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Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Leitung einer Flüssigkeit
von einem Reservoir zu mehreren, strömungstechnisch hintereinander
geschalteten Turbinen, vorzugsweise an Hand des Prinzips verbundener
Gefäße, wobei
jede Turbine. im unteren Bereich eines Fallrohres (Turbinenfallrohr)
angeordnet ist, wobei jedes Turbinenfallrohr mit einem unteren Ableitungsbogen
verbunden ist, an den sich ein weiterer, vorzugsweise gerade gestreckter
Rohrabschnitt anschließt.
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Die
Verwendung mehrerer Turbinen hat verschiedene Vorteile: Beim Ausfall
einer Turbine können
die anderen nach wie vor Energie umsetzen, so dass bspw. eine Stromerzeugung
nicht unterbrochen werden muß.
Andererseits können
mehrere Turbinen auch räumlich
voneinander getrennt und daher den Verhältnissen vor Ort besser angepaßt werden.
Werden Turbinen strömungstechnisch
in Reihe geschalten, kann für
jede Turbine ein eigenes Fallrohr vorgesehen sein, um die mechanische
Energie in Form des erforderlichen Wasserdrucks bereitzustellen.
Allerdings ist die Länge
dieser Fallrohre üblicherweise mehr
von den örtlichen
Gegebenheiten abhängig
als von anderen Faktoren. Sie sind daher üblicherweise unterschiedlich
lang, mit der Folge, dass die verschiedenen Turbinen unterschiedlich
stark angetrieben werden; sie müssen
daher auf unterschiedliche Nennleistungen ausgelegt werden. Daher
muß jeder Turbinensatz
einschließlich
Generator und Regelung einzeln dimensioniert werden, was einen nicht
unerheblichen Zusatzaufwand bedingt und außerdem ökonomisch keinerlei Vorteile
bringt.
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Andererseits
erhöht
die Serienschaltung mehrerer Turbinen die Ausfallgefahr, da bereits
bei Stillstand einer einzigen Turbine der Wasserstrom insgesamt
zum Erliegen kommt und dadurch auch die restlichen Turbinen keine
Leistung mehr abgeben können.
Es stellt sich daher das Problem, wie die Ausfallgefahr eines gattungsgemäßen Wasserkraftwerks
weiter reduziert werden kann.
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Die
Lösung
dieses Problems gelingt durch eine verschließbare Strömungsverbindung zwischen einem
Turbinenfallrohr und dem stromabwärts auf den daran angeschlossenen
Ableitungsbogen folgenden Rohrabschnitt als Bypass zu der an das
betreffende Turbinenfallrohr angeschlossenen Turbine.
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Bei
verschlossener Bypass-Verbindung kann an der betreffenden Turbine
die maximale Leistung erzeugt werden. Wird die Bypass-Verbindung
teilweise geöffnet,
so reduziert sich die von der betreffenden Turbine erzeugbare Leistung.
Bei vollständig
geöffneter
Bypass-Verbindung kann die betreffende Turbine vollständig abgeschaltet
werden, da die gesamte Strömung
nun über
die Bypass-Verbindung fließen kann.
Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Bypass-Verbindung
sich in der Größenordnung
des Querschnitts des betreffenden Hauptströmungsabschnitts befindet, also
beispielsweise mehr als 50% desselben, vorzugsweise mehr als 60%
desselben, insbesondere mehr als 80% desselben, weil solchenfalls
die übrigen
Turbinen der Anlage in ihrem Leistungsumsatz nicht beeinträchtigt werden.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, dass der auf einen Ableitungsbogen folgende Rohrabschnitt als
Steigrohr ausgebildet ist mit einer Ausströmöffnung, die sich auf einem
höheren
Niveau befindet als die Einströmöffnung des
betreffenden Steigrohrs, wobei eine verschließbare Strömungsverbindung zwischen einem
Turbinenfallrohr und dem stromabwärts direkt folgenden Steigrohr
als Bypass zu der an das betreffende Turbinenfallrohr angeschlossenen Turbine.
An dieser stelle kann eine Bypass-Verbindung mit einer minimalen
Länge hergestellt
werden.
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Sofern
ein Steigrohr vertikal ausgerichtet ist, befindet sich seine Ausströmöffnung vertikal
oberhalb seiner Einströmöffnung.
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Eine
Bypass-Strömungsverbindung
sollte sich zwischen dem Turbinenfallrohr einerseits und dem oberen
Bereich des Steigrohrs andererseits erstrecken, so dass der Strömungspfad
bei geöffneter Bypass-Verbindung
insgesamt minimal ist und ein maximaler Energieanteil in den übrigen Turbinen
umgesetzt werden kann.
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Aus
dem selben Grund kann eine Bypass-Verbindung einem horizontalen
Verlauf folgen.
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Um
bei geöffneter
Bypass-Verbindung eine Turbine reparieren zu können, muß dieselbe von Druck frei sein;
dies läßt sich
erreichen durch wenigstens ein Absperrventil, das sich in dem von
einer Bypass-Strömungsverbindug überbrückbaren
Hauptströmungskanalabschnitt,
bestehend aus Turbinenfallrohr, Ableitungsbogen und daran anschließendem Rohrabschnitt,
insbesondere Steigrohr, befindet, vorzugsweise deren zwei.
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Wenn
sich – wie
die Erfindung weiterhin vorsieht – je ein Absperrventil in dem
von einer Bypass-Strömungsverbindug überbrückbaren
Hauptströmungskanalabschnitt
stromaufwärts
der betreffenden Turbine befindet, ein anderes Absperrventil desselben
Hauptströmungskanalabschnitts
dagegen stromabwärts
derselben, so kann bei geschlossenen Absperrventilen die Wasserleitung
in der Umgebung der betreffenden Turbine vollständig entwässert werden, so dass die Turbine
repariert oder gar ausgebaut werden kann. Das Entwässern kann
bspw. über ein
Entwässerungsventil
an einem Ableitungsbogen erfolgen; bevorzugt verfügt daher
jeder Ableitungsbogen über
ein Entwässerungsventil.
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Bevorzugt
ist ein Turbinenfallrohr mit einem oberen Zuleitungsbogen verbunden.
Ein solcher Zuleitungsbogen kann den an einen unteren Ableitungsbogen
folgenden Rohrabschnitt mit dem Zuleitungsbogen des in Strömungsrichtung
nächsten
Turbinenfallrohrs verbinden.
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Ein
Entlüftungsventil
im Bereich eines Zuleitungsbogens erlaubt das jederzeitige Entlüften der Anlage.
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Indern
die Länge
mehrerer Turbinenfallrohre gleich groß ist, wird im Normalbetrieb
für alle
Turbinen etwa die gleiche Energiemenge zur Verfügung gestellt, und diese können allesamt
für die
selbe Nennleistung ausgelegt werden. Damit können für alle Turbinensätze einschließlich Generatoren
und Regelung völlig
identische Komponenten verwendet werden, was den Konstruktionsaufwand
reduziert.
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Außerdem sind
oftmals mit der mehrfachen Anschaffung identischer Komponenten wirtschaftliche
Vorteile verknüpft,
bspw. in Form von Rabatten, Reduzierung der Transport- und Installationskosten, etc.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, dass ein Turbinenfallrohr mit einem oberen Zuleitungsbogen verbunden
ist sowie mit einem unteren Ableitungsbogen. Damit wird das gesamte,
zur Verfügung
stehende Gefälle
zwischen diesen beiden Bögen
als weitestgehend gerade gestrecktes Fallrohr verwendet.
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Indem
zwischen dem Ableitungsbogen eines Turbinenfallrohrs und dem Zuleitungsbogen
des in Strömungsrichtung
nächsten
Turbinenfallrohrs ein gerade gestreckter Rohrabschnitt (Verbindungsrohr) vorgesehen
ist, der diese beiden Bögen
miteinander verbindet, ergeben sich miteinander verbundene Gefäße, in denen
sich ein gemeinsamer Wasserstand einstellt, da eine Überströmungsmöglichkeit
besteht.
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Dabei
darf ein Verbindungsrohr durchaus als Steigrohr ausgebildet sein,
dessen Ausströmöffnung sich
auf einem höheren
Niveau befindet als seine Einströmöffnung.
Denn der von dem Ausfluß eines strömungstechnisch
vorgeschalteten Fallrohres gelieferte Wasserdruck ist in der Lage,
das Wasser in einem solchen Steigrohr nach oben zu treiben, ohne dass
es dafür
einer Hilfsenergie bedürfte.
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Wenn – wie die
Erfindung weiterhin vorsieht – der
Abstand mehrerer Turbinen vom oberen Ende des betreffenden Turbinenfallrohrs
jeweils gleich groß ist,
so lassen sich die Turbinen für
gleiche Nennleistungen auslegen.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Turbinenfallrohr der ersten,
d. h. stromaufwärtigsten Turbine,
länger
ist als die Länge
des nächstfolgenden Turbinenfallrohrs
zuzüglich
des Außenradius
des dazwischen angeordneten Zuleitungsbogens. Dadurch wird an dem
ersten, unteren Strömungsbogen
stets der zulaufseitige, statische Wasserdruck den ablaufseitigen,
statischen Wasserdruck überwiegen,
so dass für
eine konstante Strömungsrichtung
vom Zulauf des ersten Turbinenfallrohrs bis zum Ablauf des letzten
Turbinenfallrohrs gesorgt ist.
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Konstruktionstechnische
Vorteile lassen sich erzielen, wenn die Rohre, insbesondere die
Turbinenfallrohre, in einer gemeinsamen, vertikalen Fläche, vorzugsweise
Ebene, angeordnet sind. Dann können
die Drehachsen der daran angekoppelten Turbinen allesamt etwa lotrecht
zu dieser Ebene ausgerichtet sein, so dass diese auch auf engem
Raum vorzugsweise parallel zueinander angeordnet werden können.
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Die
Erfindung empfiehlt, den Turbinenfallrohren einen in dem (gesamten)
Bereich oberhalb der betreffenden Turbine von oben nach unten abnehmenden
Querschnitt zu erteilen. Demzufolge nimmt die Strömungsgeschwindigkeit
von oben nach unten zu, und am Ort der Turbinen ergibt sich eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit,
welche in der Lage ist, die Turbinen mit einer großen Drehzahl
anzutreiben.
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Die
Rohre können
einen runden, elliptischen oder etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Ein
etwa rechteckiger Querschnitt läßt sich dadurch
realisieren, dass die Rohre durch zwei gemeinsame Platten begrenzt
werden, welche einen Abstand aufweisen.
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Bei
dieser Anordnung kann der Querschnitt bspw. dadurch verändert werden,
dass die Platten nach oben voneinander divergieren, so dass also
ihr Abstand am oberseitigen Zulauf größer ist als am unteren Ablauf.
Um den Rohrverlauf zwischen den beiden Platten vorzugeben, sind
diese ferner durch zwei mäanderförmig gebogene
Flächen
begrenzt, welche bspw. stumpf zwischen die beiden Platten eingefügt und fluiddicht
mit denselben verbunden, bspw. verklebt oder verschweißt, sind.
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Bei
Rohren mit kreisrundem Querschnitt kann ein variierender Querschnitt
der Fallrohre bspw. dadurch erreicht werden, dass diese einem konischen
Verlauf folgen und sich von oben nach unten verjüngen. Die Steigrohre sollten
dann eine vergleichbare Geometrie aufweisen, d. h., sich von unten
nach oben konisch erweitern. Die oberen Rohrbögen haben dann einen größeren Querschnitt
als die unteren.
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Bei
der Erfindung sollte sich das Wasserreservoir, woraus die Turbinen
gespeist werden, auf einem höheren
Niveau befinden als dieselben, so dass ein natürlicher Höhenunterschied die Wasserströmung antreiben
kann, sofern dieselbe einmal in Gang gesetzt ist.
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Dieser
Effekt ist um so deutlicher ausgeprägt, je höher sich das Wasserreservoir
befindet. Deshalb sollte das Wasserreservoir auf einem höheren Niveau
liegen als die Mitte aller Turbinenfallrohre.
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Sofern
der Zulauf des ersten Turbinenfallrohrs höher liegt als das Wasserreservoir,
dient eine Pumpe zum Anheben der Flüssigkeit von dem Reservoir
bis oberhalb des oberseitigen Zulaufs des ersten Turbinenfallrohrs.
Indern diese Pumpe als Tauchpumpe ausgebildet ist, kann ein plötzlicher
Trockenlauf wie beim Abreißen
einer angesaugten Wassersäule
sicher vermieden werden.
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Es
kann eine Rücklaufleitung
vorhanden sein, insbesondere vom Ausfluß des letzten Turbinenfallrohrs,
oder von einem dort angeordneten Sammelbehälter, so dass die Anlage bspw.
auch zur Energiespeicherung verwendet werden kann. Solchenfalls
sollte sich die Speisepumpe komplett unterhalb einer ggf. vorhandenen
Rücklaufleitung
befinden, so dass die Anlage bereits mit einer geringen, zurückfließenden Wassermenge
wieder betreibbar ist.
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Die
Speisepumpe durch einen Bypass überbrückbar sein,
bspw. durch Öffnen
eines Ventils, Schiebers oder einer Klappe, um die Anlage – sofern die
Wasserströmung
in Gang gekommen ist und sodann selbsttätig in Bewegung bleibt – nicht
zu behindern.
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Schließlich entspricht
es der Lehre der Erfindung, dass zwischen zwei benachbarten Turbinenfallrohren
eine Absperrmöglichkeit
vorgesehen ist, bspw. in Form eines Ventils, Schiebers oder einer Klappe.
Damit kann eine Entlüftung
durch oberseitige Luftauslaßventile
an den oberen Bögen
vorgenommen werden, ohne dass dabei die Wassersäule zu den stromabwärtigen Wassermassen
abreißt
und dadurch evtl. die kontinuierliche Strömung unterbrochen werden könnte.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sowie anhand der Beschreibung. Deren einzige Figur
zeigt einen schematischen Verrohrungsplan für eine erfindungsgemäße Anlage.
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Aus
einem Wasserreservoir 1 wird ein Rohrsystem 2 gespeist.
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Dazu
fördert
eine Tauchpumpe 3 innerhalb des Wasserreservoirs 1 – vorzugsweise
in Nähe
von dessen Boden 4 installiert – in ein Steigrohr 5.
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Am
oberen Ende des Steigrohrs 5 schließt sich ein Bogen 6 an,
welcher einer Biegung um einen Zentrumswinkel α von vorzugsweise 90° oder mehr folgt,
so dass das stromabwärts
sich anschließende Rohr 7 nach
abwärts
geneigt verläuft.
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Wenn
der Bogen 6 um etwa 180° gebogen ist,
erstreckt sich das an den zweiten Bogen anschließende Rohr 7 vertikal
nach unten. Dieses verzweigt sich schließlich in einen Seitenzweig 8a und
das eigentliche Turbinenfallrohr 9a.
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Darin
fällt das
geförderte
Wasser vertikal nach unten bis zu einer Turbine 10a im
Bereich des unteren Endes des Turbinenfallrohrs 9a. Dieses
hat eine Länge
lf,1.
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Am
seinem unteren Ende mündet
das Turbinenfallrohr 9a in einen 180°-Bogen 11a. Dessen stromabwärtiges Ende
ist verbunden mit einem ersten, vertikal nach oben ragenden Steigrohr 12a mit der
Länge ls,1. Darauf folgt an seinem oberen Ende ein
oberer 180°-Bogen 13a.
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An
diese erste Stromerzeugungseinheit 14a schließen sich
mehrere im Wesentlichen gleiche Stromerzeugungseinheiten 14μ an, μ = a, b,
c, ..., wobei jede Stromerzeugungseinheit 14μ jeweils ein Turbinenfallrohr 9μ der
Länge lf,μ samt
Turbine 10μ,
unterem 180°-Bogen 11μ, ein
Steigrohr 12μ der
Länge ls,μ sowie
einen oberem Bogen 13μ umfaßt. Dabei
gilt stets: lf,μ+1 =
ls,μ einerseits
und für μ = b, c,
d, ...: ls,μ = lf ,μ andererseits.
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Dadurch
liegen einerseits sämtliche
obere 180°-Bögen 13μ auf
dem selben Niveau, und sämtliche
untere 180°-Bögen 11μ liegen
ebenfalls auf einem gemeinsamen Niveau. Aus diesem Grund läßt sich
die Anzahl der Stromerzeugungseinheiten 14μ beliebig steigern.
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Jeder
oberhalb eines Turbinenfallrohrs 9μ abzweigende Seitenzweig 8μ mündet in
den oberen Bereich des stromabwärts
direkt folgenden Steigrohrs 12μ. Dadurch entsteht eine
Bypass-Verbindung zu dem betreffenden Hauptströmungsabschnitt, die aus dem
Turbinenfallrohr 9μ,
Ableitungsbogen 11μ und
Steigrohr 12μ besteht.
Die Bypass-Verbindung ist verschließbar durch ein Absperrventil 15μ. Solange
dieses Ventil 15μ verschlossen
ist, muß die
Wasserströmung über die
betreffende Turbine 10μ fließen.
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Unterhalb
einer Bypass-Verbindung 8μ ist
jedes Turbinenfallrohr 9μ durch
ein Absperrventil 16μ verschließbar. Unterhalb
einer Bypass-Verbindung 8μ ist
jedes Steigrohr 12μ durch
ein Absperrventil 17μ verschließbar. Diese
Absperrventile 16μ, 17μ sind
im Normalbetrieb offen. Im Betrieb der Anlage werden sie nur geschlossen,
wenn gleichzeitig die betreffende Bypass-Verbindung 8μ geöffnet ist.
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Sofern
sich in der Wasserströmung
Luftblasen bilden, so werden diese stets nach oben treiben bis zu
dem Bogen 6 und zu den oberen 180°-Bögen 13μ. Dort werden sie sich
ansammeln und können
im Laufe der Zeit durch ihre wachsende Größe ein Abreißen des
Wasserstroms bewirken. Um dies zu vermeiden, sind in den oberen
Bögen 6, 13μ jeweils Luftauslaßventile 18μ angeordnet,
die bei Bedarf geöffnet
werden können,
um die dort angesammelte Luft nach oben entweichen zu lassen. Damit
in diesem Moment nicht Luft in das Rohrleitungssystem eingesogen
werden kann, können
dabei die jeweils stromabwärts
unmittelbar folgenden Verschlußklappen 15μ, 17μ geschlossen
werden. Werden vor dem Öffnen
eines Luftauslaßventils 18μ die
stromabwärtigen
Klappen 15μ, 17μ geschlossen,
und wird bspw. zusätzlich
die Pumpe 3 aktiviert, so steigt der Druck in der Flüssigkeit
an und drückt
die Luftblase durch das Luftauslaßventil 18μ nach
außen.
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Die
Anlage funktioniert wie folgt:
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Zunächst wird
zum Starten der Anlage mit der Tauchpumpe 3 solange Wasser
von dem Wasserreservoir 1 in das Rohrsystem 2 gefördert, bis
die stromabwärts
des Bogens 6 hängende
Wassermasse schwerer ist als die Wassermenge in dem Steigrohr 5.
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Ab
diesem Moment kann die Pumpe 3 durch einen nicht dargestellten
Bypass überbrückt und
sodann abgeschaltet werden, weil nun die Wassermenge in dem Rohrsystem 2 stromabwärts des
Bogens 6 durch ihr Gewicht eine beständige Wasserströmung antreibt.
Das überschüssige Gewicht
der stromabwärtigen
Wassermenge jenseits des Bogens 6 läßt sich dabei durch bauliche
Maßnahmen
derart vorgeben, dass der Stromfluß auch in dem Moment, wenn zusätzlich das
Steigrohr 12a zu überwinden
ist, nicht zum Stillstand kommt. Dies kann zum einen dadurch erreicht
werden, dass das Wasserreservoir möglichst weit nach oben versetzt
wird, so dass das Steigrohr 5 relativ kurz ist; andererseits
auch dadurch, dass das Steigrohr 5 bspw. einen kleineren
Querschnitt aufweist als das Fallrohr 9a. Auch der Querschnitt des
Steigrohrs 12a kann kleiner gewählt werden als der Querschnitt
des Fallrohrs 9a. Anstelle einer Verringerung des Rohrquerschnittes
der Steigrohre 5, 12μ könnten auch
die Fallrohre 9μ zumindest
in ihrem oberen Bereich einem gewendelten Verlauf folgen bspw. nach
Art eines Tauchsieders, so dass – trotz gleicher Höhe hf,μ+1 entsprechend
der Länge
lf,μ+1 die
Wassermenge – das
Gewicht der stromabwärtigen
Wassermenge größer ist
als das Gewicht der stromauwärtigen
Wassermenge.
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Erreicht
der Wasserpegel den Bogen 13a, treibt zusätzlich die
jenseits desselben hängende Wassermenge
die Strömung
an. Dadurch wird das Wasser in dem Rohrsystem 2 beständig weiter
strömen,
von Stromerzeugungseinheit 14μ zu
Stromerzeugungseinheit 14(μ + 1), usw.
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Dabei
muß das
Wasser notgedrungen auch an den Turbinen 10μ vorbeiströmen, welche
den Wasserstrom zwar bremsen, aber nicht unterbrechen. An diesen
Turbinen 10μ kann
sodann die Strömungsenergie
des Wassers in Rotationsenergie eines Turbinensatzes und schließlich von
einem daran gekoppelten Generator in elektrischen Strom umgewandelt
werden.
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Sofern
für eine
natürliche
Auffüllung
des Wasserreservoirs 1 gesorgt ist – bspw. durch Wasserzuläufe, Regen
od. dgl., kann das Wasser jenseits der letzten Turbine 10x wegfließen. Ist
eine natürliche
Regenerierung des Wasservorrats nicht gegeben, so läßt sich
das Wasser von dem stromabwärtigen
Ende des Rohrsystems 2 durch eine Rückleitung 19 zum Wasserreservoir 1 zurückführen und
kann sodann dem Rohrsystem 2 wieder zugeführt werden. Dies
kann bspw. dadurch geschehen, dass das Steigrohr 12x der
letzten Stromerzeugungseinheit 14x kurzer ist als die übrigen Steigrohre 12μ und
der letzte, obere Bogen 13x nicht einer Biegung um 180° folgt, sondern
nur um etwa 100° ähnlich dem
Bogen 6.
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Sofern
ein geschlossener Kreislauf verwendet wird, kann dem Wasser auch
ein Additiv hinzugegeben werden, welches die Oberflächenspannung des
Wassers erhöht,
so dass einem Abreißen
der Wassersäule
entgegengewirkt wird.
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Das
Reservoir 1 kann entweder auf natürlichem Weg gespeist werden,
also bspw. mittels Regenwasser, aus einem Stausee od. dgl. Parallel
dazu kann es auch aus einem Bassin 20 nachgefüllt werden,
bspw. über
ein Steigrohr 21 und daran angeschlossene Pumpen 22.