Kostenoptimierte Modellversuche für die Kleinwasserkraft

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung von Hydrauliken mittels numerischer Simulation im Wasserkraftbereich, sei es „Large-“ oder „Small-Hydro“, sehr gut etabliert und gilt heute als verlässliche Methode zur Generierung einer geeigneten Hydraulik. Es gibt jedoch nicht ohne Grund vielfach den Wunsch eine Hydraulik – ergänzend zu den nume-rischen Angaben – auch durch einen Modellversuch zu untermauern. Insbesondere abseits des Optimums kann die reale Strömung von numerisch berechneten Ergebnissen abweichen. Noch vor wenigen Jahrzehnten war an kosten-günstige Modellversuche nicht zu denken, da die Fertigung der einzelnen Komponenten ausgesprochen teuer ist und sich als unflexibel darstellt. Mit den heute vorhandenen Fertigungsmethoden und der Möglichkeit des einfachen Ge-ometrietransfers zum Lohnlieferanten hat sich diese Situation stark verändert, und der Einsatz von adaptiven Ferti-gungsmethoden ermöglicht in den kommenden Jahren weitere Innovationssprünge in der kostenoptimierten Bauteil-gestaltung.
Die Modellmessung ist insbesondere bei Niederdruckmaschinen auch eine Garantiemessung, da die Anlagenmessung nur mit sehr hohem Auswand bei relativ großer Ungenauigkeit möglich ist. Dementsprechend wird bei vielen Projek-ten die Angabe einer modellgeprüften Hydraulik gefordert bzw. wird für Refurbishments explizit der Nachweis mittels eines homologen Modellversuchs gefordert. Es wird in der Folge mittels Aufwertung von den im Modellversuch ge-prüften Werten auf die Großausführung hochgerechnet.
Um allen Anforderungen für einen Modellversuch zu entsprechen, beschreibt die IEC 60193 [1] in der neuesten Fas-sung von 2019 alle erforderlichen Methodiken zur Messung der notwendigen physikalischen Größen, die Apparaturen für die Messung von speziellen Kenngrößen, wie beispielsweise Kräfte und Momente, sowie auch Vorgaben für die Leistungsfähigkeit des Prüfstandes im Allgemeinen. In diesem Zusammenhang gilt es anzumerken, dass keine wie auch immer gearteten Abstriche gemacht werden sollten. Neben der Messung des Wirkungsgrades über einen weiten Be-triebsbereich sind die Messung bis zur „Speed-No-Load-Kurve“ und Kavitationsuntersuchungen im klassischen Be-triebsbereich der eingesetzten Hydraulik notwendig. Für die qualitative Beurteilung der Strömung in Pelton-Turbinen und die Analyse der Strahl-Becher-Interaktion ist zudem die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Kamerasystemen unumgänglich. Die Messmittel müssen für den wiederholten Einsatz ausgelegt sein und sollten die vorgegebenen Genauigkeitsklassen nicht nur einhalten, sondern tendenziell weit übertreffen.
Die IEC schreibt für unterschiedliche Typen von Maschinen Mindestgrößen und Leistungen vor, die in Tabelle 1 detail-lierter aufgelistet sind. Gleichzeitig bestimmen diese Größen auch die Leistungsfähigkeit, die ein geeigneter Prüfstand aufweisen muss. Hierbei muss ein kleinerer Durchmesser nicht automatisch die billigste Variante darstellen. Maßgeb-lich sind diesbezüglich außerdem Messgenauigkeiten und Fertigungsmöglichkeiten. Als Beispiel sei nachstehend an-hand einer Kaplanlaufradverstellung gezeigt, dass schlicht und einfach Probleme in der Laufschaufel-Nabenverbindung auftreten, und die Messung von geringen Druckhöhen stößt ebenso an Grenzen. Der Fahrbereich, den die Maschine hinsichtlich des Durchflusses für die Aufnahme eines Kennfeldes erreicht, erreicht eine Spreizung, deren Messung ausschließlich durch den Einsatz von unterschiedlichen Größen an Durchflussmessgeräten möglich ist, was allerdings zusätzliche Umschaltmöglichkeiten im Prüfstandskreislauf erfordert. Die Auswahl der Modellmaschinendrehzahl und des Modellmaschinendurchmessers sollte demzufolge stets mit dem Prüfstand korrespondieren.
Nach einer Beschreibung eines normkonformen Versuchstandes wird auf die einzelnen Messgrößen im Detail einge-gangen, wobei neben der Mengenkalibration auch der Aufbau einer hydrostatischen Lagerung diskutiert wird. Darauf-hin werden alle Erfordernisse für den Ablauf eines normkonformen Versuchs dargestellt, inklusive dem Wechselspiel zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber, und es wird näher auf Messungen eingegangen, die in der Norm nicht genauer spezifiziert sind. Darauf wird kurz auf Neuerungen bei der Aufwertung der Ergebnisse aus dem Modellversuch eingegangen. Anhand von praktischen Beispielen wird konkret auf die Umsetzung und Ergebnisse eingegangen.