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Die Form des Wassers:
Die praktische Ausführung von Saugrohrschalungen.
Nach dem Artikel über die Theorie
zu Saugrohren (siehe wasserkraft & energie 02/2006) soll in diesem
Beitrag die Fertigung von Saugrohren betrachtet werden. An Hand eines um
90 Grad gekrümmten Saugrohres wird gezeigt,
wie die Schalung für ein Saugrohr entsteht und auf der Baustelle
mit Beton umgossen wird.
Zur Erinnerung: Das Saugrohr hat
die Aufgabe, Fallhöhenverluste zwischen Turbine und Unterwasser zu
vermeiden und die Bewegungs-Energie zurückzugewinnen. Dazu muss es strömungstechnisch
günstig geformt sein.
Das Saugrohr besteht aus 3 Teilen,
dem Konus, dem Krümmer und dem Diffusor (Bild 1).
Abb.
1: Dreidimensionale Ansicht eines Saugrohres
1. Der Konus befindet sich hinter
dem Austritt der Turbine, führt senkrecht zum Krümmer, und besitzt einen
kreisförmigen Querschnitt mit relativ starker Erweiterung. Dieser wird in
der Regel vom Turbinenlieferanten aus Metall hergestellt.
2. Der Krümmer ist der
schwierigste und anspruchsvollste Teil des Saugrohrs, bzw. der
Saugrohrschalung. Er biegt den Wasserverlauf um ca. 90 Grad in die
Waagrechte. Der Querschnitt ändert sich im Verlauf von kreisförmig zu
rechteckig mit gerundeten Ecken. Häufig ist hier keine oder nur eine
geringe Querschnitts-Erweiterung vorgesehen, um ein Ablösen der Strömung
- und damit Verluste - im gekrümmten Teil zu vermeiden.
3. Der Diffusor erweitert sich
keilförmig in der Höhe, und manchmal auch in der Breite, und hat am Ende
einen rechteckigen Querschnitt, z. B. entsprechend dem Flussbett. Der
Querschnitt ist dabei so dimensioniert, dass die Geschwindigkeit des
Wassers am Austritt etwa ca. 1,5 m/sec beträgt. Die Geschwindigkeit
direkt nach der Turbine kann übrigens mehr als 10 m/sec betragen. Diese
Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie) wird durch das Saugrohr
wieder zurückgewonnen, indem durch die Erweiterung die
Geschwindigkeit wird in „Unterdruck“ umgewandelt.
Die Anforderungen an eine
Saugrohrschalung aus Sicht des Betreibers sind im Wesentlichen:
· Die Schalung muss kostengünstig sein,
nicht nur in Bezug auf die reinen Herstellungskosten, sondern auch
unter Berücksichtigung von Bauzeit, Terminen, Qualität und Wirkungsgrad
des fertigen Saugrohres.
· Es muss die vorgegebene Maßhaltigkeit erreicht werden, wobei
die Anforderung zusätzlich darin liegt, dass die Übergänge möglichst
"weich", ohne Kanten und Ecken ausgeführt sind. Damit wird das
Ablösen der Strömung verhindert. Bei Kanten würde die anliegende (laminare)
Strömung in eine verwirbelte (turbulente) Strömung übergehen, wodurch
starke Verluste auftreten.
· Da die Schalung über öffentliche Strassen auf normalen
LKW’s transportiert werden soll, muss die Schalung zerlegbar sein. Auf
der Baustelle muss sie dann wieder einfach und exakt zusammengebaut werden
können.
· Das Gewicht der Schalung soll so gering sein, dass sie
einfach bewegt und montiert werden kann, z. B. mit dem Baukran.
· An der Schalung müssen entsprechende, stabile Halterungen
vorhanden sein, damit sie für das Betonieren gesichert werden kann. Damit
wird die Schalung gegen verschieben und aufschwimmen sicher fixiert.
· Sie muss sehr stabil sein, damit sie den Druck beim
Betonieren aushält.
· Abschliessend muss sie leicht demontierbar sein, damit die
Teile nach dem Aushärten des Betons mit geringem Aufwand aus dem engen
gekrümmten Saugrohr entfernt werden können.
Die Saugrohre werden entweder in
Stahl, oder als Holz-Schalung realisiert. Ein Saugrohr aus Stahl wird z.
B. aus 10 mm Blech geschweißt, zur Baustelle transportiert, dort mit
Hilfe eines Krans montiert und dann mit Beton umgossen. Meist müssen dafür
noch Versteifung innen angebracht oder eingeschweißt werden, um den Druck
beim Betonieren abzustützen. Um die geforderten 3-dimensionalen Rundungen
möglichst exakt ausführen zu können, sind viele einzelne Blechteile
notwendig, die dann verbunden werden. Die Kanten werden innen
glattgeschliffen. Wenn das Saugrohr so groß oder schwer ist, dass es
nicht in einem Stück transportiert werden kann, dann müssen vor Ort die
Teile zusammengeschweißt werden. Falls Versteifungen innen angebracht
wurden, müssen sie nach dem Aushärten des Betons wieder
herausgeschnitten werden. Die Eisen-Schalung bleibt dabei als verlorene
Schalung im Beton. Deshalb sollte die Innenseite der Schalung besonders
glatt und frei von Schweißnähten und Kanten sein.
Einige Hersteller bieten Schalungen
aus Holz an, die vor Ort erstellt werden. Damit können die Arbeiten erst
beginnen, wenn der Beton des Fundamentes fertig ist. In der Regel müssen
noch zusätzliche Stützen eingebaut werden, um den Betonierdruck
abzufangen. Die Witterungsbedingungen erschweren die termingerechte
Erstellung häufig.
Bei der Anfertigung in einer Halle
durch eine darauf spezialisierte Firma tritt dieses Terminproblem nicht
auf, und es ist die nötige Erfahrung mit der Schalung der doch recht
komplizierten Form vorhanden. Die Transportkosten von ca. 500 Euro fallen
deshalb nicht ins Gewicht. Im nachfolgendem Bespiel wird eine komplett
vorgefertigte Schalung betrachtet.
Abb.2:
Spant am Anfang des Krümmers
Abb.3:
Spant am Ende des Krümmers
Abb.
4: Spant am Ende des Diffusors
Die Schalungen werden in
Spantenbauweise erstellt, ähnlich einem Schiffsrumpf. Die Querschnitte
sind entsprechend der Konstruktionszeichnung gefertigt, von kreisrund, über
rechteckig mit abgerundeten Kanten bis hin zum größten Querschnitt am
Austritt (Bild 2-4). Diese Spanten werden dann entsprechend dem Bauplan
fixiert und mit Brettern verkleidet (Bild5). An der unteren Stelle,
zwischen Krümmer und Diffusor, kann die Schalung zum leichteren Transport
geteilt werden. Die Bretter werden speziell vorbehandelt, damit sie später
nicht schrumpfen und dicht sind. Die Schalung und insbesondere die
Rundungen werden gespachtelt und geschliffen, um weiche Übergänge zu
erzielen und eine glatte Betonfläche für eine strömungstechnisch günstige
Form zu erreichen. Damit können fast beliebige Rundungen erzielt
werden.
Abb.
5: Montage der Spanten
Die Schalung wird durch eine
Abnahme des Auftraggebers freigegeben, insbesondere der Durchmesser am
Laufrad wird gegen die Zeichnung nachgemessen. Auch die Gesamthöhe und
die Gesamtlänge werden abschließend überprüft. Die Abmessungen am
Austritt sind eher unkritisch. Die Oberfläche sollte möglichst gleichmäßig
und glatt sein. Zusätzlich sollten wichtige Stellen durch Fotoaufnahmen
dokumentiert werden.
Falls sich die Betonarbeiten verzögern
sollten, muss die Schalung entsprechend gelagert werden. Um Beschädigungen
der sorgfältig bearbeiteten Holzoberfläche oder ein starkes Austrocknen
mit Schrumpfung und Rissbildung zu vermeiden, sollte die Schalung nicht
der prallen Sonne oder Regen ausgesetzt werden.
Abb.
6: Der Diffusor auf der Bodenplatte
Abb. 7: Der
Krümmer am Kran
Abb.
8: Fertig montiertes Saugrohr
Abb.
9: Saugrohr bereit zum Betonieren
Die Schalung wird auf LKW zur
Baustelle transportiert. Dort wird sie entsprechend den Plänen
einjustiert, und gegen verschieben und aufschwimmen fixiert. Die Schalung
wird mit Spezialöl behandelt, um das spätere Entfernen der Holzteile zu
erleichtern. Ein Aussteifen der Schalung vor Ort ist nicht notwendig. Man
spart dadurch Zeit und auch Kosten. Auf Bild 6 ist der Diffusor bereits
montiert, und an der Bodenplatte fixiert, und mit einer Folie gegen
Witterungseinflüsse abgedeckt. Auf Bild 7 schwebt der Krümmer ein, um
mit dem Diffusor verbunden zu werden (Bild 8). Nachdem das
Bewehrungs-Eisen entsprechend den Vorgaben der Statik eingebracht ist
(Bild 9), kann betoniert werden. Der Stahl muss mindestens 5 cm vom Beton
überdeckt sein. Das Betonieren muss gleichmäßig erfolgen, um einseitige
Belastung zu vermeiden, und die Betoniergeschwindigkeit darf nicht zu hoch
sein, um die Druckbelastung in Grenzen zu halten. Bei einem Meter Höhe
Beton muss die Schalung ca. 2.500 kg (!) je Quadratmeter tragen können.
Die Schalung ist entsprechend ausgelegt, der Abstand der Stützen beträgt
ca. 60 cm, entsprechend den Normen für Schalungen [1].
Abb.
10: Ausschalen des Saugrohres
Nach dem Durchhärten des Betons
werden die Spanten zersägt, und mit der Verbretterung entfernt. Auf Bild
10 ist bereits der Diffusor entfernt, der nächste Spant (siehe auch Bild
3 bzw. Bild 7) ist bereits horizontal zersägt, und kann jetzt leicht mit
einer Winde herausgezogen werden. Eine Besonderheit der Holzschalung ist
die Möglichkeit sie so zu fertigen, dass sie mehrmals verwendet werden
kann. Dann sollte beim Ausbau auf die Verwendung der Motorsäge natürlich
verzichtet werden.
Nach dem Aushärten des Betons ist
das Saugrohr fertig für den Betrieb. Es wird durch seine strömungstechnisch
günstige Ausführung sicherstellen, dass die Strömungsenergie
optimal genutzt wird, und mithelfen, dass die Turbine einen hohen
Wirkungsgrad erreicht.
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[1] Schneider, Bautabellen für
Ingenieure, Werner-Verlag
Bildquellen:
(1)
Fa.
Gugler Hydro Energy
(2
– 5) Fa. F. Mitterfelner, Spezialschalungen
(6
– 10) M. Schuder
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Wasserkraft &
Energie 3/2006
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