Entwicklung serientauglicher Konstruktionen von Baureihen einer Energieerzeugungseinheit zur Rohrapplikation

Abstract

Europaweit bestehen in Rohrleitungssystemen noch ungenützte Potentiale zur Energieerzeugung sowie große Wasserverluste aufgrund mangelnder Detektion von Leckagen. Das Projekt Hidden Hydro Oscillating Power for Europe (H-HOPE) untersucht Möglichkeiten, diese Wasserkraftpotentiale zu nützen und unter anderem mittels wirbelinduzierter Schwingungen Energie zu erzeugen. Dies ermöglicht den autarken Betrieb von Messsensoren sowie die Digitalisierung von Trinkwasser-netzwerken.Eine flächendeckende Nutzung dieser Wasserkraftpotentiale in Rohrleitungsnetz-werken erfordert die Entwicklung einer Energieerzeugungseinheit für variable Rohrleitungsdurchmesser als Serienprodukt in großer Stückzahl. Als Ausgangspunkt dienen am Laborprüfstand getestete Prototypen. Diese eignen sich speziell für das Prüfen unterschiedlicher Konfigurationen und befinden sich in einem Acrylglaskasten im Prüfstand. Auf einer einseitig eingespannten, schwingenden Platte angebrachte Piezopatches erzeugen die Energie, indem sie bei Biegung eine Spannung induzieren. Ein am Plattenende fixierter, vom Wasser angeströmter Zylinder erzeugt die Schwingung durch Wirbelablösung.Die vorliegende Arbeit eruiert, ob eine serientaugliche Konstruktion einer Energieerzeugungseinheit in wirtschaftlicher Kosten-Nutzen-Relation möglich ist. Sie spezifiziert die Produktanforderungen exakt und entwickelt verschiedene Konstruktionsvarianten. Die Auslegung berücksichtigt dabei die ungünstigen Betriebsbedingungen durch das teils chlorhaltige Wasser in Kombination mit einer hohen Schwingungsanzahl von über 109. Die Belastungsanzahl im Bereich der Ultra High Cycle Fatigue (UHCF) grenzt die Auswahl möglicher Werkstoffe zudem stark ein.Weiters führt die Untersuchung Nachweise der statischen Festigkeit sowie der Dauerfestigkeit für die kritischen Stellen der einzelnen Varianten durch. Ein potenzielles Serienprodukt soll eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten erreichen, was die Dauerfestigkeit der Bauteile und Verbindungsstellen zwingend voraussetzt. Der Fokus liegt dabei auf dem Festigkeitsnachweis von Schweißnähten an den Verbindungsstellen des Energy-Harvesters und dessen Einspannung in der Rohrleitung. Die Ausarbeitung schließt zudem den Nachweis weiterer kritischer Kerbstellen bei verschraubten Konstruktionsvarianten ein. Ein Vergleich der jeweiligen Festigkeitsauslastungsgrade stellt die unterschiedlichen Konfigurationen anschlie-ßend gegenüber. Dadurch lässt sich ermitteln, ob die Weiterentwicklung mindestens einer Variante in ein Serienprodukt unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll erscheint. Abschließend zeigt die Arbeit einen ersten Entwurf möglicher Baureihen für unterschiedliche Rohrleitungsdurchmesser auf, um eine flächendeckende Implementierung im Rohrleitungsnetz zu ermöglichen.

Across Europe, pipeline systems offer unexploited potential for energy generation, while also suffering significant water losses due to inadequate leak detection. The Hidden Hydro Oscillating Power for Europe (H-HOPE) project investigates ways to utilize this hydropower potential, specifically by generating energy through vortex-induced vibrations. This enables the autonomous operation of measuring sensors and facilitates the digitalization of drinking water networks.The widespread utilization of this hydropower potential in pipeline networks requires developing an energy generation unit for variable pipe diameters, designed for high-volume serial production. Prototypes previously tested on a laboratory test bench serve as the starting point. These prototypes are specifically designed for testing different configurations and are installed within an acrylic glass box in the test setup. Piezoelectric patches, attached to a cantilevered oscillating plate, generate energy by inducing a voltage upon bending. A cylinder attached to the free end of the plate, exposed to the water flow, induces the oscillation through vortex shedding.The present thesis investigates whether a production-ready design for this energy generation unit is feasible with a favorable cost-benefit ratio. It precisely specifies the product requirements and develops various design concepts. The design process accounts for the harsh operating conditions caused by partially chlorinated water, combined with an extremely high number of load cycles exceeding 109. This load cycle count falls within the Ultra High Cycle Fatigue (UHCF) regime, severely restricting the selection of suitable materials.Furthermore, the study conducts structural analyses, verifying both the static strength and fatigue limit for the critical points of each variant. A potential serial product must achieve a service life of several decades, making the fatigue strength of the components and joints an absolute prerequisite. The focus lies on the strength verification of the weld seams at the joints of the energy harvester and its mounting within the pipeline. The analysis also includes the verification of additional critical notches in bolted design configurations. A comparison of the respective strength utilization ratios subsequently evaluates the different configurations against each other. This allows determining whether further developing at least one variant into a serial product is viable from both a technical and economic perspective. Finally, the thesis presents an initial concept of possible product series for different pipe diameters to enable widespread implementation across the pipeline network.