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In einem Flußlauf eingebaute Turbine Beobachtungen während der letzten
Jahrzehnte haben gezeigt, daß die Verschmutzung der Flußläufe hauptsächlich infolge
der vermehrten Einleitung von häuslichen und gewerblichen Schmutz- und Abfallstoffen
aller Art zunimmt. Nun haben zwar diese Flußläufe ein gewisses Vermögen, sich selbst
zu reinigen. Dieses Selbstreinigungsvermögen reicht jedoch infolge des vermehrten
Anfalles von Schmutz- und Abfallstoffen für die Rein- und Gesunderhaltung der Gewässer
nicht mehr aus. Man ist daher in neuerer Zeit in zunehmendem Maße bestrebt, das
Selbstreinigungsvermögen der Gewässer durch geeignete Maßnahmen zu heben und zu
vergrößern, z. B. durch Anlegen von Stauseen, Ausbau von Wasserläufen usw. und insbesondere
durch künstliche Belüftung.
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Für die künstliche Belüftung der Gewässer ist schon eine Reihe von
Vorschlägen gemacht worden. So ist es bekannt, auf der Flußsohle geeignete Belüftungskörper,
z. B. Filterplatten, anzuordnen, die mittels einer längs des Flusses verlegten Druckluftleitung
von einem Kompressor mit Druckluft versorgt werden. Des weiteren gehört es zum Stand
der Technik, unterhalb der Turbinenausläufe eines Kraftwerkes im Flußlauf an Schwimmern
hängende Belüftungsaggregate anzuordnen, welche die ihnen zugeführte Preßluft möglichst
tief und feinst verteilt in das Flußwasser einführen sollen. Weitere Vorschläge
befaßten sich mit der Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff durch Versprühen des
Wassers an der Gewässeroberfläche mittels geeigneter Vorrichtungen, beispielsweise
mittels Wurfrädern od. dgl.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung, bei der ein elektrisch angetriebener
Mischkreisel in einem senkrecht im Wasser hängenden Tauchzylinder ein Wasser-Luft-Gemisch
erzeugt. Ein teleskopartig ausziehbarer Rüssel ermöglicht dabei, das Wasser aus
verschiedenen Tiefen einzusaugen, wobei dann das Wasser-Luft-Gemisch infolge seines
leichteren spezifischen Gewichts im Tauchzylinder nach oben und über den oberen
Zylinderrand nach außen abfließt.
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Davon abgesehen, daß die bekannten Einrichtungen sich hinsichtlich
ihrer Wirksamkeit und Verwendbarkeit zum Teil als unzulänglich erwiesen haben bzw.
darüber mangels ausreichender Erfahrungswerte noch kein abschließendes Urteil gefällt
werden kann, haben alle bekannten Einrichtungen den Nachteil, daß es sich bei ihnen
um eigens für den Zweck der künstlichen Belüftung in die Flußläufe eingebaute zusätzliche
und mit erheblichen Kosten sowohl für ihre Erstellung als auch ihren Betrieb verbundene
Einbauten handelt.
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In vorteilhafter Weise macht nun die Erfindung von der bei Turbinen,
also für einen anderen Zweck schon vorhandenen Einrichtungen, an sich bekannten
Maßnahme, zwecks Vermeidung von Störungen im Wasserlauf dem Laufrad der Turbine
Luft zuzuführen, Gebrauch und schlägt für eine in einem Flußlauf eingebaute Turbine
vor, die Turbine zum Zwecke der Anreicherung des Flußwassers mit Sauerstoff zur
Förderung der biologischen Abbauvorgänge zu belüften und bei einer zur Verhütung
der Kavitation in an sich bekannter Weise im Unterdruckbereich belüfteten Turbine
die Belüftungsvorrichtung so zu bemessen, daß die zur biologischen Reinigung des
Flußwassers erforderliche Menge an Sauerstoff durch die Belüftungsvorrichtung eingetragen
werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß das' Einbringen von Luft nvt
Hilfe eines sowieso vorhandenen Unterdruckes, d. h. durch die unmittelbare Ausnutzung
der Wasserenergie, mit weniger Kraft möglich ist als bei dem mit Wirkungsgradverlusten
behafteten Umweg über die Kraftumwandlung, die Stromerzeugung und den Antrieb von
besonderen Luftverdichtern, wie dies bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist;
dies um so mehr, als im Unterschied zu der bekannten Maßnahme, den Laufrädern von
Turbinen zum Zwecke der Vermeidung .von Kavitation eine Luftmenge in der Größenordnung
von etwa 1/z bis 111/9 der von der Turbine verarbeiteten Wassermenge zuzuführen,
daran gedacht ist, für den Zweck der Belüftung des Wassers zur Förderung der biologischen
Selbstreinigung der Flüsse die Belüftungsvorrichtungen für eine wesentlich größere
Luftmenge,
nämlich eine solche bis zu etwa dem Zwanzigfachen, also
bis zu etwa 20'% der von der Turbine verarbeiteten Wassermenge, zu bemessen, so
daß auch eine entsprechend große erforderliche Luftmenge in das Flußwasser eingeführt
werden kann.
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Vorteilhaft ist weiterhin die hohe Eintrittsgeschwindigkeit der Luft,
die intensive Durchwirbelung von Luft und Wasser und die verhältnismäßig lange Kontaktzeit
beim Durchströmen des Saugrohres. Darüber hinaus lassen sich durch den Wegfall besonderer
Einrichtungen, wie Gebläse, Filterplatten usw., aber auch durch den einfachen Betrieb
und durch den Umstand, daß keinerlei Teile vorhanden sind, die starkem Verschleiß
unterworfen sind oder besonderer Unterhaltung bedürfen, erhebliche Einsparungen
erzielen.
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In zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, hinter
dem Laufradaustritt am Umfang des Saugrohres ein oder mehrere mit Bohrungen, Düsen
od. dgl. versehene, an sich bekannte Ringkanäle und/oder in das Saugrohr hineinragende
Belüftungsrohre anzuordnen, die mit der Atmosphäre über Luftzuführungsrohre in Verbindung
stehen. Durch Ausbildung einer entsprechend großer Anzahl kleiner Bohrungen, Düsen
und/oder Belüftungsrohre wird dabei erreicht, daß die Luftblasen im Wasser klein
sind und die Sauerstoffaufnahme des Wassers ein Optimum wird. Da außerdem die Wasserströmung
hinter dem Turbinenlaufrad sehr stark und turbulent ist, werden die Luftblasen mit
dem Wasser so gut vermischt, daß, wie Versuche bestätigt haben, an der Saugrohraustrittsstelle
der Turbine eine nahezu gleichmäßige Luftverteilung im Wasser erreicht wird. Schließlich
hat die Luft auf dem verhältnismäßig langen Weg durch das Turbinensaugrohr auch
genügend Zeit, ihren Sauerstoff an das Wasser abzugeben. Ein besonderer Vorteil
ist es, daß solche Ringkanäle mit Bohrungen, Düsen od. dgl. in die meisten Turbinen
auch noch nachträglich eingebaut werden können. Dabei könnte man auch daran denken,
die Luftmenge durch Abschalten einzelner Bohrungen, Düsen oder Belüftungsrohre oder
auch durch Abschalten ganzer Gruppen derselben oder auch durch Verändern deren lichter
Querschnitte mittels besonderer Vorrichtungen zu dosieren. Auf jeden Fall ist bei
ausreichendem Sauerstoffgehalt ein vollständiger und dichter Abschluß der Luftzuführung
notwendig. Schließlich ist es aber auch möglich, die Anreicherungsluft durch die
hohle Turbinenlaufradwelle oder auch unmittelbar vor dem Turbinenlaufradeintritt
zuzuführen.
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Die Menge der Luftzufuhr kann in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf
des Wassers, und zwar automatisch oder von Hand aus gesteuert werden. Nun wird aber
bekanntlich die Turbinenleistung durch das Einführen von in diesem Falle größeren
Luftmengen mehr oder minder stark beeinflußt. Es ist daher vorteilhaft, die dem
Wasser zuzuführende Luftmenge in Abhängigkeit von einer oder mehreren Betriebsgrößen
der Turbine am besten automatisch zu steuern. Selbstverständlich ist aber auch eine
Regelung von Hand möglich. So kann man beispielsweise bei Spitzenbelastung der Turbine
so wenig Anreicherungsluft zuführen, daß hierdurch der Turbinenwirkungsgrad gar
nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird. In den Nachtstunden ist dagegen meistens
eine bedeutend niedrigere Turbinenleistung erforderlich. Unter Umständen können
Turbinen sogar nachts ohne Leitsungsabgabe laufen. In diesem Falle braucht dann
auf Erhaltung eines hohen Wirkungsgrades oder eines bestimmten Gefälles nicht mehr
so sehr geachtet zu werden, so daß eine entsprechend größere Menge von Anreicherungsluft
zugeführt und demzufolge das Flußwasser zu Zeiten geringer Turbinenleistung besonders
intensiv mit Luftsauerstoff angereichert werden kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen dargestellt.
Es zeigen, jeweils im Längsschnitt: Fig. 1 die schematische Darstellung einer Kaplanturbine,
bei der ein Ringkanal für die Luftzuführung angeordnet ist, Fig. 2 eine Anordnung,
bei der das Luftzuführungsrohr in das Saugrohr hineinragt.
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Die Fig.1 zeigt in schematischer Weise eine Kaplanturbine 1, an deren
Saugrohr 2 ein mit der Atmosphäre über ein Luftzuführungsrohr 3' in Verbindung
stehender Ringkanal 4 angeordnet ist. Dieser Ringkanal ist so um das Saugrohr
herumgelegt, daß die Anreicherungshift durch dessen Düsen 4' unmittelbar
in das innerhalb des Saugrohres liegende Unterdruckgebiet eingeführt werden kann.
In das Lnftrz,f;;hn,ngsrohr 3' ist noch ein Regulierventil 6
eingebaut,
durch das die Menge der zuzuführenden Anreicherungsluft reguliert werden kann, und
zwar beispielsweise in Abhängigkeit von einem hier nicht gezeichneten Turbinenregler.
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Außerdem ist hier noch gezeigt, wie die Anreicherungsluft durch eine
durch die Laufradnabe 8 und das Laufrad hindurchgeführte Luftzuführungsleitung
7 in das Saugrohr eingeführt werden kann. Auch hier ist ein Regulierventil
6 zwischen die Luftzuführungsleitung 7 und das Luftzuführungsrohr 3' eingebaut.
Ebenso kann auch die Anreicherungsluft durch einen unmittelbar vor dem Laufrad
1 angeordneten, mit Düsen versehenen Ringkanal 5 über das ebenfalls
durch ein Regulierventil 6 absperrbare Luftzuführungsrohr 3' zugeführt werden.
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In Fig. 2 ist wiederum eine Kaplanturbine schematisch dargestellt.
Die Anreicherungsluft wird hier durch ein unmittelbar in das Saugrohr 2 der Turbine
1 hineinragendes Belüftungsrohr 3 eingeführt. Sofern es zweckmäßig erscheint, kann
die Anreicherungsluft selbstverständlich auch bei dieser Anordnung zusätzlich noch
durch die Laufradnabe und etwa auch noch durch einen vor dem Laufrad angeordneten
Ringkanal zugeführt werden.