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Die Erfindung betrifft ein Stabprofil für einen Rechen einer Wasserkraftanlage und einen Rechen für eine Wasserkraftanlage.
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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.
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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.
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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.
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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 Bereich mit reduzierter Dicke aufweist. Dieser Bereich mit reduzierter Dicke kann als symmetrisches oder unsymmetrisches Trapez, als gleichschenkliges oder ungleichschenkliges Dreieck oder als mehrfach gestuftes Rechteck ausgebildet sein. Die unsymmetrische Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, weil sie die Entstehung von Schwingungen des Rechenstabs wirkungsvoll verhindert. Wenn die Rechenstäbe in Schwingung geraten, verringert sich Ihre Lebensdauer durch Materialermüdung und es kann zu unerwünschter Geräuschentwicklung kommen.
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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.
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Wenn das erfindungsgemäße Stabprofil schräg angeströmt wird, ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des hinteren Endes des Stabprofils besonders vorteilhaft.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Rechens mit erfindungsgemäßen Stabprofilen,
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2 verschiedene Anströmwinkel des Rechens,
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3a ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabprofils,
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3b und 3c verschiedene Ausgestaltungen des hinteren Endes eines erfindungsgemäßen Stabprofils,
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4 die Strömungsverluste verschiedener Stabprofile im Vergleich und
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5 ein Vergleich des erfindungsgemäßen Stabprofils mit dem SIPA-Stabprofil.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
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In der 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 m2 abdecken.
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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 1 dargestellte Rechen von links nach rechts von Wasser durchströmt wird. Dies ist durch einen Pfeil mit der Strömungsrichtung "X" angedeutet.
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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.
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Die in der 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 2 dargestellt. In der 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.
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In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabprofils 1 vergrößert dargestellt. Die Strömungsrichtung X ist ebenfalls in der 3 durch einen Pfeil angedeutet. Das erfindungsgemäße Stabprofil 1 hat eine Gesamtlänge L von der Spitze bis zum hinteren Ende. In der 3 befindet sich die Spitze des Stabprofils 1 am linken Blattrand und das hintere Ende des Stabprofils 1 befindet sich am rechten Blattrand.
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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 Profil ausgebildet. Der Kopf hat einen Bereich mit einer maximalen Dicke D, die von der Spitze S um ein Maß 7 beabstandet ist.
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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.
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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 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.
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In der 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.
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In den 3b) und c) sind weitere alternative und beispielhafte Ausgestaltungen des hinteren Endes des Stabprofils 1 schematisch dargestellt. In der 3b) ist das hintere Ende als gleichseitiges Dreieck ausgebildet. Es kann jedoch aus ein ungleichseitiges Dreieck sein (nicht dargestellt).
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In der 3c) ist das hintere Ende des Stabprofils 1 als gestuftes Rechteck ausgebildet.
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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.
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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.
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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 mm tatsächlich ein rechteckiger Querschnitt vorhanden ist und das hintere Ende mit der trapezförmigen Abflachung hat dann etwa eine Länge von 7 bis 8 mm.
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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.
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In der 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.
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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.
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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.
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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.
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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 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 5) ist bei dem Anströmwinkel 0° nahezu identisch.
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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.
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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%.
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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 Gefälle 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.
