Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer (Phasen 1 und 2)

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501288
• Projekttitel Englisch: Optimizing of Coanda screen for Swiss bodies of water (phases 1 and 2)

Schlüsselwörter (Englisch)

bed load, hydropower, waterpower, hydro energy

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Coanda-Rechen reinigen Gebirgswasser für Turbinen bei Wasserkraftanlagen. Problematisch sind der Abrieb und der Verschleiss ihrer scharfkantigen Profile, so dass die Rechen häufig ausgewechselt werden müssen, oder eingeschränkte Schluckfähigkeit aufweisen. Vereinzelte wissenschaftliche Studien über Coanda-Rechen sind in der Literatur zu finden. Umfassende hydraulische Untersuchungen unter natürlichen Randbedingungen existieren jedoch nicht.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Codana screen is a self-cleaning method for screening bodies of water for hydraulic turbine. Abrasion and attrition of their sharp edged profile influence their efficiency. Therefore, they have to be often renewed or their water flow capacity drops. Some scientific studies about Codana screens are available. Never the less, there are no existing references about any investigations under natural conditions.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel "Wasserkraft: Auf der Suche nach dem optimalen Rechen" [PDF] 5'200 kB

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

Zugehörige Dokumente

• Article "Énergie hydraulique: à la recherche de la grille optimale " [PDF] 5'159 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Die Fassung von Triebwasser für Wasserkraftanlagen an meist geschiebereichen Gebirgsbächen erfolgt in der Schweiz überwiegend durch Fallrechen (Tirolerwehre). Seit einigen Jahren werden dafür alternativ vermehrt auch Coanda-Rechen eingesetzt. Im Rahmen von Phase 1 dieser Studie wurden verschiedene in Betrieb stehende Anlagen analysiert. Dabei konnten die bekannten Vorteile bestätigt werden, wie zum Beispiel das Fernhalten eines grossen Anteils der Feststoffe und des Geschwemmsels vom Triebwassersystem, Selbstreinigung des Rechens, geringe Betriebskosten, bei Verzicht auf einen Sandfang geringere Anlagekosten sowie Fischfreundlichkeit. Es zeigte sich bei Feldversuchen jedoch auch, dass die weit verbreiteten Annahmen zum Abweisungsgrad von Feststoffen zu hoch sind, wodurch weiterhin oft Massnahmen zum Ausscheiden der Feinanteile notwendig sind. Die aktuell verfügbaren Rechentypen weisen noch technologisches Entwicklungspotential auf – betreffend Erhöhung der spezifischen Schluckfähigkeit, Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung des Abweisungsgrades. Diese Optimierungen sollten Gegenstand von weiterführenden Forschungsarbeiten sein. In der vorliegenden Arbeit haben wir uns deshalb mit der Hydraulik, der Fischgängigkeit und betrieblichen Aspekten der Coanda-Rechen befasst.

In Phase 2 wurden in der Versuchshalle der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) an der ETH Zürich ein Versuchsstand im Massstab 1:1 aufgebaut, um Versuche zu Geschiebeabweisung, Schluckvermögen und hydraulischem Verhalten durchzuführen. Hierbei wurden marktübliche Rechen getestet. In einer dritten Phase wurden Versuche zur Fischverträglichkeit beim Abstieg gemacht, um die proklamierte Fischfreundlichkeit mittels konkreter Messdaten zu validieren.

Die Ergebnisse der Versuchsanlage spiegeln die Ergebnisse aus den Feldversuchen wider. Es zeigte sich, dass die weit verbreiteten Annahmen zum Abweisungsgrad von Feststoffen zu hoch sind, wodurch weiterhin oft Massnahmen zum Ausscheiden der Feinanteile notwendig sind. Ausserdem liegt das erreichbare Schluckvermögen höher als die oftmals publizierten 140 l/(s.lfm).

Die Fischfreundlichkeit der Coanda-Rechen konnte in den Laborversuchen bestätigt werden. Der Abstieg über den Coanda-Rechen stellt für Bachforellen (Referenzfisch für alpine Gewässer in der Schweiz) kein Risiko dar, solange die anderen Anlageteile passend ausgelegt sind. In Summe konnten mit dem Projekt wertvolle Daten für die Dimensionierung und Auslegung künftiger Anlagen gefunden werden. Ausserdem konnte die oftmals diskutierte Fischfreundlichkeit mit konkreten Daten belegt werden. 

Zugehörige Dokumente

• Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer (Phase 1) - Schlussbericht [PDF] 6'344 kB
• Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer (Phase 1) - Schlussbericht-Anhang [PDF] 25'911 kB
• Optimierung von Coanda-Rechen für Wasserfassungen an alpinen Gewässern (Phase 2) - Schlussbericht [PDF] 26'587 kB

Schlussbericht (Englisch)

The water supply for hydropower plants in Switzerland, is predominantly sourced from gravel rich mountain streams using drop screens (Tyrolean weirs). For some years now, Coanda rakes have been increasingly used as an alternative. Within the framework of phase 1 of this study, the use of Coanda rakes were tested on operational power plants. The known advantages of Coanda rakes were confirmed, such as keeping a large proportion of solids and flotsam away from the drive water system, self-cleaning of the screen, low operating costs, lower plant costs if no sand trap is used, and fish-friendliness. However, field tests also showed that assumptions of the extent of particle separation are too high, resulting in a requirement for additional particle separation measures. The currently available Coanda rakes still show potential for technological development – by increasing the specific filter capacity, extending the service life and increasing the degree of particle separation. These developments should be the subject of further research. The work herein deals with the hydraulics, fish passage and operational aspects of the Coanda rakes.

In phase 2, a full-scale test rig was set up in the Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW) at the ETH Zurich in order to carry out tests on bed-load separation, swallowing capacity and hydraulic behaviour. Commercially available rakes were tested. In a third phase, tests were carried out on fish compatibility during descent over the rakes in order to validate the proclaimed fish-friendliness with direct measurement data.

The results of the test facility mirrored the results from the field tests. It was shown that the widespread assumptions on the degree of particle separation are too high, which means that measures to separate out fines are often still required. Furthermore, the achievable absorption capacity is higher than the often published 140 l/s·m.

The fish-friendliness of the Coanda rake was confirmed in the laboratory tests. The descent via the Coanda rake poses no risk to brown trout (reference fish for alpine waters in Switzerland) as long as the other system components (tailwater, etc.) are suitably designed. Overall, the project provided valuable data for the dimensioning and design of future plants. In addition, the often-discussed fish-friendliness could be proven with concrete data.

Schlussbericht (Französisch)

En Suisse, le captage de l'eau pour les centrales hydroélectriques sur les torrents charriant beaucoup de bois et des alluvions, se fait principalement à l'aide de dégrilleurs (déversoirs tyroliens). Depuis quelques années, les râteaux Coanda sont de plus en plus utilisés comme alternative. Dans le cadre de phase 1 de cette étude, différentes usines en fonctionnement ont été analysées. Les avantages connus ont été confirmés. Par exemple, la rétention d'une grande proportion de solides et de flottants à l'écart du système d'eau d'amont, l'autonettoyage de l'écran, les faibles coûts d'exploitation, la réduction des coûts de l'installation si aucun piège à sable n'est utilisé, et la convivialité pour les poissons. Cependant, les essais sur le terrain ont également montré que les hypothèses largement utilisées sur le degré de rejet des solides sont trop élevées, ce qui signifie que des mesures pour la séparation des fines sont encore souvent nécessaires. Les types de tamis actuellement disponibles présentent encore un potentiel de développement technologique - en ce qui concerne l'augmentation de la capacité d'absorption spécifique, l'allongement de la durée de vie et l'augmentation du degré de rejet. Ces optimisations devraient faire l'objet de travaux de recherche ultérieurs. Dans le présent travail, nous nous sommes donc occupés de l'hydraulique, du passage des poissons et des aspects opérationnels des râteaux Coanda.

Dans phase 2, un banc d'essai à l'échelle 1:1 a été mis en place dans la halle expérimentale du Laboratoire d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie (VAW) de l'ETH Zurich afin d'effectuer des tests sur le rejet des charges de fond, la capacité d'engloutissement et le comportement hydraulique. Au cours de ces essais, des trashracks disponibles dans le commerce ont été testés. Dans une troisième phase, des tests ont été effectués sur la compatibilité avec les poissons pendant la descente afin de valider la convivialité proclamée pour les poissons au moyen de données de mesure concrètes.

Les résultats de l'installation d'essai ont reflété les résultats des essais sur le terrain. Il a été démontré que les hypothèses répandues concernant le degré de rejet des solides sont trop élevées, ce qui signifie que des mesures de séparation des fines sont encore souvent nécessaires. En outre, la capacité d'entraînement réalisable est supérieure aux 140 l/s m souvent publiés.

Les tests en laboratoire ont permis de confirmer que le râteau Coanda est adapté aux poissons. La descente par le râteau Coanda ne présente pas de risque pour la truite brune (poisson de référence pour les eaux alpines en Suisse) pour autant que les autres composants du système soient conçus de manière appropriée. Dans l'ensemble, le projet a fourni des données précieuses pour le dimensionnement et la conception des futures usines. En outre, la convivialité pour les poissons, dont on parle souvent, a pu être prouvée par des données concrètes.