DE211096C

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Publication number: DE211096C
Application number: DENDAT211096D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

211096 KLASSE BBa. GRUPPE

CONRAD BIEL in KARLSRUHE und ALFRED BURSCH in BERLIN.

Die vorliegende Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur künstlichen Vergrößerung des Nutzgefälles bei Wasserkraftanlagen.

Die Leistung der Wasserkraftmaschinen bestimmt sich bekanntlich aus Wassermenge und Gefällhöhe. Da bei geringem Gefälle die Ausnutzung der Wasserkräfte auch bei sehr großen Wassermengen unrentabel ist, strebte man eine künstliche Gefällevergrößerung dadurch

ίο an, daß man einen Teil des im Überfluß vorhandenen Wassers unter den Schützen abströmen ließ. Infolge der Geschwindigkeit dieses sogenannten Schützenwassers läßt sich unmittelbar hinter den Schützen eine Senkung des Unterwasserspiegels erreichen.

Da jedoch durch die bisher bekannten Einrichtungen der Unterwasserspiegel nur um einen Teilbetrag der Höhe des im Unterwasserkanal abziehenden Wassers gesenkt werden konnte, mußte die bis jetzt erzielbare Gefällevergrößerung derart gering bleiben, daß sie für die Praxis keine erhebliche Bedeutung gewinnen konnte.

Demgegenüber wird durch die vorliegende Erfindung eine weitgehende Vergrößerung des Nutzgefälles erzielt, wodurch die Anwendung der künstlichen Gefälle vergrößerung' praktisch in einer großen Zahl von Fällen Bedeutung erlangt, besonders dort, wo bei großen Wasser mengen nur kleine Gefällhöhen zur Verfügung stehen.

Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 9 in mehreren Ausführungsformen dargestellt.

Es veranschaulichen die

Fig. ι bis 3 eine Wasserkraftanlage, und zwar ist Fig. 1 der Längsschnitt nach Linie 1-1 in Fig. 2 und 3, Fig. 2 der Querschnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 3 der Grundriß, geschnitten nach Linie 3-3 in Fig. 1 und 2;

Fig. 4 und 5 stellen eine Ausführungsform einer Wasserkraftanlage mit Achsialturbine ohne Saugrohr dar; hier ist Fig. 4 der Längsschnitt nach Linie 4-4 in Fig. 5, Fig. 5 der Grundriß, geschnitten nach Linie 5-5 in Fig. 6;

Fig. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der tiefste Punkt der Mulde erheblich hinter der Schütze c liegt, und zwar ist Fig. 6 der Längsschnitt nach Linie 6-6 in Fig. 7, Fig. 7 der Grundriß, geschnitten nach Linie y-γ in Fig. 6; schließlich zeigen

Fig. 8 und 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit über der Mulde angeordnetem festen Gewölbe. Hier ist Fig. 8 der Längsschnitt nach Linie 8-8 in Fig. 9 und Fig. 9 der Grundriß, geschnitten nach Linie 9-9 in Fig. 8.

In den Figuren bedeutet α den Oberwasserkanal, welcher durch Schützen b, c, d gegen den Unterwasserkanal β gesperrt werden kann. Durch einen Rechen / gelangt das Wasser bei geöffneter Schütze b in einen Turbinenraum g,

in dem die Energie des Turbinenwassers in Wasserkraftmaschinen h nutzbar gemacht werden kann. Das Turbinenwasser verläßt den Raum g, indem es entweder gemäß Fig. 4 und 5 durch eine öffnung i frei oder, den übrigen dargestellten Ausführungsformen entsprechend, durch ein Saugrohr / hindurch in den Unterwasserkanal e austritt, und zwar zweckmäßig an derjenigen Stelle k, an weichet die Kanalsohle durch eine Mulde I am stärksten vertieft ist. Die letztere kann zwischen Mauern m und W₁, welche sie gegen den übrigen Kanal abdämmen, angeordnet sein. Durch öffnen der Schütze d ist man in der Lage, demjenigen Teil des Wassers, welchen man weder durch die Turbinen leiten, noch unter der Schütze c hinweg abfließen lassen will, über einen Überfall η den Weg in den Unterwasserkanal e freizugeben.

Derjenige Teil des Turbinen ab Wasserrohres (Saugrohres) /, welcher mit Austrittsöffnungen 0 versehen ist, kann zweckmäßig konisch geformt sein und entweder, wie beispielsweise in Fig. ι bis 3, unterhalb der Mulde / oder quer durch die Mulde, wie beispielsweise in Fig. 6 und 7, oder schließlich, wie dies die Fig. 8 und 9 zeigen, über der Mulde angeordnet werden. Die Austrittsöffnungen 0 selbst können schlitzförmig ausgebildet sein und befinden sich gemäß der Ausführungsform der Fig. ι bis 3 auf der oberen, entsprechend der Anordnung der Fig. 8 und 9 auf der unteren Seite des Rohres j, oder sind schließlich, wie in Fig. 6 und 7, seitlich am Rohr j angeordnet.

Fig. 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei welcher über der muldenförmigen Vertiefung ein festes Gewölbe -p vorgesehen ist; infolgedessen wird das durch die Schütze c abfließende Wasser in einem geschlossenen Kanal q, dem ein beliebiger Querschnitt gegeben werden kann, in das Unterwasser geführt.

Schließlich bedeutet in den Figuren / das natürliche Gefälle, s das künstlich hergestellte Gefälle und t die Differenz zwischen beiden, d. h. die künstliche Unterwasserspiegelsenkung. Die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung ist die folgende.

Beim öffnen der Schütze c fließt ein Teil des im Oberwasserkanal α zur Verfügung stehenden Wassers, welches nicht durch die Kraftmaschine geleitet werden kann und welches bisher nutzlos verloren gegeben werden mußte, durch die Mulde I bzw. den Kanal q in den Unterwasserkanal e und reißt hierbei sowohl das bei geschlossener Schütze c in der Mulde I bis zum natürlichen Wasserspiegel stehende Wasser, als auch das aus den öffnungen i bzw. 0 austretende Turbinenwasser mit. Die kinetische Energie des Schützenwassers hebt das mitgerissene Wasser alsdann bis auf die Höhe des Unterwasserspiegels.

Die Größe der hierdurch in Erscheinung tretenden künstlichen Senkung des Wasserspiegels an der Austrittsstelle des Turbinenwassers erhält ihren größten Wert, wenn die kinetische Energie des Schützenwassers vollständig ausgenutzt wird. Es gilt dann, von Stoß- und Reibungsverlusten abgesehen, die Energiegleichung:

Qs · s = Q · t.

Hierbei und im folgenden bezeichnet:

Q die gesamte von dem Kraftwerk verbrauchte Wassermenge (= Q_s + Qk)-

Q_s die durch die Schütze c fließende Wassermenge,

Qk die durch die Kraftmaschinen h fließende Wassermenge.

Aus der vorstehenden Energiegleichung ergibt sich:

Q_s . r = Q_k · t,

woraus folgt, daß sich die künstliche Unterwassertpiegelsenkung zum natürlichen Gefälle verhält wie die durch die Schütze c fließende Wassermenge, welche die künstliche Senkung hervorruft, zu derjenigen, welche durch die Kraftmaschinen strömt.

Die Größe der Senkung würde, falls die genügende Wassermenge zur Verfügung steht, durch entsprechendes öffnen der Schütze c beliebig weit gesteigert werden können. In Wirklichkeit wird die erreichbare Senkung freilich begrenzt durch die bei sehr bedeutender Spiegelsenkung erheblich werdenden Reibungsverluste und durch die Stoßverluste, welche bei der Mischung des langsam fließenden Turbine η wassers mit dem schnell fließenden Schützenwasser auftreten. ■

Um die Stoßverluste nach Möglichkeit gering zu halten und um eine innige Vermischung der beiden Ströme zu erreichen, kann das Turbinenabwasserrohr 7, wie in den Fig. 1 bis 3 und 6 bis 9 angedeutet, quer zur Mulde / geführt und mit Längsschlitzen 0 versehen werden.

Die den Turbinen zur Verfügung stehende Gesamtenergie wird durch die künstliche Gefällevergrößerung natürlich nicht verändert, denn die nutzbare Wassermenge verringert sich in demselben Maße, in welchem das Nutzgefälle wächst; mit andern Worten, es ist

Y · ^γ — Yk · S.

Die Neuheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß in der Unterwasserkanalsohle eine muldenförmige Vertiefung I angeordnet ist, durch welche beim öffnen der Schütze c ein Teil des im Oberwasserkanal α zur Ver-

fügung stehenden Wassers abgelassen werden kann, dessen Energie gemäß der Erfindung dazu Verwendung findet, um das zweckmäßig an der tiefsten Stelle k der Mulde / in das Schützenwasser eingeführte Turbinenwasser aus der Mulde herauszuheben, wodurch eine erhebliche Gefälle vergrößerung künstlich erzielt wird.

Weitere Neuheitsmerkmale der vorliegenden

ίο Erfindung liegen besonders in der Anordnung seitlicher Ausflußöffnungen ο des an der tiefsten Stelle k in der Mulde I quer zu dieser geführten TurbinenabWasserrohres j, ferner in der Ausgestaltung der muldenartigen Vertiefung zu einem rohrartigen Kanal q durch Anordnung eines festen Gewölbes f.

Die technischen Fortschritte der vorliegenden Erfindung beruhen in der weitgehenden Steigerung der Gefällhöhe und der damit ver-

ao bundenen Leistungserhöhung der Wasserkraftanlage. Bleibt die Leistung der Anlage natürlich auch geringer, als wenn die gesamte Wassermenge durch die Turbinen fließen würde, so sind doch die durch die vorliegende Erfindung erzielbaren Vorteile sehr ' erhebliche, weil man in der Praxis nur in seltenen Fällen, die Turbinen der vorhandenen, ständig schwankenden Wassermenge stets anpassen kann, so daß tatsächlich bei den allermeisten Anlagen bisher zeitweilig ein mehr oder minder erheblicher Teil des Wassers unbenutzt durch die Schützen abgelassen werden mußte.

In welchem Grade die Leistung gesteigert werden kann, zeigen die nachstehenden Gleichungen; in denen bedeutet:

L₀ die Leistung ohne künstliche Gefällevergrößerung,

L die Leistung der Anlage mit künstlicher Gefällevergrößerung,

Q₀ die ohne Gefällevergrößerung durch die Kraftmaschinen fließende Wassermenge,

Qic die mit Gefällevergrößerung durch die Kraftmaschinen fließende Wassermenge.
Es ist

L₀ = Q₀-r,

L = Qu-s

	man	L	S r	*Qk-*	S
		L₀	*Qo-*	r
setzt
		= a,

so ist:

Hieraus ergiebt sich:

= α y ο. = a'¹ .

Hierin ist mit α das Verhältnis des künstlich vergrößerten Gefälles s zum natürlichen Gefälle r bezeichnet.

Hieraus folgt, daß unter Vernachlässigung der Reibungs- und Stoß Verluste die Leistung der Anlage beispielsweise bei vierfacher Gefällevergrößerung die achtfache sein würde, ein Fall, welcher eintritt, wenn man das Verhältnis -^- annähernd = 12,8 wählt.

Qk und die Tourenzahl der Kraftmaschinen erreichen in diesem Falle die doppelte Größe gegen den Betrieb ohne künstliche Gefällevergrößerung ; doch kann man die Tourenzahl durch Verstellen der Regulierung eventuell beeinflussen.

Die Vorteile, welche sich aus der künstlichen Gefällevergrößerung ergeben können, sind die folgenden:

Bei bestehenden Anlagen kann man eine wesentliche Steigerung der Leistung ohne Neubeschaffung von Maschinen erreichen, wenn hinreichend Wasser zur Verfügung steht. Denn bei vergrößertem Nutzgefälle vermögen die bisherigen Maschinen eine größere Wassermenge zu schlucken und können dann aus zweifachem Grunde erheblich mehr leisten. Durch diese Maßnahme kann auch die Tourenzahl der Maschinen gesteigert werden.

Von erheblichem Nutzen kann die Erfindung ferner in dem häufig vorliegenden Falle sein, daß die Größe der Anlagen durch die zur Zeit des Hochwassers zur Verfügung stehende Gefällhöhe bestimmt ist. Diese wird zur Zeit des Hochwassers besonders gering, weil es nicht möglich ist, das Oberwasser in demselben Maße anzustauen, wie sich das Unterwasser anstaut. Da außerdem die Turbinen infolgedessen nur eine kleinere Wassermenge zu schlucken vermögen, muß ein großer Teil des zur Verfügung stehenden Wassers unbenutzt abgelassen werden, folglich kann die Kraftanlage gerade in der Zeit, in welcher ihr die größte Energie zur Verfügung steht, nur außergewöhnlich wenig nutzbare Arbeit liefern. Der Übelstand, daß aus diesem Grunde viele Wasserkraftanlagen mit größeren und teueren Maschinen ausgestattet werden müssen, kann durch die vorliegende Erfindung bedeutend verringert werden.

Bei Errichtung von Neuanlagen mit verhältnismäßig kleiner Gefällhöhe und großer Wassermenge bietet die künstliche Gefällevergrößerung den Vorteil, daß sich die gewünschte Tourenzahl mit einfacheren, billigeren Turbinen (je nur ein Laufrad) erreichen läßt, oder daß man größere Maschineneinheiten wählen kann. Infolgedessen wird eine geringere Anzahl Maschinen erforderlich, oder die Tourenzahl kann höher gewählt werden. Durch

Vergrößerung der Tourenzahl werden aber die Turbinen und eventuell auch die Arbeitsmaschinen kleiner und billiger. Auch können Vorrichtungen zur Erreichuug einer höheren Tourenzahl vermieden werden. Durch diese . Vorteile kann die Ausnutzung einer Wasserkraft rentabel werden, welche es bisher wegen zu geringer Gefällhöhe nicht war.

Die Ausführungsformen nach Fig. 6 bis 9 weisen noch den besonderen Vorteil auf, daß die Schütze c in normaler Größe ausgeführt werden kann, da der tiefste Punkt k der Mulde I bzw. des Kanals q nicht unmittelbar hinter der Schütze liegt.

Ferner sichert die Anordnung eines festen Gewölbes φ über dem Kanal q, gemäß Fig. 8 und 9, eine wirbelfreie Führung des Schützenwassers, während durch die im Tuibinenabwasserrohr j vorgesehenen Längsschlitze 0 eine innige Mischung des Turbinenabwassers mit dem Schützenwasser erreicht wird.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die künstliche Gefällevergrößerung auch zur Regulierung der Turbinen herangezogen werden kann. Indem man sie in demselben Sinne wie die Leitschaufeln reguliert, läßt sich für alle Belastungen stoßfreier Eintritt ins Laufrad erreichen, wobei gleichzeitig die Austrittsgeschwindigkeit mehr achsiale Richtung behält, so daß durch solche Regulierung die Wirkungsgrade der Turbinen bei kleinen Leistungen wesentlich verbessert werden können.

Claims

Pate nt-An Sprüche:

1. Wasserkraftanlage mit künstlich vergrößertem Nutzgefälle, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mündungsstelle (k) des Kraftmaschinenabwassers in der Unterwasserkanalsohle eine muldenartige Vertiefung (I) angeordnet ist,. durch welche beim öffnen einer Schütze (c) ein Teil des im Oberwasserkanal (α) zur Verfügung stehenden Wassers abgelassen werden kann, dessen Energie dazu Verwendung findet, das Kraftmaschinenabwasser aus der Mulde (I) herauszuheben, zum Zweck, den Unterwasserspiegel künstlich herabzusenken.

2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Unterwasser in Verbindung stehende Abflußrohr (j) der Kraftmaschine (h) seitliche Abflußöffnungen (0) besitzt.

3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der in vertiefter Mulde befindlichen Mündungsstelle (k) des Maschinenabwassers mit dem höher stehenden Unterwasser ein rohrartiger Kanal (q) von beliebiger Querschnittsform angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.