messung

VP 4: Kaskade fischfreundliches Wehr
TP 4.5: Entwicklung hydraulisch und pneumatisch in ihrer Form und Steifigkeit veränderbarer 3D-Textilien zur Beeinflussung charakteristischer Dimensionen und Strömungsvorgänge

BMBF 03WKCO4D


Abstract
Das Vorhaben diente der Entwicklung adaptiver textiler Hohlstrukturen, um über deren Dimensions- und Formänderung in Fischaufstiegshilfen eine ungehinderte Passierbarkeit für Fische sowie eine effiziente Energiegewinnung mittels vertikalachsiger Turbine zu ermöglichen. Der Einbau der 3D-Textilien erfolgte in eine „Kaskade fischfreundliches Wehr“ als Kombination einer Fischtreppe und eines Gravitationswirbelkraftwerkes. Die textilen Basismaterialien sind hochfeste kunststoffbeschichtete Gewebe, die zu dreidimensionalen Formkörpern mit Dehnungszonen und Verankerungselementen konfektioniert wurden. Die Kontrolle der Formänderung der 3D-Textilen erfolgte mittels textilintegrierter Sensoren. Die entwickelten adaptiven Textilien wurden unter praxisnahen Bedingungen in einer Versuchsanlage erprobt.

Aufgabenstellung
Das als Teil eines Verbundprojektes durchgeführte Forschungsvorhaben zielte darauf, spezifische Vorteile textiler Materialien – hohe Flexibilität, Formanpassung an Umgebungsbedingungen im Fließgewässer, weitgehender Verzicht auf bewegte Teile und damit geringster Verschleiß – sowie Montagevorteile bei Aufbau und Wartung der Anlage zu nutzen. Die 3D-Textilien waren für den Einbau im Ein- und Auslaufkanal des fischfreundlichen Wehres sowie für die Montage an der Wand des Wirbelbeckens zu konzeptionieren. Die Anpassung an Betriebsbedingungen wie Wasserstand und Strömungsgeschwindigkeit sowie an die Fischarten der Region sollte durch Befüllen der 3D-Textilformkörper mit Wasser bzw. Druckluft erfolgen. Zur Überwachung der Formänderung waren Sensoren für Dehnung, Biegung und Temperatur in die Textilien zu integrieren. Ein weiteres Arbeitsziel bestand in der Charakterisierung der Form- und Steifigkeitsveränderungen der 3D-Textilien unter Druckbeaufschlagung, beginnend bei Modellversuchen bis hin zum großtechnischen Versuch unter praxisnahen Bedingungen. Ein wesentliches Kriterium war hierbei das Erreichen der geforderten Steifigkeiten und Biegemomente unter Druckbeaufschlagung durch gezielt eingebaute Steifigkeitsgradienten in den textilen Verbundstrukturen.

Lösungsweg
Die Entwicklungsarbeiten begannen bei den einzusetzenden Fadenmaterialien und erstreckten sich über die textile Flächenbildung, die Beschichtung der textilen Materialien mit Polymeren bis hin zur Herstellung von 3D-Konstruktionen in der technischen Konfektion. Zur Verbesserung der Eisfreiheit und energetischen Optimierung der Energiegewinnungsanlage waren die textilen Hohlstrukturen für den Einsatz als Wärmeüberträger nach dem Wärmepumpenprinzip zu modifizieren. Darüber hinaus waren Lösungen für die Zuführung der für den pneumatischen bzw. hydraulischen Betrieb benötigten Medien zu erarbeiten. Da die textilen Materialien Eis, Treibgut und Hochwasser standhalten müssen, ohne dabei durch Beschädigungen undicht zu werden oder an Flexibilität zu verlieren, war deren Verhalten gegenüber den im Betrieb auftretenden mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen in zeitraffenden Labortests experimentell zu ermitteln. Nach Versuchen im Modellstadium erfolgten Funktionstests der 3D-Textilien in einer Versuchsanlage unter Praxisbedingungen.

Ergebnis und Anwendungen
Die entwickelten und im Modellmaßstab sowie unter realen Bedingungen getesteten hydraulisch bzw. pneumatisch angetriebenen 3D-Textilien dienen der stufenlosen Regulierung der Strömungsbedingungen in einem als Fischaufstiegshilfe eingesetzten Gravitationswirbelkraftwerk (Abbildung 1).

Abbildung 1: Modell des Wirbelbeckens mit Textilien zur Strömungsbeeinflussung Abbildung 1: Modell des Wirbelbeckens mit Textilien zur Strömungsbeeinflussung

Sie ermöglichen den Betrieb unter optimalen Bedingungen für die Energiegewinnung und den Fischaufstieg entsprechend Europäischer Wasserrahmenrichtlinie. Das Regelkonzept basiert auf einer einfachen, über Druckbeaufschlagung und Dehnungszonen einstellbaren Formänderung der 3D-Textilen, die über in die textile Hülle integrierte resistive Dehnungssensoren verfolgt werden kann. Weitere Vorteile der kostengünstig herzustellenden flexiblen 3D-Textilien sind standortangepasste Lösungen durch sehr gute Anpassung an den Gewässergrund, schneller Auf- und Abbau (z. B. bei Hochwasser), geringer Transport- und Montageaufwand (wird vor Ort aufgepumpt) sowie Gewichtsreduktion und Korrosionsbeständigkeit der textilen Werkstoffe. Hierdurch werden die Kosten für die Errichtung und den Betrieb der Anlage gesenkt, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit des Gesamtkonzepts der „Kaskade fischfreundliches Wehr“ führt.

 

 

 

 

 

 

Ansprechpartner
Dr. Wolfgang Scheibner
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