CH710920A2 - Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage. - Google Patents

Abstract

Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage, umfassend einen abgerundeten Kopf (3) und einen daran anschliessenden Abschnitt (5) mit rechteckigem Querschnitt, wobei der Abschnitt (5) mit rechteckigem Querschnitt an dem in Strömungsrichtung hinteren Ende einen Bereich (4) mit reduzierter Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (4) mit reduzierter Dicke asymmetrisch ausgebildet ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage und einen Rechen für eine Wasserkraftanlage.

[0002] Rechen werden bei Wasserkraftanlagen vor dem Einlauf der Turbinen installiert, um zu verhindern, dass Geschwemmsel und/oder Fische in die Turbine gelangen. Sie bestehen aus einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Stabprofilen. Früher waren diese Stabprofile einfache Rechtecke. Weil diese Rechtecke relativ scharfe Kanten aufweisen, haben sie einen relativ hohen Strömungswiderstand und verletzen Fische, die gegen diese Stabprofile schwimmen.

[0003] Es gibt ein weiteres Stabprofil, das nachfolgend als SIPA-Profil bezeichnet wird, das einen verrundeten Kopf und einen daran anschliessend rechteckigen Abschnitt aufweist. Dieses SIPA-Stabprofil stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem rechteckigen Stabprofil dar.

[0004] Aus der 207 326 ist eine Rechenanlage bekannt, deren Stabprofile einen rechteckigen Querschnitt haben. Die Stabprofile sind in Strömungsrichtung vorne abgerundet und an ihrem in Strömungsrichtung hinteren Ende als gleichschenkeliges Dreieck ausgebildet ist.

[0005] Aus der DE 3 715 020 C2 ist ein Feinstrechen mit einem Doppelrechenrost für Abwasser bekannt. Eine erste Gruppe von Rechenstäben hat einem angenähert trapezförmigen Kopf sn den ein rechteckiger Querschnittsbereich anschliesst, dessen Dicke gegenüber dem trapezförmigen Kopf reduziert ist. Zwischen diesen Stabprofilen sind weitere Stäbe mit kreisförmigen Querschnitten eingesetzt.

[0006] Aus der DE 1 911 979 ist ein zweiteiliges Stabprofil bekannt. Der hintere Endteil dieses Stabprofils ist trapezförmig ausgebildet und wird fest mit dem Rechengitter beziehungsweise dessen Tragstruktur verbunden. An dem vorderen Teil des Stabprofils wird über eine schwalbenschwanzartige Verbindung auf das hintere Teil aufgeschoben. Dadurch lässt sich der vordere Teil des Stabprofils im Falle einer Beschädigung leicht auswechseln, ohne den Stau abzulassen beziehungsweise die Wasserkraftkraftanlage ausser Betrieb zu nehmen.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Stabprofil bereitzustellen, das hinsichtlich Verletzungsgefahr von Fischen und Strömungswiderstad eine signifikante Verbesserung gegenüber dem SIPA-Stabprofil darstellt. Gleichzeitig sollen die Herstellungskosten des erfindungsgemässen Stabprofils gleich oder nur unwesentlich über denen des SIPA-Stabprofils liegen. Ausserdem sollen Schwingungen der Rechenstäbe weitestgehend unterdrückt werden.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einem Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage umfassend einen abgerundeten Kopf und einen daran anschliessenden Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt dadurch gelöst, dass der Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt an dem in Strömungsrichtung hinteren Ende einen asymmetrischen Bereich mit reduzierter Dicke aufweist. Dieser Bereich mit reduzierter Dicke kann als ansymmetrisches Trapez, als gleichschenkliges oder ungleichschenkliges Dreieck oder als mehrfach gestuftes Rechteck ausgebildet sein. Die asymmetrische Ausgestaltung verhindert die Entstehung von Schwingungen des Rechenstabs besonders wirkungsvoll verhindert. Wenn die Rechenstäbe in Schwingung geraten, verringert sich Ihre Lebensdauer durch Materialermüdung und es kann zu unerwünschter Geräuschentwicklung kommen.

[0009] Dadurch, dass die Dicke des Abschnitts mit rechteckigem Querschnitt am hinteren Ende reduziert wird, werden die Ablösungswirbel (Karmansche Wirbelstrasse) verringert und infolge dessen wird die Schwingungsanregung auf den Rechenstab signifikant reduziert. Die negativen Auswirkungen der Schwingungen werden somit ebenfalls reduziert.

[0010] Wenn das erfindungsgemässe Stabprofil schräg angeströmt wird, ist die erfindungsgemässe Ausgestaltung des hinteren Endes des Stabprofils besonders vorteilhaft.

[0011] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die maximale Dicke des Kopfs mindestens 15% einer Gesamtlänge des Stabprofils von der Spitze des Stabprofils beabstandet angeordnet ist. Damit wird die dickste Stelle des Stabprofils gegenüber dem SIPA-Stabprofil weiter nach hinten verlegt und infolge dessen ist die Spitze des erfindungsgemässen Stabprofils runder und weniger gefährlich für die Fische. Ausserdem verbessert sich der Strömungswiderstand weiter.

[0012] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt weniger als 60% der Gesamtlänge des Stabprofils einnimmt. Auch dadurch wird der Strömungswiderstand des erfindungsgemässen Stabprofils gegenüber einem SIPA-Stabprofil weiter verbessert.

[0013] Eine weitere signifikante Verbesserung des Strömungswiderstands wird erreicht, wenn der Übergang zwischen dem Kopf und dem Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt mit einem grossen Radius verrundet wird. Der Radius im Bereich des Übergangs sollte grösser als 15%, bevorzugt grösser als 30% und besonders bevorzugt grösser als 50% der Gesamtlänge des Stabprofils sein.

[0014] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Zeichnung

[0015] Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Darstellung eines Rechens mit erfindungsgemässen Stabprofilen, <tb>Fig. 2<SEP>verschiedene Anströmwinkel des Rechens, <tb>Fig. 3a<SEP>ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Stabprofils, <tb>Fig. 3b und 3c<SEP>verschiedene Ausgestaltungen des hinteren Endes eines erfindungsgemässen Stabprofils, <tb>Fig. 4<SEP>die Strömungsverluste verschiedener Stabprofile im Vergleich und <tb>Fig. 5<SEP>ein Vergleich des erfindungsgemässen Stabprofils mit dem SIPA-Stabprofil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:

[0016] In der Fig. 1 sind mehrere erfindungsgemässe Stabprofile 1 nebeneinander und parallel zueinander angeordnet dargestellt. Mehrere solcher paralleler Stabprofile 1 bilden einen Rechen. Solche Rechen können 50 oder mehr solcher Stabprofile 1 umfassen und eine Fläche von mehr als 10 m<2>abdecken.

[0017] Da solche Rechen dem einschlägigen Fachmann hinlänglich bekannt sind, wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet. Im Zusammenhang mit der Erfindung sei lediglich darauf hingewiesen, dass der in der Fig. 1 dargestellte Rechen von links nach rechts von Wasser durchströmt wird. Dies ist durch einen Pfeil mit der Strömungsrichtung «X» angedeutet.

[0018] Eine wichtige Grösse für die Auslegung eines Rechens ist die lichte Weite LW, die den minimalen Abstand zwischen zwei benachbarten Stabprofilen 1 kennzeichnet. Eine lichte Weite von 15 mm stellt einen guten Kompromiss zwischen dem Schutz von Fischen einerseits und den Strömungsverlusten des Rechens andererseits darstellt. Daher wird heutzutage bei Neubauten von Rechenreinigern in der Regel eine lichte Weite von 15 mm beantragt und von den zuständigen Behörden auch genehmigt.

[0019] Die in der Fig. 1 dargestellte Strömungsrichtung X ist in der Praxis nicht immer genau parallel zu einer Längserstreckung der Stabprofile, sondern manchmal werden die Stabprofile 1 auch schräg angeströmt. Diese Situation ist in der Fig. 2 dargestellt. In der Fig. 2 sind drei Pfeile angedeutet, die unter einem Winkel von 0°, 15° und 30° zur Längserstreckung der Stabprofile 1 verlaufen. Diese drei Pfeile sollen die Strömungsrichtungen X darstellen. Mit der Schräganströmung nimmt der Strömungswiderstand des Rechens zu. Daher ist eine Schräganströmung unerwünscht, lässt sich aber nicht immer vermeiden. Man ist vielmehr bestrebt, einen Anströmwinkel von 0° zu realisieren.

[0020] In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Stabprofils 1 vergrössert dargestellt. Die Strömungsrichtung X ist ebenfalls in der Fig. 3 durch einen Pfeil angedeutet. Das erfindungsgemässe Stabprofil 1 hat eine Gesamtlänge L von der Spitze bis zum hinteren Ende. In der Fig. 3 befindet sich die Spitze des Stabprofils 1 am linken Blattrand und das hintere Ende des Stabprofils 1 befindet sich am rechten Blattrand.

[0021] Das erfindungsgemässe Stabprofil 1 hat in Strömungsrichtung an seinem vorderen Ende einen Kopf 3 und daran anschliessend einen Abschnitt 5 mit rechteckigem Querschnitt. Der Kopf 3 des Stabprofils ist als symmetrisches abgerundetes Profilausgebildet. Der Kopf hat einen Bereich mit einer maximalen Dicke D, die von der Spitze S um ein Mass 7 beabstandet ist.

[0022] Dieses Mass 7 beträgt bei dem erfindungsgemässen Stabprofil mindestens 15% der Gesamtlänge L des Stabprofils 1. Es ist jedoch auch möglich, dass die maximale Dicke des Kopfs 3 weiter als 15% der Gesamtlänge L des Stabprofils 1 von der Spitze S beabstandet angeordnet ist. Es haben sich Werte zwischen 15% und 20% als besonders geeignet erwiesen.

[0023] Der Kopf 3 des erfindungsgemässen Stabprofils 1 nimmt anschliessend in Strömungsrichtung wieder ab und geht mit einem Radius R in den Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt 5 über. Der Radius R ist in der Fig. 3a dargestellt. Er sollte möglichst gross sein. Insbesondere ist es empfehlenswert, wenn der Krümmungsradius R im Bereich des Übergangs grösser als 15% bevorzugt grösser als 30% und besonders bevorzugt grösser als 50% der Gesamtlänge L des Stabprofils 1 ist. Dann werden Ablösungen der Strömung in dem Übergang zwischen dem Kopf 3 und dem Abschnitt 5 mit rechteckigem Querschnitt wirkungsvoll vermieden und infolgedessen sinkt der Strömungswiderstand des erfindungsgemässen Stabprofils 1.

[0024] In der Fig. 3a ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Stabprofils 1 dargestellt, bei dem das hintere Ende des Stabprofils 1 als Trapez ausgebildet ist. In diesem Bereich ist natürlich der Querschnitt des Stabprofils 1 nicht rechteckig, sondern eben beispielsweise trapezförmig.

[0025] In den Fig. 3b und 3c sind weitere alternative und beispielhafte Ausgestaltungen des hinteren Endes des Stabprofils 1 schematisch dargestellt. In der Fig. 3b ist das hintere Ende als gleichseitiges Dreieck ausgebildet. Es kann jedoch aus ein ungleichseitiges Dreieck sein (nicht dargestellt).

[0026] In der Fig. 3c ist das hintere Ende des Stabprofils 1 als gestuftes Rechteck ausgebildet.

[0027] Alle drei dargestellten Ausführungsbeispiele führen zu einer signifikanten Reduktion der Verwirbelungen am hinteren Ende des Stabprofils und reduzieren dadurch die Schwingungsanregung auf das erfindungsgemässe Stabprofil 1 erheblich. Die Vorteile der erfindungsgemässen Ausgestaltung des Stabprofils 1 sind besonders gross, wenn das Stabprofil 1 schräg angeströmt wird.

[0028] Bei einer konkreten Ausführungsform kann das Stabprofil 1 eine Länge L von 60 mm und eine maximale Dicke D im Bereich des Kopfs 3 von 8 mm haben.

[0029] Der Bereich mit rechteckigem Querschnitt 5, der im Zusammenhangmit der Erfindung auch das dreieckige, trapezförmige bzw. gestufte hintere Ende des Stabprofils 1 umfasst, kann etwa 35 mm lang sein, wobei über eine Länge von etwa 27 man tatsächlich ein rechteckiger Querschnitt vorhanden ist und das hintere Ende mit der trapezförmigen Abflachung hat dann etwa eine Länge von 7 bis 8 mm.

[0030] Die Dicke des Abschnitts 5 mit rechteckigem Querschnitt beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 5 mm. Am hintersten Ende weist das Stabprofil eine Dicke von nur noch etwa 2 mm auf. Selbstverständlich ist es möglich, das Stabprofil 1 am hinteren Ende noch spitzer zulaufen zu lassen. Dadurch werden die Schwingungsanregungen nochmals reduziert. Allerdings wird das hintere Ende dadurch weniger robust.

[0031] In der Fig. 4 sind die Strömungsverluste eines Rechens einmal mit einem Stab mit Rechteckprofil, mit dem sogenannten SIPA-Stabprofil und mit einem erfindungsgemässen Stabprofil in einem Diagramm dargestellt. Bei der Simulation wurde ein unendlich breiter Rechen angenommen, so dass Randeffekte nicht auftreten.

[0032] Die Linie 9 stellt die Strömungsverluste in Zentimeter Wassersäule [cm WS] eines herkömmlichen Rechteckprofils in Abhängigkeit des Anströmwinkels, bei einer Anströmgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer lichten Weite von 15 mm dar.

[0033] Die Linie 11 stellt die Strömungsverluste eines Rechens mit einem SIPA-Profil dar, während die Strömungsverluste des erfindungsgemässen Stabprofils durch die Linie 13 dargestellt werden.

[0034] Durch den Vergleich der Linien 9 und 11 wird deutlich, dass das SIPA-Profil gegenüber dem Rechteckprofil bereits eine erhebliche Verbesserung darstellt. Wenn man nun dieses SIPA-Profil mit dem erfindungsgemässen Stabprofil vergleicht, wird deutlich, dass das erfindungsgemässe Profil (siehe die Linie 13) sowohl bei einem Anströmwinkel von 0° bis hin zu Anströmwinkeln von 30° immer einen signifikant niedrigen Strömungsverlust hat, als das SIPA-Profil.

[0035] Wenn man nun das SIPA-Profil als Referenz hernimmt und dessen Strömungsverluste gleich 1 setzt, kann man das erfindungsgemässe Stabprofil 1 gut mit dieser SIPA-Referenz vergleichen. Dieser Vergleich ist in der Fig. 5 dargestellt. Der Vergleich ergibt, dass das erfindungsgemässe Stabprofil 1 bei einem Anströmwinkel von 0° und einer lichten Weite von 10 mm nur etwa 83% der Verluste des SIPA-Profils verursacht. Der Wert für eine lichte Weite von 15 mm (siehe die Linie 17 in der Fig. 5 ) ist bei dem Anströmwinkel 0° nahezu identisch.

[0036] Dies bedeutet nichts anderes, als dass sowohl bei der lichten Weite von 10 mm als auch bei einer lichten Weite von 15 mm das erfindungsgemässe Stabprofil 1 Strömungsverluste hat, die nur etwa 83% der Strömungsverluste eines mit einem SIPA-Profil ausgerüsteten Rechens aufweisen.

[0037] Je schräger die Anströmung bzw. je grösser der Anströmwinkel ist, desto grösser sind die Vorteile des erfindungsgemässen Stabprofil verglichen mit dem SIPA-Profil. Bei einem Anströmwinkel von 30° hat das erfindungsgemässe Stabprofil bei einer lichten Weite von 10 mm mehr als 20% weniger Strömungsverluste als das SIPA-Profil. Bei einer lichten Weite von 15 mm sind die Vorteile des erfindungsgemässen SIPA-Profils sogar grösser als 30%.

[0038] Durch die reduzierten Strömungsverluste erhöht sich die Jahresarbeit einer Wasserkraftanlage, die einen Rechen aufweist, der mit einem erfindungsgemässen Stabprofil ausgerüstet ist. Auch wenn es sich dabei nur um einen oder zwei Zentimeter nutzbare Fallhöhe handelt, so kann dies bei Wasserkraftanlagen mit einem Gefalle von beispielsweise 2 m zu einer Erhöhung der Jahresarbeit von 0,3 bis 0,5% führen. Weil das erfindungsgemässe Stabprofil 1 zu den gleichen Kosten wie das SIPA-Profil hergestellt werden kann, erhöht sich dadurch die Wirtschaftlichkeit einer mit dem erfindungsgemässen Stabprofil 1 ausgerüsteten Wasserkraftanlage durchaus nennenswert.

Claims (8)

1. Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage umfassend einen abgerundeten Kopf (3) und einen daran anschliessenden Abschnitt (5) rechteckigem Querschnitt, wobei der Abschnitt (5) mit rechteckigem Querschnitt an dem in Strömungsrichtung hinteren Ende einen Bereich (4) mit reduzierter Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (4) mit reduzierter Dicke asymmetrisch ausgebildet ist.

2. Stabprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (4) mit reduzierter Dicke als Dreieck, Trapez oder gestuftes Rechteck ausgebildet ist.

3. Stabprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Dicke (D) des Kopfs (3) mindestens 15 % einer Gesamtlänge (L) des Stabprofils () von einer Spitze (S) beabstandet (7) ist.

4. Stabprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (5) mit rechteckigem Querschnitt weniger als 60% der Gesamtlänge (L) des Stabprofils (1) einnimmt.

5. Stabprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang zwischen Kopf (3) und dem der Abschnitt (5) mit rechteckigem Querschnitt verrundet ist, und dass ein Radius (R) im Bereich des Übergangs grösser als 15%, bevorzugt grösser als 30 % und besonders bevorzugt grösser als 50% der Gesamtlänge (L) des Stabprofils (1) ist.

6. Stabprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der maximalen Dicke (D) des Kopfs (3) zu der Dicke des Abschnitts (5) mit rechteckigem Querschnitt etwa 1,5 bis 1, 7 beträgt.

7. Stabprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Ausnahme des Bereichs (4) mit reduzierter Dicke symmetrisch ist.

8. Rechen für eine Wasserkraftanlage umfassend mehrere parallel zueinander angeordnete Stabprofile, dadurch gekennzeichnet, dass er Stabprofile (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.