Der Klimawandel und die zunehmende Sedimentfracht in den alpinen Einzugsgebieten beschleunigen die hydroabrasive Erosion von Wasserkraftanlagen. Angesichts dieser betrieblichen Herausforderung stützt sich die Bewertung des Verschleißes der Peltonräder nach wie vor weitgehend auf regelmäßige Sichtprüfungen, die kostspielige Produktionsstillstände erfordern und die Verfügbarkeit der Aggregate beeinträchtigen.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie, die in Results in Engineering, haben die Forscher des Hydro Alps Lab (im Rahmen der Doktorarbeit von Maxime Chiarelli, HES-SO Valais-Wallis und ETH Zürich) einen entscheidenden Schritt zur Überwindung dieser Einschränkung getan, indem sie die physikalischen Grundlagen für eine nicht-invasive Überwachung des baulichen Zustands geschaffen haben.
Den Verschleißzustand mithilfe dynamischer Eigenschaften in Echtzeit quantifizieren
Das zentrale Ziel dieser Arbeiten besteht darin, den aktuellen Verschleißzustand eines im Betrieb befindlichen Peltonrades indirekt zu quantifizieren, ohne dass eine Demontage oder eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Durch die Analyse von drei Prototypen im Maßstab Kleinwasserkraft (1,8 MW), die unterschiedliche Verschleißgrade widerspiegelten, konnten die Forscher eine systematische Verschiebung der Eigenfrequenzen der Struktur hin zu niedrigeren Werten nachweisen.
Diese Frequenzabfälle, die bei bestimmten Schwingungsmodenfamilien bis zu -15,75 % betragen, zeigen, dass das dynamische Verhalten des Rades hauptsächlich durch den Verlust der strukturellen Steifigkeit im Bereich der Aussparungen (insbesondere am zentralen Trennsteg und an der Aussparung) bestimmt wird und nicht durch die bloße Verringerung der Masse.
Ein Zusammenhang, der sich auf Maschinen mit hoher Leistung übertragen lässt
Für Fachleute auf dem Gebiet der Strukturdynamik liegt eines der vielversprechendsten Ergebnisse des Artikels in der beobachteten quasi-linearen Beziehung zwischen dem Volumen des abgetragenen Materials und dem Rückgang der Eigenfrequenzen bei den meisten Modenfamilien. Durch die kontinuierliche Überwachung dieser Frequenzsignaturen (mithilfe von Beschleunigungsmessern oder mittels Laservibrometrie) lässt sich der Grad der mechanischen Abnutzung des Rades in Echtzeit präzise abschätzen.
Die Studie bestätigt zudem die Anwendbarkeit geometrischer Ähnlichkeitsgesetze. Sie belegt, dass zwar die Eigenfrequenzen mit der Größe der Maschinen abnehmen, die durch Erosion verursachten Frequenzverschiebungen bei Hochleistungsrädern – wie beispielsweise bei den Anlagen in Peccia (TI) oder Bieudron (VS) – mit Hilfe von Standardmessgeräten nach wie vor eindeutig nachweisbar sind.
Die Bausteine der zukünftigen vorausschauenden Instandhaltung
Auf der Grundlage einer strengen experimentellen und numerischen Kopplung, die hochauflösende 3D-Digitalisierung, experimentelle Modalanalyse (EMA) und Finite-Elemente-Simulationen (FEM) miteinander verbindet, stellt diese Arbeit kein Modell zur zeitlichen Vorhersage der Restlebensdauer dar, sondern schafft die unverzichtbare physikalische Grundlage für zukünftige Werkzeuge der vorausschauenden Instandhaltung. Damit bietet sie Betreibern, Forschern und angehenden Ingenieuren der Energiewende eine bewährte Methodik zur Optimierung des Managements von Wasserkraftanlagen in sedimentären Umgebungen.
Die vollständige Veröffentlichung einsehen: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123026030951
