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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausnutzung der Wasserkraft, mit einer von einem Wasservorrat gespeisten, über ein Gefälle führenden und mit einer Luftansaugstelle versehenen Leitung und einer als Luftmotor oder-turbine ausgebildeten, die Druckdifferenz zwischen Umgebungsluft und Luftansaugstelle ausnutzenden Maschine, die über eine Saugleitung mit der Luftansaugstelle verbunden ist.
Eine bekannte Anordnung dieser Art ist als Ergänzung einer Wasserkraftanlage für hohe Gefälle gedacht. Die Grundidee besteht hier darin, den grösseren Teil der vorhandenen Gefällshöhe über eine Druckleitung zum Betrieb einer Freistrahlturbine auszunutzen und zur Vermeidung zu hoher Drücke an der Freistrahlturbine einen Teil des Gefälles zur Erzeugung einer Saugwirkung in einer Saugleitung zu verwenden. Um dies zu erreichen, wird die Wasser-Druckleitung über eine Strahlpumpe geführt, so dass das Betriebswasser unter Injektorwirkung aus der Unterdruckleitung Luft aufnimmt und der Freistrahlturbine ein Wasser-Luftgemisch zugeführt wird. An die Saugleitung ist eine Luftturbine angeschlossen. Lediglich diese Saugleitung unterliegt einer geringen Druckbelastung, wogegen die das Betriebswasser führende Leitung als Hochdruckleitung auszubilden ist.
In der Praxis ist eine derartige Anordnung unwirtschaftlich. Der Wirkungsgrad der aus Freistrahlturbine und Luftturbine bestehenden Anlage ist schlechter als der Wirkungsgrad einer für die volle Gefällshöhe ausgelegten Freistrahlturbine. Ferner ist die Luftzugabe zum Betriebswasser der Freistrahlturbine unerwünscht.
Es ist an und für sich bekannt, bei Wasserturbinen, nämlich bei Francis- oder Kaplanturbinen, auslassseitig eine Saugleitung vorzusehen, um das Gefälle zwischen Turbinenaufstellungsort und mittlerem Unterwasserspiegel noch ausnutzen zu können.
Alle bekannten Anordnungen zur Ausnutzung der Wasserkraft benötigen auch bei verhältnismässig kleiner Leistung aufwendige Bauten und stabile Druckwasserleitungen. Bei der Errichtung der Anlagen treten wasserrechtliche Probleme auf.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der genannten Art, die vor allem bei geringeren Gefällshöhen in der Grössenordnung bis etwa 10 m mit verhältnismässig geringem Bauaufwand errichtet werden kann und die unter anderem auch mit einfachen Mitteln die Ausnutzung des Gefälles von Abwasserleitungen für die Energieerzeugung ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Luftansaugstelle in der Nähe des Einlassbereiches der über das Gefälle führenden, selbst eine Saugleitung bildenden Leitung vorgesehen und diese einlassseitig wechselweise mit dem Wasservorrat und der zur Maschine führenden Saugleitung verbindbar ist.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass eine Wasserfüllung bzw. ein Wasserpfropfen in einer über ein Gefälle führenden Leitung einlassseitig eine Saugwirkung erzeugt, die der Länge des Wasserpfropfens und dem Gefälle proportional ist, so dass im Idealfall bei Absperrung des Einlasses hier ein Vakuum erzeugt werden kann. Diese Saugwirkung kann zum Antrieb der Maschine benutzt werden, wobei die Antriebskraft durch den relativen Überdruck der Aussenluft erzeugt wird.
Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht darin, dass die Maschine im Trockenen arbeitet, ja sogar über dem Oberwasserspiegel angebracht werden kann, so dass auch das Gefälle von Abwässern und andern aggressiven Flüssigkeiten ausgenutzt werden kann. Bei kleineren Anlagen kann man die über das Gefälle führende Leitung aus Schläuchen oder dünnwandigen Kunststoffrohren herstellen, da der maximal auftretende Druck der normale Druck der Aussenluft ist. Bei solchen Kleinanlagen an Bächen usw. wäre es sogar möglich, die Leitung in oder neben dem Gewässer zu verlegen.
Abhängig vom ausnutzbaren Gefälle und der Länge der in der Leitung entstehenden Wasserpfropfen wird sich ein maximal zulässiger Leitungsquerschnitt ergeben, bei dessen Überschreitung die Gefahr besteht, dass der Wasserpfropfen bei seiner Fortbewegung durch die Leitung diese nicht mehr ausreichend dicht abschliesst, um nur nach oben eine Saugwirkung zu erzeugen bzw. um den Luftzutritt vom vorhergehenden Pfropfen in der Leitung zurück zu verhindern. Wenn die Wasserdarbietung die Verwendung grösserer Gesamtquerschnitte zulässt, wird man zur Vermeidung der letztgenannten Möglichkeit die Leitung in mehrere parallele Stränge aufteilen.
Eine Vergleichmässigung des Gesamtbetriebes kann durch Verbindung der Saugleitung mit einem Speicherbehälter erreicht werden, der dann als Puffer zwischen der saugend wirkenden, über das
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Gefälle führenden Leitung und der Maschine arbeitet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind zwei oder mehrere über das Gefälle führende Leitungen vorgesehen, die über ein Umsteuerorgan einlassseitig wechselweise mit dem Wasservorrat und der Saugleitung verbindbar sind, so dass sich jeweils eine Leitung in dem mit der Maschine verbundenen Saugbetrieb befindet und in der oder den weiteren Leitungen die Wasserpfropfen für den anschliessenden Saugbetrieb aufgebaut werden. In der Praxis wird sich eine erfindungsgemässe Anordnung voraussichtlich bei kleineren Gefällen im Bereich von etwa 10 m bewähren.
Es kann ein angetriebenes, mit der Maschine synchronisiertes Umsteuerorgan vorgesehen werden. Diese Anordnung empfiehlt sich besonders bei unmittelbarem Anschluss der Saugleitung an die jeweilige Maschine. Durch den zwangsweisen Antrieb kann man die Grösse der in den Leitungen erzeugten Wasserpfropfen und Beginn und Ende der Saugperiode jeder Einzelleitung genau einstellen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Saugleitung mehrere, mit je einer über das Gefälle führenden Leitung in der Nähe des Einlasses verbundene Äste aufweist und das Umsteuerorgan aus einem unterdruckabhängigen, den Einlass der jeweils am stärksten saugenden, über das Gefälle führenden Leitung abschliessenden Absperrorgan besteht. Wenn die Äste der Saugleitung zu einer gemeinsamen Sammelleitung führen, kann man über das Absperrorgan bzw. ein mit diesem gekoppeltes weiteres Absperrorgan die momentan nicht saugenden Äste der Saugleitung abschliessen.
Verwendet man als Luftmotor einen Kolbenmotor, so kann je ein Zylinder dieses Motors mit einem Ast der Saugleitung verbunden werden. Als Absperrorgan können Klappen, Flatterventile und ähnliche bekannte Ventile verwendet werden. Eine einfache und dabei betriebssichere Anordnung ergibt sich nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch, dass die Einlässe der über das Gefälle führenden Leitung als Kugelventilsitze ausgebildet sind und zwischen ihnen eine Führungsbahn für eine sowohl Absperrorgan als auch Unterdruckfühler bildende Kugel vorgesehen ist, die jeweils den Einlass der am stärksten saugenden Leitung abschliessen wird.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 teilweise im Schnitt das Schema einer erfindungsgemässen Anordnung, Fig. 2 einen Horizontal-
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Umsteuerorgans verbunden. Von diesem Gehäuse --3-- führen eine Anzahl, beim Ausführungsbeispiel drei Leitungen --4, 4a, 4b-- über ein Gefälle und münden dann in einem Auslass, der frei liegen kann, gegebenenfalls auch in ein Gewässer taucht. In das Gehäuse --3-- ist das untere Ende-5einer Saugleitung hereingeführt, welches Ende --5-- von einem Motor --6-- über eine Welle --7--
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--6-- drehendbefindlichen Einlässen der Leitungen --4, 4a, 4b-- in Verbindung.
Wie in Fig. 2 strichliert angedeutet wurde, kann am Rüsselende eine Verbreiterung --10-- vorgesehen sein, damit die Zeit der Verbindung der Saugleitung --5-- mit einer der Leitungen --4, 4a, 4b-- beim Umlauf verlängert wird.
Beim Ausführungsbeispiel werden eben die Leitungen --4a, 4b-- zur Bildung von Wasserpfropfen gefüllt, wogegen die Leitung --4-- mittels eines in ihr befindlichen, unter der Wirkung des Gefälles nach unten strebenden Wasserpfropfens Luft aus der Saugleitung --5-- ansaugt.
Die Saugleitung --5-- steht über eine weitere Leitung --11-- mit dem als Luftmotor ausgebildeten, die Druckdifferenz zwischen der Saugleitung --11-- und der Umgebungsluft ausnutzenden Motor in Verbindung. Wenn es sich bei dem Motor --6-- um einen Kolbenmotor handelt, sieht man an jedem Zylinder wenigstens zwei Ventile vor, von denen das eine die Verbindung mit der Umgebungsluft und das andere die Verbindung mit der Saugleitung --11-- herstellt. Die Ventile werden wechselweise, ähnlich wie die Auspuff- und Einlassventile eines Brennkraftmotors, geöffnet und geschlossen, so dass der Kolben beim Öffnen des die Verbindung zur Saugleitung herstellenden Ventils in den Zylinder gesaugt und nach Schliessen dieses Ventils und Öffnen des zweiten Ventils wieder aus dem Zylinder herausgeschoben wird.
Es sind auch Kolbenmaschinen mit doppelt wirkenden Kolben, bei denen die Endanschlüsse der Zylinder abwechselnd mit der Saugseite bzw. der Aussenluft verbunden werden, verwendbar und man kann als Motor auch eine Luftturbine verwenden.
Beim Ausführungsbeispiel treibt der Motor --6-- einen Generator --12-- an.
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Gemäss Fig. 3 ist an Stelle des zwangsgesteuerten Umsteuerorgans --3, 5, 8, 9-- gemäss den Fig. 1 und 2 ein selbsttätig unterdruckabhängig gesteuertes Umsteuerorgan vorgesehen.
Für dieses Umsteuerorgan ist ein Gehäuse --13-- vorhanden, das in der Mitte einen Ein- laps-14-- four eine zum Wasservorrat führende Leitung --15-- und an gegenüberliegenden Enden kegelförmige Ventilsitze --16-- aufweist, welche die Einlässe von über das Gefälle führenden Leitungen --17, 17a-- bilden. Von diesen über das Gefälle führenden Leitungen --17, 17a-- zweigen Saug- leitungsäste-18, 18a-- ab, die beispielsweise zu je einem Zylinder eines Zweikolbenmotors führen.
Als Absperrorgan ist eine in der Führungsbahn laufende Kugel --19-- vorgesehen. Die Kugel --19-wird von der jeweils stärker saugenden Leitung --17 bzw. 17a-angezogen und schliesst deren Einlass ab, so dass beim Ausführungsbeispiel die Leitung --17a-- auf die Leitung --16a-- saugt und die Leitung --17-- momentan von der Leitung --15-- her nachgefüllt wird.
Bei erhöhter Anordnung der Maschine kann gegebenenfalls auf ein Umsteuerorgan verzichtet und die Saugleitung unmittelbar an die über einen Einlass beschickte, über das Gefälle führende Leitung angeschlossen werden. Die Saugwirkung wird hier neben der Höhe des Gefälles durch die Querschnittsverhältnisse und Querschnittsformen von Einlass, über das Gefälle führender Leitung und Saugleitung bestimmt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Ausnutzung der Wasserkraft, mit einer von einem Wasservorrat gespeisten, über ein Gefälle führenden und mit einer Luftansaugstelle versehenen Leitung und einer als Luftmotor oder-turbine ausgebildeten, die Druckdifferenz zwischen Umgebungsluft und Luftansaugstelle ausnutzenden Maschine, die über eine Saugleitung mit der Luftansaugstelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftansaugstelle in der Nähe des Einlassbereiches der über das Gefälle führenden, selbst eine Saugleitung bildenden Leitung (4, 4a, 4b,. 17,17a) vorgesehen und diese einlassseitig wechselweise mit dem Wasservorrat (1) und der zur Maschine führenden Saugleitung (5,11, 18, 18a) verbindbar ist.
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