Promotion von Maxime Chiarelli
Angesichts der Entwicklung des Strommixes und des steigenden Bedarfs an Flexibilität im Energiesystem sind Pelton-Turbinen zunehmend variablen Betriebsbedingungen ausgesetzt, wobei insbesondere die Anzahl der Starts, Abschaltungen und Drehzahländerungen zunimmt. Zu diesen Belastungen kommt in alpinen Anlagen noch die durch vom Wasser mitgeführte Sedimente verursachte hydroabrasive Erosion hinzu. Diese Phänomene können die Unversehrtheit der Laufräder nach und nach beeinträchtigen und machen den Einsatz von Überwachungsmethoden, mit denen ihr Zustand im Betrieb verfolgt werden kann, besonders wichtig.
Die Doktorarbeit von Maxime Chiarelli hat sich mit dem Potenzial der Methoden auf der Grundlage der Schwingungsanalyse zur Erkennung von Schäden an Pelton-Turbinen. Der Ansatz basiert auf der Tatsache, dass sich die dynamischen Eigenschaften eines Bauwerks – insbesondere seine Eigenfrequenzen – ändern, wenn seine Geometrie oder seine mechanischen Eigenschaften verändert werden. Ihre Überwachung könnte somit Indikatoren liefern, anhand derer sich die Entwicklung des Zustands eines Rades auf nicht-invasive Weise erkennen lässt.
Die Arbeiten umfassten Messkampagnen an industriellen Pelton-Turbinen, experimentelle Versuche und numerische Modellierungen um das dynamische Verhalten der Räder unter verschiedenen Bedingungen zu charakterisieren. Besonderes Augenmerk wurde auf die Ermittlung ihrer Eigenfrequenzen im Betrieb, auch unter transienten Bedingungen, sowie auf den Einfluss geometrischer Parameter und der hydroabrasiven Erosion auf ihr dynamisches Verhalten gelegt.
Diese Forschungsarbeiten tragen zur Entwicklung neuer Ansätze bei, um Überwachung des Zustands von Pelton-Turbinen sowie – auf längere Sicht – der vorausschauenden Instandhaltung. Sie zielen darauf ab, die Entwicklung des Zustands der Räder im Betrieb besser zu erfassen, um die Betreiber bei der Planung von Inspektionen und Instandhaltungsmaßnahmen zu unterstützen.
Veröffentlichungen und damit verbundene Arbeiten
Doktorarbeit
Maxime Chiarelli, Schadenserkennung an Pelton-Turbinen mithilfe schwingungsbasierter Verfahren, ETH Zürich, 2026.
Die Dissertation in der ETH Research Collection einsehen
Zeitungsartikel
Chiarelli, M., Decaix, J., Vetsch, D. F., Boes, R. M. und Münch-Alligné, C. (2026). Quantifizierung des Einflusses der hydroabrasiven Erosion auf das dynamische Verhalten von Pelton-Laufrädern: Eine experimentelle Studie. Results in Engineering, 112074. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.112074
M. Chiarelli, D. F. Vetsch, R. M. Boes, L. Andolfatto und C. Münch-Alligné, „Zum Einfluss geometrischer Parameter und erosiven Verschleißes auf das dynamische Verhalten von Pelton-Turbinenlaufrädern“, 2025 Results in Engineering, https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.105638
Konferenzbeiträge / Tagungsbände
M. Boden, M. Chiarelli, V. Tsingos, N. Allaban, J. Decaix, S. Stojanovic-Roth, G. Blommaert, B. Valluy und C. Münch-Alligné, Digital Twin zur Schwingungsüberwachung von Pelton-Anlagen, 2025, IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 1442 012008, doi:10.1088/1755-1315/1442/1/012008
M. Chiarelli, D. F. Vetsch, R. M. Boes und C. Münch-Alligné, Untersuchung der Eigenmoden eines Pelton-Laufrad-Prototyps, 2025, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1483 012015, doi:10.1088/1755-1315/1483/1/012015
M. Chiarelli, R. M. Boes, D. F. Vetsch, G. Blommaert, M. Boden und C. Münch-Alligné, „Identifizierung der Eigenfrequenzen von Pelton-Laufrädern unter transienten Betriebsbedingungen“, Tagungsband der ISMA-2024-Konferenz, Leuven, Belgien
M. Chiarelli, C. Münch-Alligné, D. F. Vetsch und R. M. Boes, „Charakterisierung der dominanten Frequenzen während des transienten Betriebs von Pelton-Turbinen im Wasserkraftwerk FMHL“, Tagungsband von Hydro 2023, Edinburgh, Schottland
M. Chiarelli, V. C. Hasmatuchi, A. Amini, J. Decaix, D. F. Vetsch, R. M. Boes und C. Münch-Alligné, Vor-Ort-Messungen des dynamischen Verhaltens von Pelton-Turbinen im Rahmen der vorausschauenden Instandhaltung, 2022, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1079 012096, doi: 10.1088/1755-1315/1079/1/012096
Populärwissenschaftlicher Artikel
M. Mettile, M. Chiarelli, J. Decaix, S. Rey-Mermet und C. Münch-Alligné, „Welche Herausforderungen stehen Pelton-Turbinen bevor?“, Bulletin Electrosuisse 1/2023
