Analyse des Zuppinger-Wasserrades : hydraulische Optimierungen unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte

Abstract

Das Zuppinger-Wasserrad stammt in seiner Form aus der Mitte des 19. Jahrhunderts und stellt für Standorte mit großem Durchfluss und niedriger Fallhöhe weiterhin den Stand der Technik dar. Seine Bauart ermöglicht zudem einen Einsatz an Standorten mit stark veränderlichen Durchflüssen und Unterwasserständen. Charakteristisch für diesen Typ Wasserrad ist die Schaufelform: die Form der weit ins Radinnere gezogene Wasserradschaufel entspricht einer Evolvente mit anschließender Geraden. In der Literatur werden Wirkungsgrade von Zuppinger-Wasserrädern von ca. 80% erwähnt. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stehen Optimierungspotentiale, um den Wirkungsgrad erhöhen und damit die Leistungsausbeute steigern sowie Optimierungspotentiale, um die Durchgängigkeit für Fische zu verbessen. Zunächst werden die Entwicklung sowie die Konstruktion und Dimensionierung des Zuppinger-Wasserrades beschrieben. Im Anschluss daran warden Optimierungspotentiale einerseits durch neue Forschungsansätze und andererseits durch einen Technologietransfer aus anderen Energiewandlern abgeleitet. Die Durchführung und Analyse der Optimierungspotentiale erfolgte an einem Versuchsstand an der Hochschule Darmstadt mit einem maßstabsgetreuen Wasserradmodell, welches im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt und aufgebaut wurde. Die systematischen hydraulischen Versuche zeigen, dass der Wirkungsgrad durch Änderungen im Betrieb des Wasserrades und dessen Bauweise auf über 85% und die Leistung um bis zu 30% zu steigern sind. Besonders hervorzuheben sind die Schaufelteilung sowie ein Radboden, da diese die größten Zuwächse generieren. Eine Veränderung der Drehzahl kann ebenfalls die Leistungsausbeute steigern und möglicherweise die Durchgängigkeit verbessern. Ein Betrieb über einen Drehzahlbereich würde den Wirkungsgrad über ein breiteres Durchflussspektrum auf einem höheren Niveau halten. Aus den ökologischen Optimierungen werden hinsichtlich der Leistungsausbeute folgende Erkenntnisse gezogen: geringe Auswirkungen auf die Leistungsausbeute durch ein erhöhtes Spaltmaß; Leistungseinbußen durch die Demontage von äußeren Latten und die Reduzierung der Schaufelanzahl.