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Selbsttätiges Klappenwehr Die Erfindung bezieht sich auf ein um eine
horizontale Achse in Abhängigkeit vom Wasserstand selbsttätig schwenkendes Klappenwehr
mit Ausgleich des Drehmomentes aus der Wasserauflast durch ein unterhalb der Schwenkachse
der Klappe wirkendes und mit der Klappe verbundenes Gegengewicht.
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Klappenwehre dieser Art sind bekannt. Das Gegengewicht an diesen bewirkt,
störende Schwingungen zu vermeiden.
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Das erfindungsgemäße Wehr soll demgegenüber derart ausgebildet werden,
daß es folgende Aufgaben löst bzw. folgende Schwierigkeiten beseitigt: 1. Es soll
einen geringen Widerstand gegen den Wasserstrom in der umgeklappten Stellung haben,
um den Durchfluß von großen Wassermengen zu erleichtern.
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2. Feste, im Wasser treibende Körper sollen bei allen Klappenstellungen
durch das Wehr kontinuierlich hindurchgelassen werden.
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3. Der Wehrkörper soll eine große mechanische Festigkeit haben.
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4. Das Wehr soll sich beim Umklappen und Aufrichten hinreichend langsam
bewegen, um besser als die bekannten Wehre die einzelnen positiven oder negativen
Druckwellen, die durch die genannten Bewegungen entstehen können, zu dämpfen.
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5. Das Vibrieren des Wehres in umgeklappter Lage soll auf das Äußerste
vermindert werden. 6. Das Wehr soll leicht in seinen Lagern drehbar sein; dabei
sollen die Lager so weit weg wie möglich von den Stellen angeordnet werden können,
wo feste, im Wasser treibende Körper durchgehen, damit die Lager möglichst einwandfrei
arbeiten.
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7. Die Konstruktion soll einfach und dauerhaft sein. Das erfindungsgemäße
Wehr eingangs genannter Art ist zur Lösung dieser Aufgaben dadurch gekennzeichnet,
daß das Gegengewicht in an sich bekannter Weise aus Beton hergestellt, im Querschnitt
etwa birnenförmig ausgebildet und an seinem unteren Ende mit einem auf die Wehrbreite
durchgehenden Metallgewicht verbunden ist, das in der Grundstellung des Wehres gegen
eine unterteilte oder durchlaufende Sohlschwelle anliegt, und daß die aus Metall
bestehende, zum Unterwasser hin leicht gekrümmt ausgebildete Stauwand in Richtung
Oberwasser vom Gegengewicht so weit abgesetzt und mit diesem derart verbunden ist,
daß zwischen dem unteren Rand der Stauwand und der Oberfläche des Gegengewichtes
ein auf die Wehrbreite durchgehender Schlitz gebildet ist. In einer weiteren Ausbildung
der Erfindung ist das Klappenwehr dadurch gekennzeichnet, daß die der Stauwand zugewandte
Oberfläche des Gegengewichtes der Krümmung der Stauwand entsprechend ausgebildet
ist, die Stauwand mit dem Gegengewicht mittels Stegblechen verbunden ist und der
durch die Rückseite der Stauwand und die Oberfläche des Gegengewichtes gebildete
Kanal durch ein mit dem Gegengewicht verbundenes, die Stegbleche aussteifendes,
parallel zur Stauwand verlaufendes Leitblech in Richtung der überfallplatte des
Klappenwehres verlängert ist.
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Vorzugsweise sind im Bereich der überfallkante des Wehres in Abstand
voneinander an sich bekannte, im Grundriß V-förmig ausgebildete Strahlaufreißer
angeordnet.
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Die Überfallkante des Klappenwehres kann dabei unterwasserseitig der
Strahlaufreißer durch in Richtung zum Unterwasser hin gekrümmte, in zwei Ebenen
liegende Leitbleche gebildet sein.
Vorzugsweise ist die Schwenkbewegung
der Klappe nach dem Unterwasser hin durch an den Wehrpfeilern angeordnete Anschläge
begrenzt.
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Die unterteilte oder durchlaufende Sollschwelle ist bevorzugt auf
einer vom Oberwasser zum Unterwasser hin ansteigenden Sohle angeordnet, und oberwasserseitig
der genannten Sohle ist vorzugsweise ein gegen Stützpfeiler abgestütztes Gitter
angeordnet.
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Die Anwendung eines Wehres gemäß der Erfindung empfiehlt sich in folgenden
Fällen: a) für Schiffahrtszwecke, um stromaufwärts eines Wehres eine Mindestwassertiefe
zur Anpassung an den Tiefgang gewöhnlicher Schiffe aufrechtzuerhalten; b) für Schiffahrtszwecke,
um die Fallhöhe in Kanal- oder Flußschleusen zu regulieren; c) für Bewässerungszwecke,
um den Wasserspiegel stromaufwärts eines Wehres auf einer Höhe zu halten, die den
Grundwasserspiegel des umgebenden Gebietes nicht beeinträchtigt; d) für sanitäre
und landschaftsgestaltende Zwecke, um einen See zu schaffen, beispielsweise aus
einem Fluß, der durch eine Stadt fließt; e) zur Wassersammlung zum Betreiben von
wasserkraftabhängigen Werken, um den Wasserspiegel in einem oberen Becken zu regulieren;
f) als Klappe auf der Krone von festen Wehren zur Regulierung des Wasserspiegels
im Oberwasser.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles an Hand der Figuren. Es zeigt Fig. 1 ein Wehr gemäß
der Erfindung im Querschnitt, Fig. 2 eine Ansicht des Wehres nach Fig. 1, Fig. 3
schematisch die Kraftwirkungen auf das ,Wehr nach den Fig. 1 und 2.
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Das Wehr nach den Fig. 1 und 2 weist Strahlaufreißer 1 aus Metall
auf. Sein aus Leitblech ausgebildeter Kamm 2 besteht ebenfalls aus Metall. Ein weiterer
als Leitblech ausgebildeter Kamm 3 aus Metall dient zur Belüftung des über ihn fließenden
Wassers. Die metallische Stauwand 4 des Wehres ist gebogen. Durch weitere Metallteile
sind Kanäle 5 für das Wasser innerhalb des Wehres geschaffen. Um diesen Kanälen
5 einen festen Halt zu geben, sind Steg .,bleche 6 vorgesehen, welche mit einem
Gegengewicht 8 aus Beton verbunden sind. Das ganze Wehr ist um die Drehachse 7 drehbar
gelagert. Neben dem Betongegengewicht ist ein mit Verbindungsgliedern versehenes
Metallgewicht 9 vorgesehen, welches sich in der geschlossenen Stellung des Wehres
gegen eine unterteilte oder durchlaufende Sollschwelle 10 des Wehres legt. Falls
es erforderlich ist, kann ein gewisser Spielraum 11 vorgesehen sein, um die Stetigkeit
des Abflusses von Festkörpern zu erreichen. Diesen Spielraum erhält man durch eine
Diskontinuität der Stauplatten und durch geeignete Anordnung des Wehres über der
Sollschwelle. Zur Schaffung eines Zuganges zu dem genannten Spielraum 11 ist ein
geneigter Sohlenabschnitt 12 vorgesehen, an den sich hinter Stützpfeilern 14 ein
etwa waagerechter Sohlenabschnitt 13 anschließt. Als Widerlager zur Begrenzung der
Bewegung des Wehres in der umgeklappten Stellung sind Anschläge 15 vorgesehen.
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Die Arbeitsweise des Wehres ergibt sich in bekannter Weise zunächst
aus den statischen Effekten von Drücken, die auf das Wehr ausgeübt werden. Immer
wenn die sich ergebenden Drücke Momente um die Rotationsachse des Wehres erzeugen,
dreht sich das Wehr und beginnt zu arbeiten. Diese überlegung berücksichtigt jedoch
nicht die auf das Wehr ausgeübten dynamischen Wirkungen. Tatsächlich wirken die
von der Strömung verursachten Kräfte mit den statischen Kräften beim Umklappen des
Wehres und bei dessen Rückgang zur erhobenen Stellung zusammen.
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In Abhängigkeit von der jeweils ausströmenden Wassermenge befindet
sich das Wehr in einer der drei folgenden Arbeitsstellungen: a) gehobene Stellung,
b) Übergangsstellung, c) umgeklappte Stellung.
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Bei Ausströmungen bis zu einem gewissen Volumen bleibt das Wehr gehoben.
Der Fluß geht über den als Wehr wirkenden Teil der Sohle oder über einen Tei111
der Sohle, der als unterer Durchfluß dient.
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In dieser Arbeitsstellung erzeugen die Kräfte, welche auf den von
den Strömen herrührenden statischen und dynamischen Drücken beruhen, ein Kippdrehmoment
um die Drehachse 7, dessen Betrag geringer ist als das stabilisierende Drehmoment,
das in der Hauptsache von den Gegengewichten 8 und 9 herrührt.
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Die nach unterstrom gerichtete Oberfläche des Wehres ist dem atmosphärischen
Druck ausgesetzt, da die Strahlaufreißer 1, die sich auf dem Wehrkamm befinden,
die überfließende Wassermenge aufbrechen und somit Luft entlang dem Kamm 3 in den
Raum zwischen dem Wehr und der überfließenden Wassermenge eindringen lassen.
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In dem Maße, in dem die Wassermenge zu steigen und einen bestimmten
Wert zu erreichen beginnt, klappt das Wehr langsam nach unten, und die folgenden
Erscheinungen können in der nachstehenden Aufeinanderfolge beobachtet werden: a)
Ein Luftsack bildet sich an einem Punkt unmittelbar fiußabwärts des Wehres, während
die Wassermenge zu steigen beginnt.
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b) Dieser Luftdruck verschwindet sodann, und gleichzeitig fällt das
Wehr etwas schneller, wodurch der Wasserspiegel stromaufwärts infolge schnelleren
Fließens gesenkt wird.
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c) Ein Luftsack bildet sich sodann an einem Punkt unmittelbar stromabwärts
der Stromaufreißer; während sich die Wassermenge vergrößert, verschwindet auch dieser
Luftsack vollständig, und gleichzeitig senkt sich das Wehr etwas mehr, wodurch das
Fließen erleichtert wird.
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Während dieser Übergangsphase wird beobachtet, daß das Wehr ein wenig
schwingt, obgleich es keine scharfen Bewegungen ausführt. Dies ist von Vorteil im
Hinblick auf das Schmieren der Rollen oder Kugeln der stützenden Lager.
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Bei starkem Abfluß ist das Wehr vollkommen unter Wasser. In dieser
Arbeitsphase bilden sich keine Luftsäcke, und man kann sehen, daß der Aufbau allmählich
fällt, während sich die abströmende Wassermenge vergrößert.
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Die Tatsache, daß das Wehr nicht plötzlich umklappt, gestattet eine
gewisse Kontrolle über den Oberwasserspiegel, zumindest bis zu einer Wasserführung,
die einem vollständig überfluteten Wehr entspricht. Dies ist die Lage, in der der
Strömungswiderstand
des Wehres in Erscheinung tritt, da nunmehr
der Druckverlust mit der Ausströmung anzusteigen beginnt.
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In jeder Stellung des Wehres und somit bei jeder jeweilig äbzuführenden
Wassermenge bleibt die Stabilität des Wehres erhalten. Wenn das Wehr infolge eines
äußeren Anlasses aus seiner dynamisch kompensierten Gleichgewichtsstellung geraten
sollte, geht es sofort wieder nach einigen gedämpften Schwingungen in diese Stellung
zurück. Dieser dämpfende Effekt auf die Schwingungen, der für die Arbeitsweise so
wichtig ist, kann folgendermaßen erklärt werden: In dem Maße, wie sich der Abfluß
vergrößert, vergrößert sich auch die dynamische Wirkung der den Wehrkamm überflutenden
Wassermenge. Diese Wirkung wird auf die Strahlaufreißer 1 ausgeübt und führt somit
das Umklappen des Wehres herbei. Gleichzeitig wirken, wenn die das Wehr überflutende
Wassermenge dazu neigt, die entlang der flußabwärts gerichteten Oberfläche gesammelte
Luft zu verdrängen, zusammen mit der dynamischen Wirkung des Fließens die Kanäle
5 dynamisch auf die Unterseiten der Leitbleche 2 und 3, wodurch die fallende Bewegung
des beweglichen Wehres gedämpft wird.
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Je größer die abzuführende Wassermenge ist, um so größer ist die Neigung
des Wehres und die Wirkung der Sohlschwelle 10, wodurch die Flüssigkeitsmenge,
die entlang dem unteren Teile des Wehres fließt, nach oben abgeleitet wird. Die
so nach oben abgeleitete Wassermasse wirkt sodann auf die stromabwärts gerichtete
Wehrfläche, und zwar entgegengesetzt dem dynamischen Druck, der direkt durch den
Fluß des Wassers auf die stromaufwärts gerichtete Fläche der umgeklappten Klappe
ausgeübt wird.
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Die dynamischen Wirkungen, die auf das umgeklappte Wehr ausgeübt werden,
sind immer von entgegengesetzter Richtung und sind somit der Grund, warum das Wehr
immer dazu neigt, in etwas geneigter Lage im Gleichgewicht zu sein. Deshalb stimmen
bei jeder jeweils ausströmenden Wassermenge diese dynamischen Wirkungen mit einer
bestimmten Winkelstellung des beweglichen Wehres überein, und je größer die Ausströmung
ist, desto größer ist die Schrägstellung der Klappe. Je größer die Ausströmung ist,
desto größer ist die zurückhaltende Wirkung auf die Klappe, und dies beweist, daß
die genannten dynamischen Wirkungen tatsächlich Mittel zum Dämpfen und zur Beibehaltung
der Stellung des beweglichen Wehres sind.
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Fig. 3 zeigt schematisch die dynamischen Kraftwirkungen. Es bedeutet
F1 die dynamische Wirkung des Fließens über das Wehr, die auf die Strahlaufreißer
an der Spitze des Kammes ausgeübt wird; F2 die dynamische Wirkung des Fließens von
dem Kanal aus und des Wasserlaufes unter dem Wehr, die auf das im Wehrkamm vorgesehene
Leitblech ausgeübt wird; F3 die direkte Wirkung des Fließens auf die stromaufwärts
gerichtete Wehrfläche; F4 die dynamische Wirkung dieses Fließens auf die untere,
stromabwärts gerichtete Fläche des umgeklappten Wehres, hervorgerufen durch das
Abbiegen des Fließens unter dem Wehr, das durch die kleinen Betonsohlschwellen verursacht
wird, die auf der Oberfläche der Grundplatte angeordnet sind. Die dynamischen Wirkungen
F1, F2 und F3, F4 haben stets einander entgegengesetzte Richtung, und somit neigt
das Wehr immer dazu, ein Gleichgewicht bei einer die Schräglage des Wehres bestimmenden
Stellung zu erreichen.
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Somit bestimmen, wie bereits oben erwähnt, diese dynamischen Wirkungen
für jedes jeweilige Ausströmen eine gewisse Winkelstellung des Wehres, und je größer
die Ausströmung ist, um so größer ist die Schrägstellung der Klappen.
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Vom schematischen Standpunkt aus kann ein solches Wehr mit einer Platte
verglichen werden, welche an ihren Enden durch Dämpfungs- oder Bremsmittel gehalten
wird und äußeren Stabilisierungswirkungen ausgesetzt ist, welche für die Schräglage
der Platte verantwortlich sind.