SRW Veröffentlichungen

Die Form des Wassers:
Die praktische Ausführung von Saugrohrschalungen
 

O. Mitterfelner, Forstinning

 

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Nachdruck aus:

Wasserkraft & Energie 

Nr. 3/2006

Verlag Moritz Schäfer 
Paulinenstraße 43 
32756 Detmold

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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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