Wanddicke des Rohres Sicherheitsbeiwert Stromdichte Offiiungsgrad eines VerschluB-ZRegelorgans erforderliche Wanddicke des Hauptrohres Betonwanddicke horizontale Bettungssteifigkeit Sicherheitsbeiwert: -S^ = 1,5 ausgefuhrte Wanddicke Eignungsindex der Sohlstruktur (channel index) Eignungsindex der Wassertiefe (depth) Gesamteignungsindex Eignungsindex der FlieBgeschwindigkeit (velocity) Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Beulen beim Berechnungsdruck Wanddicke der Ringwulstschale Strouhal-Zahl Rohrsteifigkeit erforderliche Wanddicke des Abzweigrohres oder Stutzens rechnerische Wanddicke (ohne Zuschlage/ohne Ausschnitt) rechnerische Wanddicke an der BogenauBenseite rechnerische Wanddicke des Hauptrohres am Abzweig (ohne Zuschlage) rechnerische Wanddicke an der Bogeninnenseite

Qverl qw

Qw r R r R R R R R(p ro ri ri/r2 rA rs re

Re Re* fhy

n rm,i rm,R

rs Rs Rs

s s s s s s s

s s

S/Smax SA SB

SBH SD Se

SIci Sid

SI,ges Sly SK SR

Sr SR

ss Sv Sv.a SvA Sv.i

[mVs] [kN/m'] [mVsm] [kN/m] [mVs] [kN/m] [-] [-] [m] [€] [mm] [%] [m] [m] [m] [m] [-] [mm] [m] [-] [-] [m] [m] [m] [m] [mm] [m] [m] [%] [-] [-] [m] [m] [-] [m] [mm] [-] [A/m^] [-] [mm] [m] [N/mm^] [-] [mm] [-] [-] [-]

H [-] [mm] [-] [N/mm^] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

Sv,S

t T T T AT ta ta

tj

TL TR

ts ts u u U U u(r) u(t) U,Ueff Uo U3 Uaufien

UG

Ui

UK

UK UN UR

Us Uss

V V/ Va VA

Vcr VD

Ve Vgr, Beton V,-

Vj(h) Vm Vre

VRB V, Vs Vs

Vs vs,o

v/ Vsp

rechnerische Wanddicke des Abzweigrohres/Stutzens (ohne Zuschlage) Spannungserhohungsfaktor Zeit/zeitliche LaufVariable: t = 1, 2,..., T PeriodendauerAVellenperiode/Schwingungsperiode kalkulatorische Lebenszeit Regelzeit Temperaturanderung Turbinenarbeitszeit Beschleunigungs- bzw. Verzogerungszeit jahriiche Nutzungsdauer Temperatur zum Zeitpunkt /, Laufzeit der Druckwelle Reflexionszeit Rechenstabtiefe SchlieBzeit des VerschluBorganes Verschiebung in Radialrichtung elektrische Spannung wirksamer Umfang des Uberfalles Maximal-, Spitzen- oder Scheitelwert der elektrischen Spannung Radialverschiebung Momentanwert der elektrischen Spannung Effektivwert der elektrischen Spannung, Effektivspannung elektrische Spannung der Spannungsquelle Umfangsgeschwindigkeit des Wassers am Laufradaustritt AuBenleiterspannung elektrische Gegenspannung Verschiebung der Felslaibung induzierte elektrische Spannung Vektor der Kontrollraum- bzw. Umfangsgeschwindigkeiten KurzschluBspannung, auf die Nennspannung bezogen KurzschluBspannung Nennspannung elektrische Spannung am Widerstand Verschiebung des AuBenrandes der Stollenauskleidung Spitze-Spitze-Wert der elektrischen Spannung, Uss = 2 • U Strangspannung Geschwindigkeit, vereinfachend querschnittsgemittelt Volumen^etrachtetes Volumen des homogenen Magnetfelds Schubspannungsgeschwindigkeit FlieBgeschwindigkeit vor dem Rechen bzw. im Rechenquerschnitt AusfluBgeschwindigkeit Verschwachungsfaktor bei Abzweigen kritische FlieBgeschwindigkeit Geschwindigkeit in der Drosselstrecke Eintrittsgeschwindigkeit Grenzgeschwindigkeit bei Betonkanalen Stromungsgeschwindigkeit in der Schicht i Volumen zum Zeitpunkt tt mittlere Geschwindigkeit Verlegungsgrad des Rechens Systemsteifigkeit Sinkgeschwindigkeit in flieBendem Wasser Umfangsgeschwindigkeit des Laufers bei elektrischen Maschinen Geschwindigkeit im Stollen Steifigkeitsverhaltnis Geschwindigkeit im stationaren Betrieb Sinkgeschwindigkeit in ruhendem Wasser Speichervolumen

803 [mm] [-] [s] [s] [a] [s] [K] [s] [s] [h/a] [K] [s] [s] [m] [s] [mm] [V] [m] [V] [mm] [V] [V] [V] [m/s] [V] [V] [mm] [V] [m/s] [-] [V] [V] [V] [mm] [V] [V] [m/s] [m^] [m/s] [m/s] [m/s] [-] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m^] [m/s] [-] [-] [m/s] [m/s] [m/s] [-] [m/s] [m/s] [m^]

804

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

Vw Vjv Vwk Vz Vzu V,ui w w w W W W W Wo w,

Wellengeschwindigkeit WasserschloBvolumen Volumen des luftgeftillten Teils im Windkessel-WasserschloB Laufervolumen Jahreswasserfracht der Zuflusse zulassige Vorprefikraft WehmickenhOhe Rohraufweitung durch den Stiitzring Spulenwindungszahl bei elektrischen Maschinen End-Oder Barwert Widerstandsmoment in Ringrichtung: W = (1 • s^)/6 Flachenwiderstandsmoment: W=b • h^/6 Energie bei elektrischen Maschinen AufweitungeineszylindrischenRohres infolge/?, Vektor der Wasser- bzw. Meridiangeschwindigkeiten

[m/s] [m^] [m^] [m^] [m^] [kN] [m] [m] [-] [€] [mVm] [mm^] [Ws] [m] [m/s]

w, WB Wei WG Wj Wi Wmag WR WR,O WUA X X X" Xa Xc Xd Xi XK XI y Y Y Y /Y/ y/ys yo ywk,o

spezifische Meridiangeschwindigkeit im Turbineneintrittsquerschnitt Barwert der Gesamtbetriebskosten elektrische Energie Kapital- bzw. Gegenwartswert Kraftkomponenten Widerstandsmoment des Kreisrings magnetische Energie VergroBerung der Sttltzringaufweitung infolge Rohrausdehnung Aufweitung des Ringtragers infolge J!7/ Weighted Usable Area Abkiirzung Weg Subtransientreaktanz statisch Unbestimmte kapazitiver Blindwiderstand Synchronreaktanz Abszissenwert der Einzel- bzw. Ergebnisflache (Fuzzy Logik) Streureaktanz induktiver Blindwiderstand Variable (Wasserspiegellage im WasserschloB) Nutzungsgrad maximale Wasserspiegelschwingung: Y = y^ax spezifische Stutzenarbeit Spiegelausschlagsgrenze Substitutionen anfanglicher Spiegelausschlag: yo = P- vsj Hohe des luftgeftillten Teils im Windkessel-WasserschloB in der Ruhelage geodatische HOhe/StauhoheAVasserspiegeldifferenz gleiche Zahlungen einer Zeitreihe einmalige Zahlung Beiwert zur Berucksichtigung des Reroundingeffekts Wasserspiegel in der gedrosselten Kammer KurzschluBimpedanz Anzahl der Laufradschaufeln bei Kaplan-ZPropellerturbinen Anzahl der Maschinensatze hOchster Spiegelausschlag Nenn-Scheinwiderstand Dusenanzahl pro Laufrad bei Pelton-Turbinen Wasserspiegellage im Steigschacht Hohenkoordinate

[-] [€] [Ws] [€] [kN] [mm^] [Ws] [m] [m] [m^] [mVs^] [m] [Q] [kN] [Q] [Q] [-] [Q] [Q] [m] [-] [m] [Nm/kg] [m] [m] [m]

z z Z Z ZK ZK ZL ZM Zmax ZN zp zgrs Zvoi

[m] [m] [€] [€] [-] [m] [Q] [-] [-] [m] [Q] [-] [m] [m]

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren zu^

Koordinate der Wasserspiegelschwingung bezogen auf den Ausgangsruhezustand

22.2 a

B

P

r

Y 5 8

|z _X_ 22.3

fn 1A^ ct d DM €/EUR F g

Ih H Hz J

[K

[m]

Griechisches Alphabet

IX" A E

805

alpha beta gamma delta epsilon zeta

H 0 I K A

11

a I K

X [y\^ ^

eta theta jota kappa lambda my

N H 0

^

n

71

p [^

V

o

P a

ny xi omikron pi rho sigma

pT"

T

tau

Y

D

o

9

ypsilon phi

X

X y

chi psi

r[Q

(0

omega

1 |

1 1 |

Einheitenabkiirzungen Ohm Jahr Ampere Cent (Wahrungseinheit) Tag Deutsche Mark (Wahrungseinheit) Euro (Wahrungseinheit) Farad (Kapazitat) Gramm Stunde Henry (Induktivitat) Herz Joule Kelvin (Temperatureinheit)

[m N Pf s t T TEUR V W Wb o

re

%

[%0

Meter Newton Pfennig (Wahrungseinheit) Sekunde Tonne Tesla (magnetische Induktion) Tausend Euro (Wahrungseinheit) Volt Watt Weber (magnetischer FluB) Grad (WinkelmaB) Grad Celsius (Temperatureinheit) Prozent Promille

| 1 1 1 1 1 1

1 | |

806

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

22.4

Einheiten und Umrechnungsfaktoren

Tabelle 22.1: Dezimale Vielfache von Einheiten 1 1 1 1 II

1 II

I

Vorsatzzeichen a f P n

Vorsatz Atto Femto Piko Nano Mikro Milli Zenti Dezi Deka Hekto Kilo Mega Giga Tera Peta

^ m c d da h k M G T P E

Exa

Bedeutung Trillionstel Billiardstel Billionstel Milliardstel Millionstel Tausendstel Hundertstel Zehntel Zehn Hundert Tausend Million Milliarde Billion Billiarde Trillion

Exponent io-'» 10-^ 10-'^ 10-' 10"" 10-^ 10-^ 10-' 10> 10^ 10^ 10" 10' 10'^ 10'^

10"

1

1

| | | | | |

| | 1 1 | |

Tabelle 22.2: Einheiten und deren Beziehung zu BasisgroBen |GroBe

Einheitim Sl-System Newton Newtonmeter Newton/mm'^

Kraft |Drehmoment iMechanische Spannung, Festigkeit pruck Pascal Bar

Kurzzeichen N Nm N/mm'

Beziehung zu Basis- Bisherige Einheiten Kurz- 1 zeichen | groBen des Sl-Systems Kilopond 1 N = 1 (kg-m)/s' kp 1 kpm 1 1 Nm = 1 (kgm'Vs" Kilopondmeter 1 N/mm^ Kilopond/mm"^ kp/cm"^ 1 = 1 (kg-m)/(s^-10-^-m^)

Pa

lPa=l(kgm)

bar

lbar=0,lMPa = l(kg-m-10^)/(s^m^) Newton/mm'^ N/mm' 1 N/mm' = 1 (kgm) /(s'lO-'m') J I J = 1 (kgm')/s' lEnergie, Arbeit, Joule Warmemenge iLeistung W Watt 1 W=l(kg-m')/s'

Kilopond/cm^

kp/cm^ 1

Atmosphare

at

mm Wassersaule mm Quecksilbersaule Kalorie Kilopondmeter Kilopondmeter/Sek. Pferdestarke

mmWS Torr cal 1 kpm kpm/s 1

Tabelle 22.3: Umrechnung von Krafte-Einheiten 1 Einheit Ikp 1 1 J/cm

1 IN

1

1 10,2 0,102

^

J/cm 0,0981 1 0,01

N 1 9,81 100

1 1

PS

1

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

807

Tabelle 22.4: Umrechnung von mechanischen Spannungseinheiten bzw. Festigkeit 11 Einheit 1 1 kp/mm^ 1 1 kp/cm^

2

1 kp/cm^

N/mn?

1 0,01

100 1 10,2

9,81 0,0981

kp/mm

1 1 N/mm^ 1

0,102

1

1 1

Tabelle 22.5: Umrechnung von Druckeinheiten 1 Einheit 1 at ( = 1 kp/cm^) 1 Torr ( = 1 mmHG) 1 mmWs ( = 1 kp/m^) l b a r ( = 0,lMPa) lN/mm^(=10bar)

1 lPa(=lN/m^)

Torr at 1 736 1 1,36-10"' 10-^ 0,0736 1,02 750 10,2 7,510^ 1,02-lOi 7,54 O:^

N/mm^ bar Pa 1 mmWs 10^ 0,981 0,0981 9,8110^ 133,3 13,6 1,3310-^ 1,3310-^ 1 9,81 1 9,8 MO"^ 9,8110-^ 10^ 0,1 1 1,0210^ 1 10^ 10 1,0210^ 0,102 10-^ lo-^ 1 1 1

Tabelle 22.6: Umrechnung von Leistungseinheiten 1 Einheit 1 1 kpm/s IPS 1 1 kcal/s Ikcal/h IkW

1 1 W; J/s; Nm/s

kpm/s 1 75 427 0,119 102 0,102

kcal/s PS 0,0133 2,3410-^ 1 0,176 5,69 1 1,5810-^ 2,778-10"* 1,36 0,239 1,3610-^ 2,3910-^

kcal/h 8,43 632 3600 1 860 0,860

kW 9,8110-^ 0,736 4,19 1,1610-^ 1 0,001

W; J/s; Nm/s 1 9,81 736 4,19-10^ 1,16 1000

1

1

Tabelle 22.7: Umrechnungsfaktoren von Energieeinheiten (Die Zahlenangaben beziehen sich grundsatzlich auf den Heizwert //„) 1 Einheit 1 Kilojoule (kJ) 1 1 Kilokalorie (kcal) 1 Kilowattstunde (kWh) 1 kg Steinkohleeinheit (SK£) 1 kg Roholeinheit (ROE) 1 1 m^ Erdgas

kJ 4,1868 3600 29308 41868 31736

kWh kgSKE kg ROE m^ Erdgas 1 kcal 0,239 0,000278 0,000034 0,000024 0,000032 0,00013 0,001163 0,000143 0,0001 0,086 0,113 859,8 0,123 8,14 7.000 0,70 0,923 10^ 1,486 11,63 1,319 8,816 7580 0,758 1,083

1

Tabelle 22.8: Umrechnung von Energieeinheiten 1 Einheit IMio.tSKE IMio.tBK IMio.tROE 1 IMrd. m'Gas

PJ 29,308 PJ 8,081 PJ 41,868 PJ 35,169 PJ

Peal 7 Peal 1,9 Peal 10 Peal 8,4 Peal

TWii 8,141 2,2097 11,63 9,7692

TWh TWh TWh TWh

1

|

808

22 Symbole, Einheiten, Umrechnungsfaktoren

Tabelle 22.9: Umrechnungsfaktoren fur Volumeneinheiten 1 Einheit 1 m' 1 cm^

1

1 mm^ 11

^' 1 10-^ 10-^ 10^

cm^ 10^ 1 10-^ 10^

mm^ 10^ 10^ 1 10*

^

10^

II 1

10-^ 10*

1

1

809

Sachverzeichnis A AbfluB 738 Fischaufstiegsanlage 165 gleichfbrmig 138 schieBend 137 stromend 674 AbfluBcharakteristik 45,50 AbfluBdauerlinie 674 AbfluBregime 791 Abkiirzungen 494 Abnahmemessung Abrasionsschaden 189, 499, 564 55,62 Abschreibung s. Sandfang Absetzbecken Absperrorgane s. VerschluBorgane Abundanz 715 Anfahrturbine s. Anfahrwandler Anfahrwandler 533,616,653 775 Ausfiihrungsbeispiel Angebotsgrundlagen 104, 477 Anlagen-ZRohrleitungskennlinie 523 198, 468 Anlagensicherheit 28 Anlagenwirkungsgrad 55 Annuitat 59 Annuitatenmethode 667 Anthropogene Faktoren 731 Aquafauna 586 Arbeit, mechanische 524 Arbeits-ZBetriebspunkt 202, 468 Arbeitssicherheit 29 Arbeitsvermogen 29 Jahresarbeitsvermogen 596, 606 Asynchronmaschine 608, 618 Belastungsgrenze 597 Vergleich Synchronmaschine 689 Auenlandschaft Auflager s Rohrauflager 49,50 AusbaudurchfluB 49,50 Ausbaugrad optimaler 61 Ausbauleistung 49 AusfluB 403 AusfluBbeiwert 402 AusfluBziffer 404 GrundablaB 401 VerschluBorgane 141 vollkommen/unvollkommen Ausfuhrungsbeispiele 782 Drei-Schluchten-Projekt 126 FluBkraftwerk Burgkhammer 756 FluBkraftwerk Sackingen

Freiluftkrafthaus Chatelot 452 Gezeitenkraftwerk La Ranee 111 Hochrheinkraftwerk Laufenburg 546 Hochrheinkraftwerk Rheinau 450 Hochrheinkraftwerk Whylen 750 Kavemenkrafthaus Bieudron 454 Kleinwasserkraftanlage GroBarl 784 Kleinwasserkraftanlage Wehr 779 Mitteldruckanlage Bleiloch 95 Pfeilerkraftwerk NuBdorf 91 Pumpspeicherkraftwerk Glems 99 Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal 663 Pumpspeicherkraftwerk Hausem 529 Pumpspeicherkraftwerk RoBhaag 646 Pumpspeicherkraftwerk Sackingen 766 Pumpspeicherkraftwerk Wehr 769 Rheinkraftwerk Albbruck-Dogem 446 Rheinkraftwerk Iffezheim 446 iiberstrombares Kraftwerk am Lech 92 Werksgruppe Hotzenwald 759, 766 Werksgruppe Schluchsee 758, 761 Ausgleichsspeicher 764 Ausleitungskraftwerk 93 Fischaufstiegsanlage 734 Kanalkraftwerk 93 Mindestwasser 705 Schleifenkraftwerk 93 Schlingenkraftwerk 93 Ausnutzungsdauer 18,48, 62, 66, 656 Ausschreibung 38 AuBenkranzgenerator 545

B Bahnstromfi-equenz 604 56,58 Barwert Baugrund 444, 691 Bauordnung 78 Be-/Entltiftungsventile 397 Belastungen von Rohrleitungen 232 241 auBere 247 Belastungsgrenze 257 BemessungsfluBdiagramm 242 Eigengewicht 252 Einbettungsbedingungen 238 Einbeulen, elastisches 248, 256 eingeerdete Rohrleitung 245, 248, 255 Erdlast Flachenlast 248 grabenlose Verlegung 259 Innendruck 236 Lastaufteilung 251 Randfaserdehnung 267

810

Sachverzeichnis

246 Rohrverbindungen 267 Rohrverformung 246 Rohrverjungungen SchnittgroUen in Rohrringrichtung 264 Temperaturanderung 247 Uberschuttungsbedingungen 249, 252 Verformen, plastisches 238 251 Verformungsmodul 242 Verkehrslast 259 Vortriebsrohre 242 Wasserfullung Belastungen, Krafthaus 443 510,557,688 Beluftung 45 BemessungsabfluB 483 BemessungsdurchfluB 483 Bemessungsfallhohe 679, 680 Benthische Organismen 25,26 Bemoulli-Gleichung 203 Betonrohre 43 Betreibermodell Betrieb Betriebssicherheit 468 Druckrohrleitungen 198 Instandhaltung 473 Steuerung 455 64 Betrieb/Unterhalt 651 Betriebsartenwechsel 198,391,468 Betriebssicherheit Betriebsiibergangszeiten 775 52 Beurteilung 70 systematische Bewasserung 693 Bewertung 52 betriebswirtschaftliche 53 67 gesamtgesellschaftliche gesamtwirtschaftliche 67 systematische 70 Bewirtschaftungskosten 64 Bewirtschaftungsstrategie 30,45 Blindleistung 587 587 induktive kapazitive 589 Blindleistungsbetrieb 617, 640, 654 Blindwiderstand induktiver 587 kapazitiver 588 88 Blockbauweise Brandschutz 469 Bremsturbine 518 s. Speicher Brennstoffzelle Bruchsicherung 516 Brunnenabsenkung 300 Buchtenkraftwerk 89 Bypassregelung 518

C CASIMIR, Simulationsmodell Charakteristikenverfahren Charakteristiken DruckstoB Grundgleichungen Grundlagen WasserschloB Windkessel-WasserschloB Choriotop Coanda-Feinrechen Coriolis-Beiwert

708,713 228 230 230 227 370 383 680 146 25

D Dampfdruckhohe Wasser 509 Datenarchivierung 475 Deckwerk 182 durchlassiges 183 undurchlassiges 184 100, 282 Dehnungsausgleicher 283 Ringwulstkompensatoren 283 Stopfbuchsendehner 283 Wellrohrkompensatoren 121 Depressionskraftwerk 534, 547 Diagonalturbine Dichtung 100, 772 Ausftihrungsbeispiel 644 Danmi 182 Freispiegelleitung 540 Kaplan-Turbine 446 Krafthaus 517 Regulierorgan 162 Schiitz 410 VerschluBorgan 356 Differenzenverfahren 359 implizites s. Dehnun gsausgleicher Dilatationen Dotationskraftwerk 104 Ausfuhrungsbeispiel 665, 779 Fischaufstiegsanlage 105, 737 Drainagewasser 472 Drall Saugschlauch/-rohr 510 Spiralgehause 504 Drehmoment elektrische Maschinen 614 Kennlinie, Turbine 494 Stillstandsmoment 495 Turbine 481 Drehspannungssystem 601 Drehstromenergie AufbereitungA^erteilung 629 Messung 630

Sachverzeichnis Drehstromnetz 600 Drehzahl 495, 625 Durchgangsdrehzahl 496 Einheitsdrehzahl 600 elektrische Maschinen 522 Kreiselpumpe 486, 496 Maschinendrehzahl 495 Nenn-/Betriebsdrehzahl 484, 496 spezifische 524, 527 spezifische fur Pumpen 486, 601, 604, 616 Synchrondrehzahl variable 104, 519, 532, 611, 653, 663 Drehzahlregelung s. Regelung 681 Driftfalle Drosselkurve 523 Drosselorgane s. VerschluBorgane Drosselquerschnitt 399 Druckprufung 198 Druckrohrleitung 209 Anzahl der Rohrstrange Belastungen von Rohrleitungen 232 Bemessung s. Belastungen Bemessung, hydraulische 207 Bemessung, statische 232 BemessungsfluBdiagramm 257 Bemessungsnachweis s. Nachweis 203 Betonrohre Betrieb 198 Beullange 239 Dauerschwingfestigkeit 236 Druckprufung 198 DruckstoB 214 Durchmesser, abgestufter 220 Durchmesser, wirtschafllichster 212 Einbeulen, elastisches 238 Einlaufbauwerk 185 Fixpunkt 273 Geschwindigkeit 208 GFK-Rohre 204 GuBrohre 203 Holzrohre 206 Innendruck, zulassiger 231 Kavitation 406 Kleinwasserkraftanlage 103 Knimmerkrafl 276 Randfaserdehnung 267 Rohrabzweig 305 Rohrauflager 273 Rohrausladung 253 Rohrverbindung 199 Rohrverformung 267 SchnittgroBen in Rohrringrichtung 264 Spannungen 233 Stahlrohre 199 Systemsteifigkeit 254

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Ubergang aus Freispiegelleitung 185 Uberwachung 198 Unrundheit 239 Verformen, plastisches 238 VerschluBorgane 391 Verteilrohrleitung 305 236,240 Wanddicke, erforderliche Wanddicke, rechnerische 235 272 Wanddicke, Rohrkrummer WasserschloB 333,367 s. Druckstollen Druckschacht 774 Ausfuhrungsbeispiel Druckstollen Ausfuhrungsbeispiel 763 Bemessung, statische 290 Bemessungsdiagramm 295,297 Bettung im Fels 293 Dehnungen 291 Dichtung 287 Felsuberdeckung 288 Gebirgsreaktionsdruck 294 Kleinwasserkraftanlage 103 konstruktive Ausbildung 287 Panzerung 289,295 Panzerung, Lastvorgaben 377 Sickerstromung 297,300 300 SickerwassereinfluB Spannungen 291 Verschiebung 292 Vorspannung 288 Wanddicke 296 Druckstollenkraftwerk 24, 97 italienische Bauweise Mischbauweise 97 norwegische Bauweise 97 schwedische Bauweise 97 DruckstoB 214 Abminderung 231 Berechnung 219 Charakteristikenverfahren 227 Dampfung 335 DruckstoBerhohung 220 Druckverlauf 220,221 Druckwellengeschwindigkeit 216 Entlastungsventil 231,555 Joukowsky-StoB 219 Laufzeit der Druckwelle 219 NebenauslaB 231,555 Reflexionszeit 220 Regelzeit 222 Rohrwanddickenbemessung 236 SchlieBzeit 221 Teilreflexion 220 Theorie der elastischen Wassersaule 224 Theorie der starren Wassersaule 222

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Sachverzeichnis

VerschluBorgane WasserschloB Druckstofihohe EinfluB der Schliefizeit infolge Joukowsky-StoB DruckstoBminderung Druckzahl DurchfluB EinheitsdurchfluB Spiralgehause Turbine Durchflufimessung Freispiegelleitung Krafthaus DurchfluBzahl Durchgangigkeit Mindestwasser Durchgangsdrehzahl Durchlaufspeichemng Durchmesser hydraulischer wirtschaftlichster Durchmesserzahl Durchstromturbine Ausfuhrungsbeispiel Bemessung Bemessungsschema Betriebsweise Konstruktion Laufrad Leitschaufeln Teillastverhalten Turbinenabmessungen Wirkungsgrad Wirkungsgradkennlinie

409 334 222 221 220 231,555 487 495 504 496 172 447 488 731 718,725 495, 625 86 166 212 488 779 573 574 571 571 571 571 572 574 493 573

E EEG s. Emeuerbare-Energien-Gesetz Effekte exteme 68 EG-Wasserrahmenrichtlinie 75, 671,678,731 Eigenversorgung 28 Einbeulen von Rohrleitungen 238 Einheiten 791 Einlauf Einlaufuberdeckungshohe 142, 186 Fischaufstiegsanlage 740 Treibgut und Treibeis 147 501 Turbine 136 Verlustbeiwerte 506 Wasseruberdeckung, Turbine Einlaufbauwerk 126 Anordnung 135 Bemessung

Druckrohrleitung 185 Einlaufbecken 96, 125, 185 148 Rechenanlage 157 Schwimmbalken 157 Tauchwand 159 VerschluBorgane Einlaufbecken 96, 125, 185 Einlaufschacht 501 Eis Breieis 147 Eisklappe/Eiskanal 147 Eislast 147, 646 Grundeis 147 Treibeis 147 Umweltwechselwirkungen 677 Elastizitatsmodul 217 Elektrische Energietechnik Bewegungsspannung 601 587 Blindleistung, induktive 589 Blindleistung, kapazitive 587 Blindwiderstand, induktiver 588 Blindwiderstand, kapazitiver 601 Drehspannungssystem 629 Drehstromenergie 600 Drehstromnetz 590 Durchflutungsgesetz 586 Effektivspannung 586 Effektivstrom 584 Energie, elektrische Energie, magnetische 586, 592 Feld, elektrisches 588 Feld, magnetisches 590 Feldstarke, magnetische 590 FluB, magnetischer 591 Frequenz 585 Gleichstromtechnik 582 Grundlagen 581 Induktion, magnetische 591 Induktionsgesetz 592 Induktivitat 586 Isolatoren 582 Kapazitat 588 Kondensator 588 Kraftwirkungen 593 585 Kreisfrequenz, elektrische 581 Ladung Leistung, elektrische 583, 585 586 Leistimg, mechanische Leistungsfaktor 589, 617 Leiter 584 Leiter, metallischer 582 Leitfahigkeit, magnetische 591 Lenzsche Regel 592, 595 Magnetfeld 586 Magnetisierungsblindleistung 589

Sachverzeichnis Ohmsches Gesetz 583 585 Periodendauer 592 Permeabilitat 587 ,588 Phasenverschiebung 589 Scheinleistung 582 Spannung, elektrische 585 Spannung, Momentanwert 630 Spannungsmessung 582 Spannungsquelle 586 Spule 593 SpulenfluB 582 Strom, elektrischer 598 Stromdichte 583 Stromkreis Stromstarke, elektrische 583 Verluste Leiter 584 Wechselspannung 585 Wechselspannung, Effektivwert 585 Wechselstrom 585 Wechselstromtechnik 585 Widerstand, elektrischer 583 Windungen 591 Wirbelstrome 602 Wirkleistung 586, 589, 607, 629 Elektrische Maschinen Arbeitssicherheit 472 Asynchronmaschine 596, 606, 608, 618 Aufgaben 596 Ausfuhrungsbeispiel 622 Bemessung 619 Betriebsarten 613 Betriebsarteniibergang 615 Bewegungsspannung 601 603,606 Bleche Blindleistungs-ZPhasenschieberbetrieb 617 Dimensionierung 624 Drehmoment 614 Drehmomentenverlauf 615 Drehrichtungsumkehr 616 Drehspannungssystem 601 Drehzahl 600 Drehzahl, variable 519, 532, 611, 653, 663 Durchgangsdrehzahl 614,625 Durchgehen 614,625 Einbau/Anordnung 621 elektromagn. Energieumwandlung s. dort Entwicklungstendenzen 610 Erregereinrichtungen 623 Erregerwicklung 613 Essonsche Ausnutzungsziffer 624 Fliehkraftbeanspruchung 603 Frequenz 602 Funktionsweise 599 Generator s. dort Generatorbetrieb 614

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621 Generatorenlager Gewicht 625 Gleichstrommaschine 596 HauptfluBwege 595 Inselbetrieb 596,617,635 Kippmoment 614 Kraftwirkungen 593 Kuhlung 620 KurzschluBfestigkeit 626 KurzschluBstrom 614, 627 KurzschluBzustand 614 Lastwinkel 613 Laufer 593, 600, 606 Lauferarten 623 Lauferdurchmesser 619, 624 Leerlauf 613 Leistung, innere 619 589, 617 Leistungsfaktor 593 Luftspalt 617 Magnetisierungsblindleistung 615 Motorbetrieb 599 Pole 600 Polteilung 604 Polzahlen/Polpaarzahlen 597 Primarwicklung 618 Reluktanz-ZReaktionsmoment 618 Reluktanzbetrieb 614, 615, 628 Rtittehnomente 602 Schenkelpohnaschine 607 Schlupf 603 Schnitt 608 Schutz 598 Sekundarwicklung 593, 600, 606 Stander 600, 606 Standerwicklungen 628 StoBkurzschluB 627 StofikurzschluBstrom Synchrondrehzahl 601, 604,616 616 Synchronisation 596, 599 Synchronmaschine Synchronmaschine, Belastungsgrenze 618 Transportierbarkeit 626 Uberdrehzahlfestigkeit 625 Uberwachung 608 Umfangsgeschwindigkeit 603 Umrichter 611,635 Unterschied Transformator 602 Vierquadrantendiagramm 608 Wicklung 600 Winkelgeschwindigkeit, Laufer 603 Wirbelstrome 602 Wirklast 617 Elektromagn. Energieumwandlung Arbeitssicherheit 472 Energie, elektrische 594

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Sachverzeichnis

594 generatorisch Grundprinzip 594 Induktionsgesetz 595 Induktivitat 595 Magnetenergie 595 MagnetfluB 595 motorisch 594 Primarwicklung 597 Sekundarwicklung 598 transformatorisch 594 Elektrotechnische Ausrustung 472 Arbeitssicherheit s. dort elektrische Energietechnik s. dort elektrische Maschinen elektromagn. Energieumwandlung s. dort Energieableitung 631 611,635 Gleichrichter 581 Grundlagen 442 Krafthaus 631 Leistungsschalter 633, 635 Netzverbund 631 Schaltanlage 611,635 Stromrichter s. dort Transformator 631 Trennschaltanlage 611,635 Wechselrichter 684 Emergenz 25 Energie 24 Bewegungsenergie 584, 594 elektrische 15 Energiebilanz der Erde 16 Energieerzeugungsarten 13 Energietrager, Vergleich 16 Energieversorgung 14 emeuerbare 24 kinetische 23 Lageenergie 595 Magnetenergie magnetische 586, 592 potentielle 23 Speicherbarkeit 581 Speichervolumen 29 Energieableitung 631 Energiebedarf Nettoverbrauch pro Haushalt 35 Tagesganglinie 47 Energieerzeuger Betreibermodell 43 Investition 47,61 Stromgestehungskosten 47,60 Energieerzeugung Deutschland 35 Pumpspeicherkraft 655 Typenvergleich 16 weltweit 31

25 Energiehohe kinetische 25 potentielle 23 VerschluBorgane 405 Energiehohendifferenz, Turbine 483 Energiehohenverlust s. Verlusthohe Energieruckgewinnung 105 Energiespeicher s. Speicher Energietrager 13 Energieubertragung 7 Entwicklung 635 Frequenzhaltung 635 Gleichrichter 635 Gleichstrom-Ubertragung 634 Kraftwerke, Aufgaben 636 Kraftwerkseinsatzplanung 584 Leiter, elektrischer 636 Leitwarte 635 Minutenreserve 640 Netzaufbau Netzverbund 46, 633, 635 Primarregelung 635 Schwarzstart 640 Sekundarregelung 635 Spannung 596 48, 637, 650 Strommarkt 635 Stromrichter 633 Verbundsystem 635 Wechselrichter 35 Energieverbrauch 27, 655 EngpaBleistung 186 Entlastungsbauwerk 231,555 Entlastungsventil Entnahmebauwerk s. Wasserfassung Entsander s. Sandfang Entsorgung Anlagenruckbau 702 Rechengut 156 Erdbebensicherheit 444, 691 Erdbeschleunigung 24 Emeuerbare Energiequelle 667 Emeuerbare-Energien-Gesetz 65, 74, 102 Emeuerung s. Instandhaltung Emtefaktor 18 Ertrage,jahrliche 65 Essonsche Ausnutzungsziffer 624 Eulersche Turbinengleichung 481 Exteme Effekte 68

F Fallhohe Bemessungsfallhohe Bruttofallhohe Nettofallhohe

27 483 28, 403 28

Sachverzeichnis Speicher Fauna Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie Felsuberdeckung Femiiberwachung Finanzierung Finite-Element-Methode Prinzip Sandfangbemessung Spannungsermittlung Turbinenbemessung Fischabstiegseinrichtungen Fischaufstiegsanlage Aalleiter AalpaB AbfluB Ausstieg Bauweisen BeckenpaB Becken-Schlitz-PaB Betriebszeiten Borland-PaiJ Bypass Collection Gallery DenilpaB Dimensionierung Dotationskraftwerk Einstieg Einstiegswinkel Fischaufzug Fischlift Fischschleuse GegenstrompaB Geschwindigkeit Lage Leitstromung Rauhgerinne-BeckenpaB Raumvolumen der Fische Rheotaxis, positive RhomboidpaB Ruhezonen Sammelkanal Schiffsschleuse SchlitzpaB Sohlenbauwerke Sohlengestaltung Storsteinbauweise Storungsvermeidung Teilrampe Treibgutverlegungsgefahr Umgehungsgerinne Vertical-Slot-PaB Wanderungsgrunde Wartung WulstfischpaB

30 682 79 288 457 42 318 190 329 499 149, 752 731 748 748 738 740 742 743 742 741 749 737 736 747 738 105, 737 735 735 750 750 749 747 738 733 737 746 739 737 745 739 736 733 746 751 739 747 741 751 740 750 746 731 741 745

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Fischfauna 679 Fischhabitate 717 Fischschleuse s. Fischaufstiegsanlage 149, 752 Fischschutzeinrichtungen 731 Fischweg 752 Fischabstiegseinrichtungen Fixpunkt 273 20 Flachenbedarf Flechtstromung 128 520 Fliehkraftpendel FlieBgewasserhabitate 689, 709 FluBkraftwerk 85 Anordnung 88 Ausfuhrungsbeispiel 756 Ausleitungskraftwerk 93 Blockbauweise 88 Buchtenkraftwerk 89 Durchlaufspeicherung 86 Kippbetrieb 86 Laufwasserkraftanlage 86 Pfeilerkraftwerk 91 Schwellbetrieb 86, 457 Steuerung 86 Stufen-ZStaffelausbau 85 iiberstrombares Kraftwerk 91 Zwillingsbauweise 90 FluBregulierung 677 Flutmuhle 5,109 Francis-S chachtturbine 554 Francis-Turbine Bemessung 557 Bemessungsschema 560 Betriebsweise 553 Francis-S chachtturbine 554 Kavitation 557 Konstruktion 553 Laufrad 556 LaufradauBendurchmesser 558 Laufradschaufelzahl 556 Muscheldiagramm 557 Schnitt 555 Spurlagerbelastung 560 Stutzschaufel 556 Turbinenabmessungen 558 Turbinengewicht 559 Unterschied Pelton-Turbine 565 Wirkungsgrad 493 Freibord 180 Freihang 564 , 570, 648 Freiluftkrafthaus 440 Freispiegelleitung s. a. Triebwasserleitung Anordnung 165 Bemessung 165 Deckwerk 182 Dichtung 182

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Sachverzeichnis

172 DurchfluBmessung 147, 174 Eisbildung 180 Freibord 165, 173 Gefalle 103 Kleinwasserkraftanlage 180 konstruktive Ausbildung 185 natumaher Ausbau 172 Rohrleitung/Stollen 174 Sedimenttransport Ubergang in Druckrohrleitung 185 Verdunstung 182 Verkrautung 171 Wasserspiegelschwingung 178 Wellenbildung 178 Zuschlagen 173 Freistrahlturbine s. Pelton-Turbine Frequenz 585 Anregerfrequenz 152 Bahnstromfrequenz 604 Eigenfrequenz 152 Grundeigenfrequenz 153 585 Kreisfrequenz, elektrische Netzfrequenz 600, 604, 635 Frequenzhaltung 635, 639, 653 Frequenzumrichter s. Umrichter Froude-Zahl 136 Feststoff-Froude-Zahl 176 FST-Halbkugeln 714 Fuzzy Logik AbfluBregelung 456 Fuzzy-Control-Schema 463 Grundlagen 459 Kraftwerkseinsatzplanung 459, 636 Mindestwasser 459, 720 Pumpspeicherkraftwerk 459, 652 Regelungs-ZLeittechnik 86, 456,459 Schwellbetrieb 457 Turbinenregelung 456,515 unscharfe Ansatze 461 WasserschloBuberwachung 378, 459 Zugehorigkeitsgrad 461 G 384 Gaszustandsgleichung Gefahrguter 472 Generator 596 Asynchronmaschine 608, 618 Ausfiihrungsbeispiel 622, 775 AuBenkranzgenerator 545 Bemessung 619 Betriebsarten 613 Betriebsarteniibergang 615 Blindleistungs-ZPhasenschieberbetrieb 617 Dimensionierung 624

Drehrichtungsumkehr 616 Drehzahl, variable 519, 532, 611, 653 Durchgangsdrehzahl 625 Einbau/Anordnung 621 Entwicklungstendenzen 610 Erregereinrichtungen 623 Essonsche Ausnutzungsziffer 624 Generatorbetrieb 614 Gewicht 625 Hochspannungsgenerator 612 Kleinwasserkraftanlage 596 Kuhlung 620,777 KurzschluBfestigkeit 626 Lager 621 Lastwinkel 613 Laufer 606 Lauferarten 623 Lauferdurchmesser 619,624 613 Leerlauf Leistungsfaktor 589,617 615 Motorbetrieb Polzahl 602 Reluktanzbetrieb 618 Schnitt 603 Schutz 608 Stander 606 Standerwicklungen 606 Synchronisation 616 Synchronmaschine, Belastungsgrenze 618 Transportierbarkeit 626 Uberdrehzahlfestigkeit 625 Uberwachung 608 Wirkungsgrad 28,630 128 Geschiebeabweisung Geschiebeabzug 13 0 Geschiebehaushalt 128,673 Geschwemmsel 147,765 765 Geschwemmselaufiiahmegerat Geschwindigkeit Absolutgeschwindigkeit 482 AusfluBgeschwindigkeit 402 Druckrohrleitung 208 Druckwellengeschwindigkeit 216 Einlauft^auwerk 135 Eintrittsgeschwindigkeit, Spirale 503 Feststofftransport 177, 195 Fischaufstiegsanlage 738 Fischaufstiegsanlage, Leitstromung 738 FlieBgewasser 169 KontroUraumgeschwindigkeit 482 Meridiangeschwindigkeit 482 Sandfang 194 Schallgeschwindigkeit 216 Schubspannungsgeschwindigkeit 175 Schwall'/Sunkwelle 179

Sachverzeichnis Sickerstromung 297 Sinkgeschwindigkeit 194 Umfangsgeschwindigkeit 482 Umfangsgeschwindigkeit, Generator 603 Winkelgeschwindigkeit 482 603 Winkelgeschwindigkeit, Laufer 73 Gesetzliche Vorgaben Getriebe 28,511,513 Getriebe-Rohrturbine 545 Gewasserschutz 472 Gewassersohle 679 Gewasserstruktur 705 abiotische Faktoren 710 biotische Faktoren 710 Gezeitenenergie 107 Gezeitenkraftwerk 109 Arbeitsvermogen 111 Arbeitsweise 109 AusbaumogHchkeiten 114 Ausfiihrungsbeispiel 111 Betriebsdiagramm 110 Flutmtihle 5,109 Krafthaus 455 Leistung 111 Pumpspeicherung 110 GFK-Rohre 204 Gleichstrommaschine 596 Gleichstromtechnik 582 Gleichstrom-Ubertragung 635 Gletscherkraftwerk 122 Gradientenkraftwerk 121 GroBprojekt Ausfiihrungsbeispiel 782 47, 635 Grundlastkraftwerk 444, 691 Grundung 677 Grundwasser 203 GuBrohre

H Habitat Heberbauweise Heimfall Herkunftszertifikat HHS-Index Hochdruckanlage Klassifizierung Kleinwasserkraftanlage Krafthaus Typen Umleitungskraftwerk Hochrhein Hochspannungsgenerator Hochwasserregime Holzrohre

709, 715 502, 540 77 22, 637 715 84 103 452 96 96 23 612 674 206

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Hookesches Gesetz 215,328 s, Rohrabzweig Hosenrohr Verlusthohe 211 Hydraulikol 472 Hydraulische Maschine 477, 537 Hydraulischer Koeffizient 28 Hydraulischer KurzschluBbetrieb 101, 654 Hydrogenerator s. Generator Hydromatrix-Modul 542 Hydrosphare 668

I Inbetriebnahme 39 586 Induktivitat Inselbetrieb 102, 596,617,635 Instandhaltung 40, 44, 473 Korrosionsschutz 202, 474 Umweltwechselwirkungen 202, 472, 702 Interstitial 678 731 Invertebraten Investition 58 spezifische 47,61 Investitionsrechnung 55 Isolatoren 582

J Joukowsky-StoB

219

K Kalulationszinssatz 58 554 Kammerturbine Kanal s. Freispiegelleitung Kanalbrticke 180 Kapitalwert 58 Kaplan-Turbine Ausfiihrungsbeispiel 757 Bemessung 547 Bemessungsschema 553 Betriebsweise 537 Dichtung 540 Konstruktion 537 Laufrad 538 LaufradauBendurchmesser 549 Laufradschaufelzahl 548 Muscheldiagramm 548 Rtickstromung 510 Schnitt 539 Spurlagerbelastung 552 Turbinenabmessungen 550 Turbinendeckel 538 Turbinengewicht 552 Wirkungsgrad 492

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Sachverzeichnis

644 Kavemenbauweise Kavemenkrafthaus 440,453 767, 769, 774 Ausfuhrungsbeispiel Mitteldruckanlage 95 Wirtschaftlichkeit 453 Kavitation 406 NPSH-Wert 490,526 Pumpe 526 Saugkennzahl 490 Saugschlauch/-rohr 508 Thoma-Beiwert 489 Turbine 488, 499, 508, 564 Kavitationszahl 408 Kegelrad-Rohrturbine 545 Kesselformel 234 Kippbetrieb 86 Kleinwasserkraftanlage Ausfuhrungsbeispiel 779,784 468 Betrieb/Unterhalt Dotationskraftwerk 104 Generator 596 Gesamtoptimierung 104 Grundlagen 101 GuBrohre 203 Heberbauweise 502,540 207 Holzrohr Hydrologische Situation 46 Inselbetrieb 102 Instandhaltung 473 Kompaktbauweise 537, 542, 554, 562, 573 Konstruktionsprinzipien 102 Kraflhaus 104,455 Leistung, Uberschlagsformel 27 Mindestwasserauswirkungen 728 Modemisierung 42 Reaktivierung 40 Rechengutbeseitigung 15 7 Regelung 458 Stromeinspeisungsvergutung 65 Triebwasserleitung 103 Turbine 537, 543, 554, 562, 565, 571 Versicherung 80 Wasserfassung 103 Wasserkraftschnecke 577 Wasserrader 574 WasserschloB 103 Wirtschafllichkeitsuntersuchung 52 Klimatisierung, Krafthaus 446, 454 Koeffizient, hydraulischer 28 Koknatierung 678 Kompaktbauweise 537, 542, 554, 562, 573 Kondensator 588 Kontinuitatsgleichung 27 Konzession 43 Konzessionszeitraum 76

Komdurchmesser charakteristischer 176, 189 durchschnittlicher 177 GrenzkomgroBe 175 Korrosionsschutz 202 aktiver 474 Instandhaltung 472 Mittel 202 passiver 154 Rechenanlage 474 Turbine 162 VerschluBorgane Kosten Ausfuhrungsbeispiel 779 Betrieb/Unterhalt 64 exteme 68 spez. Energieerzeugungskosten 47, 60, 65 Kostengliederung 71 Krafthaus Aufgabe 439 450, 452, 454, 764 Ausfuhrungsbeispiel 444, 691 Baugrund/Griindung 442 Baustoffe 443 Belastungen 444 Berechnung, statische 439 Bereiche 446 Dichtung 441, 448 Dimensionierung Druckstollenkraftwerk 97 elektrotechnische Ausriistung s. dort 444, 691 Erdbebensicherheit Erscheinungsbild 10 450 Flachbauweise 440 Freiluflkrafthaus 455 Gezeitenkraftwerk 449 Gliederung 442 Hebevorrichtungen/Krane 450 Hochbauweise 452 Hochdruckanlage 447 Infrastruktur 440, 453, 644 Kavemenbauweise Kleinwasserkraftanlage 104, 455 Klimatisierung 446,454,621 443, 692 Landschaftseinfiigung 470 Larmemissionen 458 Leitwarte 447 MeBeinrichtungen 451 Mitteldruckanlage 450 Montageraum 449 Niederdruckanlage 469 Personal 455 Pumpspeicherkraftwerk s. Regelung Regelungs-ZLeittechnik 644 Schachtbauweise 440, 452 Schachtkrafthaus

Sachverzeichnis 101 Unterflur-Krafthaus 440 unterirdisches 441 Unterscheidungsmerkmale VerschluBorgane 391,455 Verteilrohrleitung 455 Vibrationen 471 Wirtschaftlichkeit 441, 453 Kraftwerkseinsatzplanung 636 Kraftwerkskette 85 Krane/Hebevorrichtungen 442 Krummung Druckrohrleitung 210 Freispiegelleitung 171 Kavitation 407 Krummerkraft 276 Rohrkrummer 271 Kuhlung Generator 620 Generator 111 Kuhlmittel 472 Turbine 513 Kiinste 8 513,530 Kupplung 775 Ausfuhrungsbeispiel 531 Betriebsablauf 530 hydraulische hydraulischer Drehmomentenwandler 530 Klauen-ZZahnkupplung 530 Reibkupplung 530 Wirkungsgrad 28 Zeit 531 s. Speicher Kurzzeitspeicher

L 22, 637 Label Ladung, elektrische 581 Lager Generator, Krafte 614, 615, 621, 628 selbstschmierende Gleitlager 512 Spurlager 512 Turbinenfuhrungslager 512 Larmemissionen 470,510,557 Lastwinkel 613 Laufer 593, 600, 606 Laufwasserkraftanlage Niederdruckanlage 86 Laufzahl 488 Leistung 27 Ausbauleistung 49 Ausnutzungsdauer 656 BedarfPumpe 525 Bedarf Pumpenmotor 525 Blindleistung 589 Blindleistung, induktive 587

819

Blindleistung, kapazitive 589 Bruttoleistung 27 elektrische 583, 585 EngpaBleistung 27, 655 hydraulische 28 innere (Generator) 619 494 Kennlinie, Turbine Leistungsfaktor 589, 617 Magnetisierungsblindleistung 589 Maximum, Turbine 495 mechanische 586 Nennleistung 27 Nettoleistung 27 Scheinleistung 589 Speicher 30 theoretische (Laufrad) 482 Uberschlagsformel 27 Verlustleistung 28 586, 589 Wirkleistung 589 Leistungsfaktor 49 Leistungsplan s. Regelung Leistungsregelung 631 Leistungsschalter 488 Leistungszahl 515 Leitschaufel 737 Leitstromung s. Regelung Leittechnik Leitwarte 778 Ausfuhrungsbeispiel 636 Netzbetrieb 488 Lieferzahl 148 Lochblechrechen 641, 661 Luftspeicherkraftwerk s. Beluftung Luftzugabe

M Machbarkeitsstudie 38 Magnetfeld 590 Makrophyten 679 Maschinensatz Angebotsgrundlagen 477 Ausfuhrungsbeispiel 775 Definition 477 Massenschwingung 334 Meeresstromungsnutzung 116 Meerwasser-Pumpspeicherkraflwerk 659 Mehrzweckaufgaben 11,21, 69, 691, 693 Mindestwasser 705 Auswirkungen auf das Kraftwerk 728 Driflfalle 681 718, 725 Durchgangigkeit 724 Ergebisbewertung 717 Fischhabitate 706 Formeln

820

Sachverzeichnis

714 FST-Halbkugeln flizzy-logischer Ansatz 459, 720 Gewassersohle 714 Habitateignungsdarstellung 722 Habitatqualitat 715 Habitatsimulationsmodelle 708 HHS-Index 715 Interaktion AbfluB-Morphologie 706 Leitbild 713 Methoden 705 706 Methoden, Parameter 712 Methoden, Vorgehensweise Modell CASIMIR 708, 713 Modell PHABSIM 708 Pflanzen 682 Praferenzfunktion 718 Regelungen in Deutschland 711 Sauerstoffliaushalt 684 Stromungspraferenzkurve 715 Verfahren 705 Verfahren fur Gebirgsbache 707 Mindestwasserkraftwerk s. Dotations-KW Minutenreserve 635 Mitteldmckanlage 94 Gliederung 94 Klassifizierung 84 Kleinwasserkraftanlage 103 Krafthaus 451 Mittellastkraftwerk 47 Modellversuch Muschelkurve 495 numerische Berechnung 499 Planungsphase 39 Sandfang 190 Turbine 484 Wasserfassung 129 Modemisierung s. Instandhaltung Morphologie 685 Muhlen 5 s. Wasserrad Muhlrad 496 Muscheldiagramm Betriebszustande, charakteristische 497 Turbinenvorbemessung 497 Muschelkurve 495

N Nachweis Spannungsnachweis StabiHtatsnachweis Tragfahigkeitsnachweis Verformungsnachweis Natura 2000 Naturschutzgesetz NebenauslaB

267 268 268 268 79 79 231,555

Netzverbund s. Energieiibertragung Niederdruckanlage 85 Charakterisierung 85 FluBkraftwerk 84 Klassifizierung 103 Kleinwasserkraftanlage 449 Krafthaus 165 NormalabfluB NotverschluB 159, 161 NPSH-Wert 490, 526 Numerische Berechnung Modellversuch 39, 499 Sandfangbemessung 190 Stromung 135 Turbinenauslegung 499 Wasserfassung 129 Nutzen exteme 68 Nutzen-Kosten-Untersuchung 67 Nutzen-Kosten-Verhaltnis 59 Nutzungsdauer s. Ausnutzungsdauer

o Oberbecken Ausfuhrungsbeispiel Sickerwasserverluste Ohmsches Gesetz

99, 644 99, 771 645 583

o 01472,512

p Parallelschaltung Pelton-Turbine Ausfuhrungsbeispiel Auslegungsdiagramm Becherschaufeln Bemessung Bemessungsschema Betriebsweise BremsdUse Bremsturbine Duse Dtisenanzahl Freihang Kavitation Konstruktion Lager Muscheldiagramm Schnitt Strahldurchmesser Strahlkreisdurchmesser

528 784 568 563 566 571 560 518 518 517,562 566 564, 570, 648 567 560 564 566 561 567 567

Sachverzeichnis Turbinenabmessungen 569 Turbinengehause 564 Turbinengewicht 570 Unterschied Francis-Turbine 565 Wirkungsgrad 493 Periodendauer 585 Pfeiler/Pfeileraufstau 137, 502 JPfeilerkraftwerk 91 Pflanzengesellschaften 682 Phasenausgleichsbetrieb 617, 640, 654 Phasenschieberbetrieb 617, 640, 654 Phasenverschiebung 587, 588 Planung 37 Ausschreibung 38 Detailplanung 39 Genehmigungsverfahren 38 Inbetriebnahme 39 Machbarkeitsstudie 38 Modellversuch 39 Potentialstudie 37 Projektfinanzierung s. dort 37 Projektvorstudie 37 Projektzeitplan 38 Vergabe 386 Polytropenexponent 604 Polzahlen/Polpaarzahlen Potential 29 Linienpotential 29 technisch nutzbares 29 theoretisches Flachenpotential 32 Wasserkraftpotential Deutschland 31 Wasserkraftpotential weltweit 37 Potentialstudie 718 Praferenzfixnktion Primarregelung 635, 640, 650 Projektfinanzierung 42 Projektgesellschaft 43 Projektierung 37 Propellerturbine Bemessung 547 Bemessungsschema 553 Betriebsweise 537 Konstruktion 537 Laufi"ad 538 Laufi-adauBendurchmesser 549 Laufi*adschaufelzahl 548 Muscheldiagramm 548 Spurlagerbelastung 552 Turbinenabmessungen 550 Turbinengewicht 552 Wirkungsgrad 491 Pumpe 477, 522 2flutig 528 Anfahrzeit 531 Anlagen-ZRohrleitungskennlinie 523

821

524 Anlagenschema Anlassen 529 Anordnung 526 Arbeits-ZBetriebspunkt 524 Aufgabe 522 Ausfiihrungsbeispiel 768, 775 Back-to-back-Bauweise 528 Drehzahlregelung 528 Drosselkurve 523 Drosselregelung 529 Kavitation 526 Kennlinien 524, 528 Kreiselpumpe, Bautypen 527 Kreiselpumpe, Drehzahl 522 Kreiselpumpe, Laufradformen 523 Kreiselpumpe, Typen 522 Kupplung s. dort Leistungsbedarf 525 mehrstufig 527 Motorleistungsbedarf 525 NPSH-Wert 490, 526 Parallelschaltung 528 523 Pumpenfbrderhohe 648 Pumpspeicherkraftwerk Regelung 528 ruckwartsdrehende 106 529 Schaufelregelung 527 Serienschaltung 524, 527 spezifische Drehzahl 392 VerschluBorgane Widder, hydraulischer 106 Wirkungsgrad 490, 523 Zubringerpumpe 648 Zulaufliohe 526, 648 Pumpenturbine 477, 522 Anfahrwandler 533,616,653 Ausfiihrungsbeispiel 529, 775 Bauweise 531 Bemessung 557 Betriebsweise 532 Deriazsche 534 532 drehzahlv. Betrieb 533 Isogyre 532 Umkehrturbine 652 Umschaltzeiten 532 Wirkungsgrad 98 Pumpspeicherkraftwerk 644 Anordnung 98 Arbeitsweise 639 Aufgaben 764 Ausgleichsspeicher Ausnutzungsdauer 66, 656 Baukomponenten 644 Beispiel 99, 646, 663, 758, 759, 766 Betriebsartenwechsel 651

822

Sachverzeichnis

775 Betriebsubergangszeiten Betriebsweise 649 drehzahlv. M.-satze 532, 611, 653, 663 Eis 147 EisA^ereisung 147,646 Frequenzhaltung 639,653 Fuzzy-Logik-Steuerung 459,652 110 Gezeitenkraftwerk historische Entwicklung 643 hydraulischer KurzschluBbetrieb 101, 654 Kavemenbauweise 644 Krafthaus 455 Leistung Deutschland 655 Leistung weltweit 30,98 Luftspeicherkraftwerk 641,661 652 Maschinenanordnung Maschinentechnik 648 Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerk 659 Minutenreserve 635 Nutzen, energiewhtschaftlicher 640 Oberbecken 99,644 Phasenausgleichsbetrieb 617, 640, 654 Phasenschieberbetrieb 617, 640, 654 Primarregelung 635, 640, 650 Pumpspeichersy Sterne 641 Saisonausgleichsbetrieb 643,650 644 Schachtbauweise Sekundarregelung 635, 640, 650, 652 Sonderausfuhrungen 657 65 spez. Energieerzeugungskosten Tagesbetriebsdiagramm 650 Triebwasserleitung 646 Typen 641 Umschaltzeiten 652 Unterbecken 644 unterirdisches 658 Verluste 649 Walzbetrieb 642,649 Wirkungsgrad 649 Wirtschaftlichkeit 651 Wirtschaftlichkeitsuntersuchung 65 Zielsetzung 639 Zubringerpumpe 648

Querschnittsanderung Kavitation VerschluBorgane

135,170,212 406 400

R Radius, hydraulischer Randfaserdehnung Rauheit

166 267

168 aquivalente 166 relative Rechenanlage Bemessung 149 Coanda-Feinrechen 146 148 konstruktive Ausbildung 154 Korrosionsschutz Lochblechrechen 148 Reinigung 154 Schutz von Fischen 149 Schwingungen 151 150 Verbauungsgrad Verlegung 150 154 Wartung s. Treibgut Rechengut Regelarbeitsvermogen 49 Regeln der Technik 80 Regelorgan 5. VerschluBorgane Regelung Anforderungen 521 455 Auslegung 518 Bypassregelung 515,519,528 Drehzahlregelung 529 Drosselregeiung 517 Dusenregelung 519 Fallhohenregelung 457 Femsteuerung 86,456,459,515 Fuzzy Logik 608 Generatoriiberwachung 458 Kleinwasserkraftanlage 517 Laufradregelung 515,519 Leistungsregelung 515 Leitradregelung 458 Leitwarte 456 MeBgroBen 520 mittelbare 456 Optimierung 469 Personal 515 Reglertypen 529 Schaufelregelung 456 SPS-Modul 456 Steuerebenen 519 Steuerung 517 Strahlablenkerregelung 479 Turbine, doppeltgeregelt 479 Turbine, einfachgeregelt 514 Turbine, Typen 520 unmittelbare Verbesserung durch WasserschloB 335 Vor-Ort-Steuerung 457 Wasserkraftanlage 455 Wasserstandsregelung 515,519 Wirkungsgrad 515 Regelungskraftwerk 635 Regulierorgane s. VerschluBorgane

Sachverzeichnis Regulierring 516 Rehabilitation 473 Reibungsbeiwert 166 Reibungsverlustbeiwert 208 Renovierung s. Instandhaltung 60 Rentabilitat 269 Reroundingeffekt s. Mindestwasser Restwasser Restwasserkraftwerk s. Dotationskraftwerk Restwert 58 Revision 473 Reynolds-Zahl 166 Feststoff-Reynolds-Zahl 175 kritische 166 s. Getriebe Riemenantrieb Riffelfaktor 177 Ringwulstschale 100 Rohrabzweig 305 Bemessung 307 Finite-Element-Methode 318 314 Gurteltrager Hosenrohr 306,311 Hosenrohr, Bemessung 314 Krafthaus 455 Kugelabzweig 307 mittragende Langen 308 Schragabzweig 305 Spannungsverteilung 314 Vergleichsspannung 309 Verschwachungsfaktor 309 Verstarkung 305 Wanddicke 310 Zwickeltrager 314 Rohrauflager Auflagerkraft 247, 274 eingeerdete Rohrleitung 247 Fixpunkt 273 Lagerungsfalle 264 Lastfalle 274 Sattellager 280 Schnittkrafte 277 Stutzring 279 Zwischenauflager 247, 273 Rohrausladung 253 Rohrkrummer 271 Rohrleitung s. Druckrohrleitung Rohrleitungssystem aufgelostes 198 geschlossenes 197 halbgeschlossenes 198 Rohrturbine Bemessung 547 Bemessungsschema 553 Getriebe-Rohrturbine 545 Hydromatrix-Modul 542

Kegelrad-Rohrturbine Kleinwasserkraftanlage Kompaktbauweise Konstruktion Laufradaufiendurchmesser Muscheldiagramm Schnitt S-Rohrturbine Turbinenabmessungen Turbinengewicht Wirkungsgrad Rohrverbindung Belastung Betonrohre Flanschverbindung Muffenverbindung Schweifiverbindung Stopfbuchsenverbindung Rohrverjungung Rohrvortrieb RoUrechen Riickbau Riickstromdrossel Rtickstromung

823 545 543 542 541 549 548 541 543 550 552 491 246 204 201 201 199 201, 247 246 259 156 702 344, 647 510

s Sandfang Aufgabe 189 Ausflihrungsbeispiel 785 Bemessung 193 189, 194 Entsandungsgrenze 189 konstruktive Ausbildung 190 Langsandfang 134 SpulauslaiJ 191 Spulung 134 Vorsperre 190 Wirtschaftlichkeit 684 Sauerstoffhaushalt Saughohe 507 dynamische 507 statische 509 zulassige 490 Saugkennzahl 507 Saugrohr/Saugschlauch 644 Schachtbauweise Schachtkraflhaus 440, 452 Schachtturbine 554 Schaden, Abrasionsschaden 189 Schaltanlage 631 Schieber s. VerschluBorgane Schliefigesetz 222,411,521 SchlieBzeit 221 Schlupf 607 Schmiermittel 472, 512

824

Sachverzeichnis

s. VerschluBorgane SchnellschluBorgane Schopfwerk 5 Schubspannungsgeschwindigkeit 175 Schutz s. El. Maschinen Schtitz 141 AusfluB 162 Dichtung 141 Freispiegelschiitz 162 Korrosionsschutz 159 Schnell-ZSicherheitsschtitze Tiefschutz 142, 160 unterwasserseitiges 162,511 Verluste 162,511 178 Schwall-ZSunkwellen Schwallbetrieb s. Schwellbetrieb Schwallkammer s. WasserschloB 128, 673 Schwebstoffhaushalt 86, 457 Schwellbetrieb 157 Schwimmbalken 147 Schwimmstoffe Schwingungen 201, 444 Dampfung/Unterbrechung 236 Druckrohrleitung 152 Frequenzen 406 Kavitation 443 Krafthaus 470 Larmemissionen 151 Rechenanlage 152 Resonanzschwingung 510 SaugrohrZ-schlauch 348 Schwingungsperiode 409 VerschluBorgane 471 Vibrationen Wasserschlofi 334, 364 Schwungmasse 521 Sedimenttransport 174 Auswirkungen 174 Geschiebe-ZSchwebstofffracht 193 175 GrenzkomgroBe 176 KomgroBen kritische FlieBgeschwindigkeit 177, 195 Umweltwechselwirkungen 673 Seitenentnahme 128 Abzugskanal 130 Geschiebeabweisung 128 Geschiebeabzug 130 Grazer Kragschwelle 129 Streichwehr 142 Sekundarregelung 635, 640, 650, 652 Selbstreinigung 687 Serienschaltung 527 SFe-Leitung 633 SicherheitsorganZ-armatur s. VerschluBorgane Sickerwasser, Druckstollen 300 Sickerwasserverluste 645

Sohlentnahme Coanda-Feinrechen Tiroler Wehr Sohlschwelle Spannung Abminderungsfaktor Bodenspannung Dehnungsausgleicher Druckstollen Druckstollen, Sickerwasser elektrische Finite-Element-Methode Hauptspannung Hookesches Gesetz Kesselformel Langsspannung maiJgebende Radialspannung resultierende Ringspannung Rohrabzweig Spannungsnachweis Umfangsspannung Vergleichsspannung zulassige Speicher Ausbaugrad Brennstoffzelle Energie Kurzzeitspeicher Leistung Raumung Wasserstoff Speicherkraftwerk Ausbaugrad Baugrund Hochdruckanlage Krafthaus Mitteldruckanlage Speichervolumen Umweltwechselwirkungen Speicherpumpe Spiralgehause Spitzenkraftwerk Hochdruckanlage PumpspeicherkraflAverk SPS-Modul S-Rohrturbine Stahlrohre Korrosion Stander Stauraumgestaltung Steuerung Betrieb elektronisch-hydraulische

132 146 132 135 271 251 283 291 303 582 318,329 233 328 234 234, 241 271 234 271 234,241,267 309 267 272 233 235 50 641 29 641 30 670 122, 641 50 691 97 451 95 30 676, 691 s. Pumpe 501 47 97 98 456 543 199 202 593, 600, 606 689 455 520

Sachverzeichnis Fliehkraftpendel 520 FluBkraftwerkskette 86 Hilfsenergie 520 Instandhaltung 473 mechanisch-hydraulisch 520 Netzverbund 636 Rechenreinigungsanlage 154 Turbinenregelung 519 Stillstandsmoment 495 Stimentnahme 131 Pfeilerentnahme 132 Straflo-Matrix-Modul 546 Straflo-Turbine 545 AuBenkranzgenerator 545 Schnitt 545 Straflo-Matrix-Modul 546 Tragkreuz 545 Streichwehr 142 Strickler-Beiwert 168, 169 Verkrautung 171 Strom, elektrischer 582 Stromborse/Stromhandel 637,650 Stromeinspeisungsvergtitung 65 Strommarkt 48, 637, 650 Stromung dynamische Vorgange 214 laminar 166 numerische Berechnung 135,499 510 Riickstromung turbulent 166 Umweltwechselwirkungen 679 VerschluBorgane 399 Stromungspraferenzkurve 715 Strouhal-Zahl 152 Stufen-ZStaffelausbau 85 Stutzenarbeit, spezifische 484 Stutzschaufel 516,556 Substrat 679 Synchrondrehzahl s. Drehzahl Synchronmaschine 596,599 Belastungsgrenze 608,618 Standerwicklungen 600 Vergleich Asynchronmaschine 597

Tagesbetriebsdiagramm Tageseinsatzplanung Tagesganglinie Talsperrenkraftwerk Tauchwand Temperaturregime Thoma-Beiwert Tidemiihle Tilgungsrate

650 637 47 Speicherkraftwerk 157 684 489 5,109 57

825

TirolerWehr 103,132,192 Ausftihrungsbeispiel 784 Dimensionierung 145 Tore 161 Tourismus 692 Tragring 516 Transformator Aufbau 630 Aufgaben 596 Drehstromtransformator 630 597 Funktionsweise 595 HauptfluBwege 630 Isolationsabstande 626 KurzschluBfestigkeit 597 Primarwicklung 631 Schema 598 Sekundarwicklung 626 Transportierbarkeit 602 Unterschied zu elektr. Maschinen 28 Wirkungsgrad 147 Treibeis 147, 688, 765 Treibgut 669 Treibhausgase s. Pfeiler Trennpfeiler Triebwasser 125 Entnahme Triebwasserkanal s. Triebwasserleitung Triebwasserleitung s. a. Freispiegelleitung Eisbildung 147, 174 Kleinwasserkraftanlage 103 Pumpspeicherkraftwerk 646 Sedimenttransport 174 Verkrautung 171 VerschluBorgane 159, 391 WasserschloB, Kopplung 367 Wirkungsgrad 28 Trinkwasserleitung Be-/Entltiftungsventile 397 Energienickgewinnung 105 340 Windkessel-WasserschloB 155 Trommelrechen 477 Turbine 494 Abnahmemessung 564 Abrasion Anfahrwandler 533,616,653 Angebotsgrundlagen 104, 477 Anstromung 135, 499 Bauteile 501 Bauweise 478 Beluftung 510,557,688 Bemessungsgrundlagen 481 564 Beschichtung Betriebszustande, charakteristische 497 Diagonalturbine 534,547 Drehmomentenkennlinie 494

8266

Sachverzeichnis

s. dort Drehzahl drehzahlv. Betrieb 519, 532, 611 ,653, 663 487 Druckzahl 488 DurchfluBzahl Durchgehen 495 , 614, 625 Durchmesserzahl 488 Durchstromturbine s. dort 501 Einlauf 479 Einsatzbereiche 483 Energiehohendifferenz Entlastungsventil 231,555 6 Entwicklungsstufen 481 Eulersche Turbinengleichung 554 Francis-S chachtturbine s. dort Francis-Turbine 482 Geschwindigkeit 511,513 Getriebe 478 Gleichdruckturbine 542 Hydromatrix-Modul 473 Instandhaltung s. dort Kaplan-Turbine s. dort Kavitation 545 Kegeh*ad-Rohrturbine 490 Kennlinien 537 Kleinwasserkraftanlage 482 KontroUraum 474 Korrosionsschutz 513 Kuhlung 512 Lager 481 Laufigkeit 488 Laufzahl 494 Leistungskennlinie 488 Leistungszahl 515 Leitschaufel 484 Modellversuch 494 Modemisierung 496 Muscheldiagramm 495 Muschelkurve 231,555 NebenauslaB 499 numerische Berechnung s. dort Pelton-Turbine s. dort Propellerturbine 648 Pumpspeicherkraftwerk 479 Regelung 516 Regulierring 513 Riemenantrieb Rohrturbine s. dort 510 Ruckstromung 106 ruckwartsdrehende Pumpe s. dort Saughohe Saugrohr/Saugschlauch 507 Schachtturbine 554 SchlieBgesetz 521 Schwungmasse 521 Spiralgehause 501

S-Rohrturbine 543 546 Straflo-Matrix-Modul Straflo-Turbine s. dort Stutzenarbeit, spezifische 484 Stiitzschaufel 516 Tragring 516 Turbinendeckel 538 Turbinendrehmoment 481 Turgo-Turbine 565 Typen 537 Uberdruckturbine 478 Umschaltzeitpunkt 494 Unterscheidungsmerkmale 477 VerschluBorgane 392 Vorbemessung 497 Wassertiberdeckung, Einlauf 506 Welle 511 28, 490 Wirkungsgrad Z-Rohrturbine 544 ZufluBausgleich durch WasserschloB 336 Turbinendeckel 538 Turbinenregelung s. Regelung Turbinenregler Druckverlauf 369 Rtickkopplung 361 Turbinenspalt 506 Turbinenwelle 511 Turgo-Turbine 565

u Uberfall ringfbrmiger Uberfallhohe vollkommen/unvollkommen Uberhang Uberstrombares Kraftwerk

144 140 140 564, 648 91

u Ubiquisten 680 Ufergestaltung 689 Umrechnungsfaktoren 791 Umrichter 611,635,663 Kleinwasserkraftanlage 104 Umspanner s. Transformator Umweltgesetzgebung 74 Umweltvertraglichkeitsprufiing 79 Umweltwechselwirkungen 667 AbfluBregime 674 Anlagenriickbau 702 anthropogene Eingriffe 667 202,468 Arbeits-ZBetriebssicherheit 669, 699 Atmosphare 689 Auenlandschaft

Sachverzeichnis> 779 Ausfuhrungsbeispiel 691 Baugrund Bauphase 702 668 Bereiche Bereiche, humane 668, 691,695 Betrieb 702 Beurteilung 668 678 biologisches System C02-Aquivalent 669 Driftfalle 681 Durchgangigkeit 731 677 EisbildungZ-transport 669 Emissionen 731 Fischaufstiegsanlage 679 Fischfauna FluBbettmorphologie 671 FluBregulierung 677 Gefahrguter 472 Geschiebehaushalt 128,673 Gewassercharakteristik 672 Gewasserschutz 472 Gewassersohle 714 Grundwasser 677 Hochwasserregime 674 Hydraulikol 472 Hydrosphare 668 Instandhaltung 202, 472, 702 Interaktion AbfluB-Morphologie 706 Kuhlmittel 472 Landschaftseinfugung 443,692 Larmemissionen 470 Mehrzweckaufgaben 691 671,705 Mindestwasser obere Bodenschichten 690 682 Pflanzen Sauerstoffhaushalt 684 Schmiermittel 472 512 Schmiermittelverluste 128,673 Schwebstoffhaushalt Sedimentation 673 Selbstreinigung 687 676, 691 Speicherkraftwerk 670 Speicherraumimg 689 Stauraumgestaltung 679 Stromung 684 Temperaturregime 692 Tourismus 688 Treibgut 669 Treibhausgase 689 Ufergestaltung 79 Umweltvertraglichkeitsprufung 471 Vibrationen 688 Wirkungszusammenhange 680 Zoobenthon 644 Unterbecken

Ausfuhrungsbeispiel unterh-disches

827 771 658

V Verbauungsgrad 150 s. Fischaufstiegsanl. Verbmdungsgewasser s. Energieiibertragung Verbundsystem Verdunstung, Freispiegelleitung 182 Vereisung 162 VerschluBorgane 437 Verformungsmodul 251 Verfugbarkeit 21,62 Vergabe 38 Vergiitung 65 Verkrautung 171 150 Verlegung, Rechen Verlust s. Wirkungsgrad Verlustbeiwert s. a. Wirkungsgrad allgemeiner Ansatz 26 Reibungsverlustbeiwert 166, 208 Verkrautung 171 Verlusthohe s. a. Wirkungsgrad Abzweig 138 Einbauten 137 Einlauf 135 Energiehohenverlust 25 27 entlang einer FlieBstrecke 341 Geschwindigkeitsverlusthohe 211 Hosenrohr 140,171,210 Krtimmung 137 Pfeiler 135,170, 212 Querschnittsanderung 169 Rauheit 149 Rechen-ZStauverlust 167, 208 Reibung 152 Schwingungen 645 Sickerwasserverluste 158 Tauchwand VerschluBorgane 162,399,511 211 Verzweigung VerschluBorgane 393 Anforderungen 391 Anordnung 411 Antrieb 391 Aufgaben 397 Be-ZEntliiftungsventile 436 BelUftung 159 BetriebsverschlUsse 410 Dichtung 405 Drosselgerade 415 Drosselklappe 409 DruckstoB 369 Druckverlauf DurchfluB/AusfluB 401

828

Sachverzeichnis

147 Eis Energiehohe 405 Flachschieber 412 Gestaltungsgrundsatze 410 GmndablaB 395 398 Hilfseinrichtungen 425 Hohlstrahlschieber 399 hydraulisches Verhalten 406 Kavitation 408 Kavitationszahl 432 Kegelstrahlschieber 412 Keilschieber 162 Korrosionsschutz 455 Krafthaus 421 Kugelschieber 425 Ringschieber 405 Rohrleitungs-ZZulaufgerade 222,411 SchlieBgesetz 221 SchlieBzeit 395 SchnellschluBorgane 409 Schwingungen 411 Steuerung 399 Stromungsvorgange 394 Turbinen-ZPumpenleitungen 393, 412 Typen 437 Vereisung 400 Verlustbeiwert Verlusthohe 162,399,511 80 Versicherung 651 Versorgungssicherheit f. Rohrabzweig Verteilrohrleitung Verzweigung, Verlusthohe 211 Vibrationen 471 VoUaststunden s. Ausnutzungsdauer Vorspannung 774 Kavemenverankerung 647 mafiige 134, 765 Vorsperre 259 Vortriebsrohre

W Wandler 530 Wartung s. Instandhaltung Wasserbewirtschaftung Bergbau 8 Erhebung 30,45 Wasserfassung 125 Aufgaben 125 Bauteile 125 126 bei Flufikraftwerken Entnahme aus FlieBgewassem 126, 127 Entnahme aus stehenden Gewassem 133 Kleinwasserkraftanlage 103 Rechenanlage 148

Schwimmbalken 157 schwimmende 134 Seitenentnahme 128 Sohlentnahme 132 Stimentnahme 131 Tauchwand 157 VerschluBorgane 159 Wassergesetz 73, 78, 671 Wasserhaushaltsgesetz 76 Wasserkraftanlage Anlagenruckbau 702 Ausfuhmngsbeispiele 755 Ausleitungskraftwerk 93 Betrieb 468 64 Betrieb/Unterhalt Betriebssicherheit 468 70 Beurteilung 30,45 Bewirtschaftungsstrategie 121 Depressionskraftwerk 104 Dotationskraftwerk Druckstollen/Druckschacht 287 51 Durchfluiischema 731 Durchgangigkeit elektrische Maschinen s. dort elektrotechnische Ausrtistung s. dort Emtefaktor 18 Femuberwachung 457 Fischaufstiegsanlage 731 Flachenbedarf 20 FluBkraftwerk 85 Freispiegelleitung 165 Generator s. dort gesetzliche Vorgabe 73 Gezeitenkraftwerk 109 Gletscherkraftwerk 122 Gradientenkraftwerk 121 Heberbauweise 502, 540 Hochdmckanlage 95 Instandhaltung 473 kalkulatorische Lebenszeit 62 Klassifiziemng 83 Kleinwasserkraftanlage 101 Krafthaus 439 Larmemissionen 470 27 Leistung, Uberschlagsformel 477 Maschine, Definition Mehrzweckaufgaben 11, 21, 691, 693 Mindestwasser s. dort Mitteldmckanlage 94 Modemisierung 40,44 Niederdruckanlage 85 Nutzen-Kosten-Verhaltnis 59 s. dort Projektfinanzierung 98, 639 Pumpspeicherkraftwerk 40,44 Reaktiviemng

Sachverzeichnis Regelorgan Regelungs-ZLeittechnik Rohrabzweig Saugrohr/Saugschlauch Speicherkraftwerk, kombiniertes spez. Energieerzeugungskosten Standortbedingungen Steuerung Tagesganglinie Transformator Turbine Umweltwechselwirkungen Verfugbarkeit VerschluBorgan Versicherung Verteilrohrleitung Vibrationen Wasserfassung WasserschloB Wellenkraftwerk

391 455 305 507 641 47,60 44 86 47 s. dort 477 667 21,62 391 80 305 471 125 333 117

Wasserkraftnutzung 121 Depressionskraft Entwicklungsstufen 1 Gezeitenenergie 107 121 Gradientenkraft kunftige Entwicklung 21 Meeresstromung 116 Umfeld 8,667 Wellenenergie 117 Zeittafeln 2,3,4 Wasserkraftpotential s. Potential Wasserkraftschnecke 577 Wasserrad 574 Typen Ubergang zur Wasserturbine 6 Wirkungsgrad 577 Wasserrahmen-RL s. EG-Wasserrahmen-RL WasserschloB 333 Anordnung Aufgaben 334 Ausfiihrungsbeispiel 763 Ausgleichsbecken 186 Bauweise 337 Beckenwasserschlofi 337 Bemessung, analytische Losung 346 Bemessung, hydraulische 340 Bemessung, numerische Losung 356 Berechnungsbeispiel 374,386 Beschleunigungszeit 363 Charakteristikenverfahren 370 Dampfiingsbeiwert 350 DifferentialwasserschloB 339,345 356 Differenzenverfahren Differenzenverfahren, implizites 359 Drosselung 343

829

Druckluft-WasserschloB 340 DruckstoB 334 Einlaufbauwerk 186 Frequenzgang-ZImpedanzmethode 369 Funktionsweise 337 Fuzzy-Logik-Uberwachung 378,459 gedrosseltes 338,343 379 geheiztes Grundgleichungen 340 Hauptschacht 339 KammerwasserschloB 337 Massenschwingung 334 Optimierung 365 Rtickstromdrossel 344,647 SchachtwasserschloB 337,340 348 Schwingungsperiode Schwingungsvorgange 364 Sonderausfuhrungen 379 Spiegelausschlag 348,353 Spiegelausschlagsgrenze 355 Stabilitatskriterium 361 Steigschacht 339 Stollendurchflufi 342 Triebwasserleitung, Kopplung 367 Typen 336 Uberschlagsformeln 366 Wasserspiegelschwingung 343 Windkessel-W., Berechnung 379 Windkessel-WasserschloB 340,379 344 Wirbelkammerdiode Zustandsdiagramm 357 Wasserstandsregelung s. Regelung Wasserstoff s. Speicher Wasserturbine s. Turbine 585 Wechselspannung Wechselstrom 585 Wechselstromtechnik 585 Wehr Streichwehr 142 Typen 160 uberstromtes 140 Welle s. Turbinenwelle Wellen 178 Definition 108 Druckwellen im WasserschloB 334 Druckwellen in Rohrleitungen 214 Schwall-ZSunkwellen 178 Wellenenergie 117 Wellenkupplung s. Kupplung s. Triebwasserleitung Werkkanal Widder, hydraulischer 106 Widerstand, elektrischer 583 Windkraft 639 Wirbelkammerdiode 344,647 602 Wirbelstrome

830

Sachverzeichnis

Wirkleistung 586 s. a Verlusthohe Wirkungsgrad Abnahmemessung 494 Anlagenwirkungsgrad 28 Betrieb mehrerer Maschinen 494 Diffusorwirkungsgrad 507 Eigenversorgung 28 Generator 28, 630 Getriebe 28,513,514 Kennlinie, Turbine 494 Kraftwerkstypen, Vergleich 20 Kraftwerksvergleich 649 Modellversuch 497 Pumpe 490, 523 Pumpenturbine 532 Pumpspeicherkraftwerk 649 Regelung 515 Riemenantrieb 28,514 Saugrohr/Saugschlauch 507 Schwingungen 152 totaler 28 Transformator 28 Triebwasserleitung 28 Turbine 28, 490 Turbinenspalt 506 Umrichter 611 Umschaltzeitpunkt 494 Verluste s Verlusthohe 162,511 VerschluBorgane Wasserrad 577 Wirtschaftlichkeitsuntersuchung 52 Abschreibung 55,62 Annuitat 55 Annuitatenmethode 59 Bearbeitungskriterien 52 Betrieb/Unterhalt 64 Beurteilungssystematik 70 dynamische Verfahren 57 intemer ZinsfliB 59

Investitionsrechnung jahrliche Ertrage kalkulatorische Lebenszeit Kalulationszinssatz Kapitalwertmethode Maheinsatz Mehrzweckaufgaben Mindestwasser Nutzen-Kosten-Verhaltnis Orientierungswerte Projektfinanzierung Pumpspeicherkraftwerke Rentabilitat Rohleitungsdurchmesser Sandfangbemessung Schritte spez. Energieerzeugungskosten spezifische Investition statische Verfahren Stromeinspeisungsvergiitung Uberschlagsformeln Verfugbarkeit Zahlungsstrome ZinsfliB Zinsrechnung

55 65 62 58 58 172 69 728 59 53,72 s. dort 65 60 212 190 55 47, 60, 65 47,61 57 65 53,72 62 54 56,58 55

z Zertifikat Zinsrechnung Zoobenthon Z-Rohrturbine Zubringerpumpe Zulaufhohe Zuschlagen, Leitungsquerschnitt Zustandsdiagramm Zwillingsbauweise

22, 637 55 680 544 648 526 173 357 90