Entwicklungsabteilung von oberösterreichischen Wasserkraftallroundern am Puls der Zeit

Die GUGLER Water Turbines GmbH, deren hydroelektrisches Equipment rund um den Globus im Einsatz ist, genießt im internationalen Wasserkraft­sektor einen hervorragenden Ruf. Zu verdanken ist dieses Renommee in erster Linie den leistungsstarken Maschinen der Oberösterreicher, die neben ihrer Fertigungsqualität auch mit höchsten Wirkungsgraden und innovativem technischem Design punkten. Damit das in Feldkirchen an der Donau ansässige Unternehmen auch zukünftig in der obersten Liga mitspielen kann, kooperiert die Entwicklungsabteilung von GUGLER mit verschiedenen Universitäten und Forschungspartnern. Zu den aktuellsten Forschungstätigkeiten der Branchenexperten zählt die Wirkungsgradoptimierung von Pelton-Turbinen, die im Jahr 2020 an der Technischen Universität Wien begonnen wurde.

Damit Unternehmen im international hart umstrittenen Wasserkraftsektor erfolgreich bestehen können, ist die Gewährleistung von möglichst hohen Turbinenwirkungsgraden ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Diesem Credo sieht sich auch die oberösterreichische GUGLER Water Turbines GmbH verpflichtet, deren Maschinen rund um den Globus sauberen Strom produzieren. Im Gespräch mit zek HYDRO betont GUGLER-Entwicklungsleiter Michael Schober die hohe Bedeutung von Entwicklungstätigkeiten bei den oberösterreichischen Wasserkraftallroundern: „Um die Absicherung von hohen Wirkungsgraden garantieren zu können, sind technische Laborversuche unabdinglich. Die dabei gewonnenen bzw. validierten Daten dienen als Grundlage, um hocheffiziente Turbinen zu fertigen, die auf einem soliden technologischen Fundament stehen und dem Mitbewerb auf höchstem Niveau begegnen.“

TU Wien zieht positive Bilanz
Aktuell fokussieren sich die GUGLER Entwickler auf die Wirkungsgradoptimierung von Pelton-Turbinen. Dazu kooperieren die Mühlviertler seit dem Jahr 2020 mit dem Institut für Energietechnik und Thermodynamik an der Technischen Universität Wien. Das Wiener Labor für hydraulische Strömungsmaschinen bietet auf einer Fläche von rund 400 m² optimale Bedingungen sowohl für dauerhaft installierte Prüfstände für Forschung und Lehre als auch für temporäre Versuche im Rahmen von Forschungsprojekten, Kooperationen und Abschlussarbeiten. Das von GUGLER initiierte Forschungsprojekt befasste sich im Wesentlichen mit der Verbesserung von Laufrad- und Gehäusegeometrien bei 1- bis 3-düsigen horizontalen Pelton-Turbinen, sagt GUGLER-Entwicklungsingenieur Stefan Meisinger: „Der grundsätzliche Ausgangspunkt des Projekts war die Frage, wie sich verschiedene Schnellläufigkeiten auf das Erreichen von Spitzenwirkungsgraden auswirken. Während der Versuche wurden vier verschiedene Laufräder sowie unterschiedliche Einbauten in den Gehäusen ausgiebigen Messungen und Testreihen unterzogen.“ Michael Schober ergänzt, dass in der Branche ein starker wirtschaftlicher Druck vorhanden ist, der darauf abzielt, Turbinen so schnelldrehend wie möglich auszulegen: „Schnellläufige Turbinen können vergleichsweise kompakt konstruiert werden, was in weiterer Folge geringere Fertigungskosten mit sich bringt. Allerdings ist bei Schnellläufern irgendwann der Punkt erreicht, an dem der Wirkungsgrad stark einbricht. Bei den universitären Versuchsreihen konnten wir wertvolle Erkenntnisse gewinnen, die es uns ermöglichen, äußerst leistungsfähige Turbinen zu konkurrenzfähigen Preisen zu konstruieren.“ Dies bestätigt auch die Kooperationspartnerin TU Wien auf ihrer Homepage: „Im Labor des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik konnte die Gehäuseströmung am transparenten Gehäuse untersucht und durch gezielte Modifikationen verbessert werden. Zudem konnte die Gehäusegröße ohne Funktionseinbußen reduziert werden, was sowohl die Kosten der Maschinen als auch der sie umgebenden Bauwerke reduziert. Gemeinsam mit der ausgezeichneten Expertise der Firma GUGLER Water Turbines GmbH, der Versuchsinfrastruktur am Institut und den engagierten Institutsmitarbeiter:innen konnte das Projekt erfolgreich durchgeführt werden.“

Entwicklung macht sich bezahlt
Michael Schober lässt nicht unerwähnt, dass die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt an der TU Wien bereits in der Praxis umgesetzt wurden. Als Beispiel nennt der Entwicklungsleiter die 3-düsige horizontale Pelton-Turbine des Kleinwasserkraftwerks Kaponigbach, das von den Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) beim Neubau des Kärntner Bahnstromkraftwerks Obervellach II realisiert wurde. Über dieses Projekt hat auch zek HYDRO in der internationalen Ausgabe 2024 ausgiebig berichtet. Neben der Optimierung von Pelton-Turbinen beschäftigt sich GUGLER auch mit der Weiterentwicklung anderer Turbinentypen, so Michael Schober: „In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Modellversuche mit Kaplan- und Francis-Maschinen durchgeführt, unter anderem an der technisch-naturwissenschaftlichen Universität im Schweizer Lausanne (EPFL). Die Daten und Ergebnisse dieser Versuchsreihen haben uns einen enormen Wissenszuwachs verschafft. Wie beim aktuellen Projekt an der TU Wien wurde auch an der EPFL mit transparenten Gehäusemodellen gearbeitet. Dabei sind unter anderem einige sehr interessante Aufnahmen von Wirbelzöpfen im Saugrohr entstanden.“ Michael Schober betont, dass sich die Entwicklungstätigkeiten von GUGLER nicht nur auf Laborversuche beschränken. So werden auch stichprobenartig Wirkungsgradmessungen an Turbinen angestellt, die bereits im Einsatz sind: „Bei Kaplan-Turbinen werden beispielsweise Indexmessungen durchgeführt, um die Form der Wirkungsgradverläufe zu verifizieren. Außerdem erfolgen bei diesen Turbinen nach der Inbetriebnahme Feineinstellungen, um ein optimales Zusammenspiel zwischen Lauf- und Leiträdern festzulegen. Gewisse Dinge können aufgrund von Berechnungen zwar vorherbestimmt werden, im Feld reagiert jede Maschine aber dann doch wieder etwas anders – sei es durch Nuancen in der Anströmung oder unvorhergesehene Situationen im Unterwasserbereich.“

Software unterstützt Entwickler
Eine wichtige Rolle in der GUGLER-Entwicklungsabteilung spielen Michael Schober zufolge computergestützte Berechnungsmethoden So nutzen die Oberösterreicher die modernsten Versionen der Finite-Elemente-Software Ansys. Die weltweit im Maschinenbau bzw. im Technikbereich eingesetzte Software ermöglicht unter anderem die Berechnung von Wirkungsgradläufen oder die Prognose von Kavitationsphänomenen. Außerdem kommt bei GUGLER zur Lösung hydrodynamischer Gleichungen die numerische Methode „Smoothed Particle Hydrodynamics“ (SHP) zum Einsatz. Dabei werden spezielle Codes mit den Ergebnissen vom Prüfstand abgeglichen, um beispielsweise Strömungen in einem Pelton-Gehäuse numerisch zu verifizieren. „Besonders stolz sind wir auf unsere Druckstoßberechnungen, die unter der Federführung unserer Berechnungsingenieurin Dr. Martha Hayden – einer studierten Mathematikerin – durchgeführt werden. Jede von uns projektierte Anlage wird im Hinblick auf die Druckstoßthematik durchgerechnet. Wir nutzen dies etwa, um die idealen Stellzeiten von Leitapparaten, Absperrklappen oder Düsen zu konfigurieren.“

Predictive Maintenance System
Apropos Software: Als Anbieter von Turnkey-Anlagen umfasst das GUGLER-Portfolio nicht nur die Lieferung von kompletten Maschi­nensätzen, sondern auch die Ausführung von Kraftwerks-Leittechnik: „Für die Anlagen­automatisierungen setzen wir auf die langjährige Kompetenz der niederösterreichischen H&W Control GmbH, die im Mehrheitsbesitz von GUGLER steht. Seit einiger Zeit arbeiten wir mit H&W Control an der Entwicklung eines Condition Monitoring bzw. Predictive Maintenance Systems (PMS). Mit dieser Software erhalten Betreiber ein sehr nützliches Werkzeug an die Hand, das Schäden oder Verschleißerscheinungen an Maschinen durch digitale Überwachung frühzeitig erkennen kann, bevor es zu einem unerwarteten Stillstand kommt“, so Michael Schober, der als Anwendungsbeispiel für das PMS den Verschleiß von Turbinenlagern anführt: „Um den Zustand eines Wälzlagers zu überprüfen, muss eine Maschine üblicherweise aufwändig auseinandergenommen werden. Dank der Nutzung des PMS, das moderne Analysemethoden und die Anwendung künstlicher Intelligenz kombiniert, wird der Betreiber bei absehbaren Schäden früh genug informiert, um entsprechende Schritte zu setzen und längere Produktionsausfälle zu vermeiden. Bei PMS handelt es sich um ein sehr spannendes Themenfeld, für das wir einiges an Geld und Energie aufwenden, um bei laufenden Entwicklungen dabei zu sein bzw. vor­anzugehen.“

Entwicklungen schreiten voran
Der Entwicklungsleiter hält abschließend fest, dass die oberösterreichischen Wasserkraftexperten dank der in den vergangenen Jahren geleisteten Entwicklungsarbeit und den gefestigten Unternehmensstrukturen auf einem technisch äußerst soliden Fundament stehen: „Wir beschäftigen kompetente Projektmanager, sehr fähige Konstrukteure und sind in der Lage, auch anspruchsvollste Projekte zur vollen Kundenzufriedenheit abzuschließen. Das beginnt bei der Projektleitung- und -abwicklung und erstreckt sich über die Berechnungs- und Fertigungskompetenzen bis hin zur Montage und Inbetriebnahme vor Ort.“ Für die kommenden Jahre hat GUGLER bereits konkrete Pläne geschmiedet, bekräftigt Michael Schober: „Wir möchten zukünftig auch Pumpspeicherkraftwerke ausrüsten, dafür haben wir in der jüngeren Vergangenheit viel Zeit investiert und unter anderem auch ein Forschungsprojekt an der Technischen Universität Graz ins Leben gerufen.“ Man darf also guten Gewissens davon ausgehen, dass die GUGLER-Entwicklungsabteilung auch in den kommenden Jahren nicht von Langeweile betroffen sein wird.

Erschienen in zek HYDRO, Ausgabe 5/2024