VP 3: Technologieentwicklung für kleine Wasserkraftmaschinen
TP 3.3: Reaktive Textilien zur optimalen Anpassung an variable Strömungsbedingungen bei Wasserrädern
BMBF 03WKCO3C
Abstract
Mit dem Teilvorhaben „Reaktive Textilien zur optimalen Anpassung an variable Strömungsbedingungen bei Wasserrädern“ arbeitet das TITV Greiz an der Entwicklung einer textilen Schaufel zur Leistungssteigerung beim neuartigen Staudruckwasserrad (usw.). Ziel ist die Entwicklung eines reaktiven Textils als Anströmfläche, welches die Funktionen herkömmlicher Wasserradschaufeln aus Stahl oder Aluminium um flexible Eigenschaften erweitert.
Zur Erzielung der maximalen Energieerträge sind Anforderungsparameter wie z.B. die lastabhängige Verformungsfähigkeit zu erreichen und das Textil wasser- und schmutzabweisend auszurüsten. Es sind verschiedene Varianten der textilen Beschaufelung als Anströmfläche entwickelt und auf ihre Wirksamkeit untersucht worden. Zur Integration des Textils im Wasserrad ist der Materialeinsatz bzgl. Eignung zur Funktionstüchtigkeit im Wasserrad, die Erarbeitung verschiedener Strukturierungsgeometrie, das Handling im Anwendungsfall sowie die Erprobung in der Praxis untersucht und erfolgreich eingesetzt worden.
Aufgabenstellung
In dem Bündnis des Wachstumskerns Fluss-Strom Plus sind regenerative Systeme zur Energiegewinnung unter Einbeziehung technischer Textilien entwickelt worden. Adaptive Textilien für Schaufeln von Wasserrädern mit aktiven Oberflächen unter einer breiten Vielfalt von Strömungsbedingungen unterstützen den Betrieb von Wasserrädern zur ökologisch verträglichen und grundlastfähigen Gewinnung von Elektroenergie aus Fließgewässern.
Lösungsweg
Die Entwicklungsarbeiten wurden mit textilen Substraten durchgeführt, die hohe Festigkeit, Abrasions- und UV-Stabilität, Hydrolysebeständigkeit sowie hervorragende Knickbruchstabilität aufweisen müssen. Der Aufbau und die Erprobung der entwickelten adaptiven Textilien wurden unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt.
Ergebnis und Anwendungen
Erstmalig werden in einem universellen Staudruckwasserrad (uSW) textile Schaufeln eingesetzt. Es sind individuelle Lösungen entwickelt worden, die eine stabile, auch bei hoher Beanspruchung haltbare Verbindung sicherstellen.
Konventionelle stationäre Wasserradsysteme an Mühlenstandorten sind in der Anschaffung, bedingt durch die Baugröße der Wasserräder und deren Lagerung, sehr kostenintensiv. Durch Nutzung einer Zulaufkulisse wird eine Änderung der Kraftumwandlung vom traditionellen Gravitationsrad zur hydrodynamischen Wasserkraftmaschine vollzogen. Der Wasserraddurchmesser kann bei gleicher Leistung aufgrund einer erhöhten Umlaufgeschwindigkeit und einer höheren Zellvolumenfüllung deutlich reduziert (halbiert) werden. Die Kosten des Wasserrades selbst und seiner Gründung können dadurch deutlich gesenkt werden, wodurch sich die Amortisationszeit der Anlagen verkürzt. Das mit konventionellen Wasserrädern wirtschaftlich nicht erschließbare Standortpotenzial soll mit dem universellen Staudruckwasserrad (uSW), einem hinterschlächtigen Wasserrad mit Druckkulisse bedient werden können.
Im Teilvorhaben „Reaktive Textilien zur optimalen Anpassung an variable Strömungsbedingungen bei Wasserrädern“ ist im TITV Greiz eine textile Schaufel zur Leistungssteigerung beim neuartigen Staudruckwasserrad (uSW) entwickelt worden. Mit textilen Flächen als Anströmfläche werden die Funktionen herkömmlicher Wasserradschaufeln aus Stahl oder Aluminium um die Eigenschaft Flexibilität erweitert. Erstmalig werden verschiedene Varianten der textilen Beschaufelung als Anströmfläche in einem Wasserrad eingesetzt. Zur Integration des Textils in das Wasserrad sind der Materialeinsatz bzgl. Eignung zur Funktionstüchtigkeit, die Erarbeitung verschiedener Strukturierungsgeometrien, das Handling im Anwendungsfall untersucht sowie in der Praxis erfolgreich erprobt worden.
Zur Erzielung maximaler Energieerträge sind Anforderungsparameter, wie z. B. die lastabhängige Verformungsfähigkeit, zu erreichen und das Textil wasser- und schmutzabweisend auszurüsten. Verschiedene Varianten der textilen Beschaufelung sowie unterschiedlichste Textilien wie z.B. hochfeste Gewebe aus Glasfaser oder Polyester und PVC beschichtete Polyestergewebe dienen als Anströmfläche und sind auf ihre Verwendbarkeit und Wirksamkeit untersucht worden. Dabei waren folgende Ziele/Effekte anzustreben:
- Entwicklung eines neuartigen, kleineren Wasserrades bei gleichen Leistungswerten
- Kostensenkung durch Halbierung des Wasserraddurchmessers und modulare Bauweise
- Varianten der Beschaufelung:
- konventionelle Stahl-/Aluminiumkonstruktionen
- reaktive Textilien als Anströmfläche.
Eigenschaften wie Flexibilität, Leichtigkeit, Drapierbarkeit sowie definierbare Festigkeit und Dehnung sind Vorteile für die Gestaltung, Dimensionierung und nutzungsgerechte Fertigung der textilen Flächen als Anströmfläche und ermöglichen somit einen maßgerechten Einbau.
Die Geometrie und die Maße der Metallschaufel sind auf das Textil übertragen worden. Abweichungen sind zu vermeiden, da ein Vergleich der Funktionstüchtigkeit von Metall und Textil nur bei möglichst identischen Konstruktionsdaten, wie in Abbildung 1 dargestellt, erfolgen kann.
Zahlreiche Materialien sind in Bezug auf Gewichtsreduktion, textiltechnologische Bearbeitung durch Aufbringen definierter Strukturen sowie Konfektion untersucht worden. Geeignet sind Materialien, die aus mehreren Lagen aufgebaut sind. Die eingesetzten varianten bestehen aus einer Tragseite aus PVC und einer Laufseite aus PES Gewebe. Ausschlaggebend für die Anbindung des Textils an das Winkelprofil des Wasserrades sind die Stabilität, die Steifigkeit und die Materialdicke. Als stabile Verbindung von Textil und Metallwinkel hat sich das Anbringen eines Keders mit Kederfahne erwiesen. Das Einlegen des Textils mit dem verwendeten Keder ist in der Abbildung 2 dargestellt. Dadurch werden ein Herausrutschen aus der Metallschiene und ein Verformen des Gewebes verhindert und es erfolgt eine gleichmäßige Lastenverteilung.
Die entwickelten Prototypen sind am Standort Rübelland eingebaut worden. Das Textil wird, wie in Abbildung 3 zu sehen zwischen Metallwinkel und einer Schiene verschraubt, und durch den geklemmten Keder wird das Herausrutschen der Schaufel beim Auftreffen des Wassers verhindert.
Die Herstellung von textilen Komponenten für technische Anwendungen wie den Einsatz in Wasserkraftanlagen stellt einen wichtigen Ansatzpunkt für neue Produkte dar. Die strukturellen Eigenschaften textiler Flächen können vielfältig variiert und abgestimmt auf den Anwendungsfall umgesetzt werden. Der Einsatz textiler Schaufelflächen erfolgt erstmals und kann als positives Signal gewertet werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Des. (FH) Nora Grawitter
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