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Wasserturbinen- oder Pumpenaggregat
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Die Forderung, den Import von Erdöl und Erdgas der Industriestaaten
zu senken, verlangt u.a. auch eine weitgehendere Ausnützung vorhandener - kleinerer
- Wasserkraftpotentiale, wie sie vor allem in gebirgigen Staaten noch vorhanden
sind.
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Weiters erfordert der steigende Energiebedarf in Entwicklungsländern
auch dort die Nutzung vorhandener Wasserkraftreserven. In diesen Staaten ist überdies
zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion der Ausbau der Feldbewässerung dringend
geboten.
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Dabei sollen sowohl die technischen Einrichtungen für die Erzeugung
elektrischer Energie als auch die Aggregate für die Feldbewässerung möglichst billig
sein, um bei geringen Anschaffungs- und Errichtungskosten eine hohe Wirtschaftlichkeit
zu erreichen. Bei Entwicklungsländern sollen diese technischen Einrichtungen (z.B.
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Staudämme) überdies mit landeseigenen Baustoffen und in langeseigener
Bauweise errichtet werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Wasserturbinenaggregat
- vorzugsweise als Kleinaggregat - bzw. ein Pumpenatgregat zu schaffen, das im Freien
zur Aufstellung gelangen kann, für das also die Errichtung eines Turbinenhauses
(oder die Schaffung von Kavernen im Staudamm) bzw. eines Pumpenhauses entbehrlich
ist.
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Dieses Turbinen- bzw. Pumpenaggregat soll auch für einen Einsatz
in tropischen Ländern mit ihrer - für technische Einrichtungen sehr nachteiligen
- Regenzeit geeignet sein.
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Bei der Ausführung als Wasserturbinenaggregat soll überdies eine
vorteilhafte Anordnung desselben an Staudämmen einfachster Baugleise (z.B. in Schüttbauweise)
ermöglicht werden, wobei das Aggregat auch einer zeitweisen Überflutung - bei Hochwasser
- ohne Beschädigung gewachsen ist.
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Zur Erreichung dieser vorteilhaften Eigenschaften wird ein Wasserturbinen-
bzw. Pumpenaggregat mit einem axialen oder halbaxialen Laufrad in einem Rohrgehäuse
und einem, gegebenenfalls mit einem Getriebe ausgerüsteten Elektrogenerator oder
Elektromotor vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Elektrogenerator bzw. Elektromotor in einem allseitig geschlossenen Generatorraum
bzw. Motorraum angeordnet ist, dessen peripherer Bereich und dessen dem Rohrgehäuse
abgewandte Stirnseite von einem ein- oder mehrteiligen Schutzgehäuse begrenzt ist,
und daß das Schutzgehäuse direkt oder über Zwischenteile (z.B. über ein Tropfkammergehäuse)
am Rohrgehäuse befestigt ist.
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Durch diese Unterbringung des Elektrogenerators bzw. Elektromotors
in einem allseitig geschlossenen Raum ist vor allem der schädliche Einfluß des Regens
auf diese Elektromaschinen ausgeschaltet und es ist sogar eine zeitweise Überflutung
des Turbinen-bzw. Pumpenaggregates zulässig, ohne daß dieses dadurch beschädigt
wird. Es ist dadurch auch möglich, das Aggregat in tropischen Ländern im Freien
aufzustellen und auch während der Regenzeit zu betreiben.
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Das ein- oder mehrteilige Schutzgehäuse ist als schalenförmiger Rotationskörper,
vorzugsweise als zylinderähnlicher Rotationskörper ausgebildet, der eine geschlossene
und eine offene Stirnfläche aufweist und an der offenen Stirnfläche einen Befestigungsflansch
trägt. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung und eine rasche Montage bzw. Demontage.
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Das Schutzgehäuse kann als Luftkühler mit Kühlrippen und/oder als
- vorzugsweise doppelwandiger - Wasserkühler ausgebildet sein.
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Oder es kann für die Abfuhr der Generator- bzw. Motorwärme innerhalb
des Schutzgehäuses ein Luft- oder Wasserkühler angeordnet sein.
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Nach einem anderen, wesentlichen Merkmal der Erfindung ist zwischen
dem Rohrgehäuse und dem Schutzgehäuse ein allseitig von W den begrenztes, ein- oder
mehrteiliges Troy mmergehäuse angeordnet,
das in seinem unteren
Bereich wenigstens eine Ablauföffnung für die Leckflüssigkeit der rohrgehäuseseitigen
Wellendichtung aufweist.
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Das Tropfkammergehäuse besitzt eine kreiszylindrische Grundgestalt
und trägt an beiden Stirnseiten je einen Befestigungsflansch.
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Das Tropfkammergehäuse ist am Rohrgehäuse angeflanscht und verschließt
die Montageöffnung des letzteren. (Diese Montageöffnung liegt der Wassereintrittsöffnung
des Rohrgehäuses gegenüber).
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Am Tropfkammergehäuse ist eine Stirnfläche oder es sind beide Stirnflächen
(je) durch einen separaten Deckel verschlossen. Dies ermöglicht die Zugänglichkeit
seines Innenraumes.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Tropfkammergehäuse
in seinem oberen Bereich und in seinen seitlichen Bereichen luftdicht ausgeführt.
Dadurch bleibt bei zeitweiser Überflutung des Turbinen- bzw. Pumpenaggregates im
Innenraum des Tropfkammergehäuses ein Luftpolster bestehen, der das Eindringen von
Wasser in den Generatorraum bzw. Motorraum verhindert.
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In bzw. an der rohrgehäusigen Stirnwand und in bzw. an derE-generatorseitigen
bzw. E-motorseitigen Stirnwand des Tropfkammergehäuses ist je eine Wellendichtung
angeordnet. Die Leckageflüssigkeit der rohrgehäuseseitigen Wellendichtung tritt
in den Innenraum des Tropfkammergehäuses ein und tropft nach unten weg. Die E-generatorseitige
bzw. E-motorseitige Wellendichtung verhindert das Eindringen von Wasser in den Generatorraum
bz4. Motorraum.
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Im Innenraum des Tropfkammergehäuses ist auf der Welle in an sich
bekannter Weise ein Spritzring angebracht, um das Leckagewasser der rohrgehäuseseitigen
Wellendichtung on der E-generatorseitigen bzw. E-motorseitigen Wellendichtung frnzuhal
ten.
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Auf der Seite des Rohrgehäuses ist mit dem Tropfkammergehäuse bzw.
mit dessen stirnseitigem Deckel ein Umlenkschild über Abstandshalter verbunden.
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Auf der gegenüberliegenden Seite ist am Tropfkammergehäuse - vorzugsweise
an dessen separaten, stirnseitigen Deckel - das Schutzgehäuse angeflanscht.
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An der dem Rohrgehäuse abgewandten Stirnwand des Tropfkammergehäuses
ist der - gegebenenfalls mit einem Getriebe versehene -Elektrogenerator bzw. Elektromotor
direkt oder mittles eines Zwischenträgers befestigt.
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Im peripheren Bereich des Tropfkammergehäuses ist ein eine Abdichtung
enthaltendes Durchführungsrohr für das Elektrokabel des E-Generators bzw. E-Motors
angeordnet.
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Nach einem anderen, wesentlichen Merkmal der Erfindung sind die Verstellgestänge
des aus schwenkbaren Schaufeln bestehenden Leitapparates von einem ein- oder mehrteiligen,
im wesentlichen dichten Ringgehäuse umgeben. Diese Ausführung schützt die Verstellgestänge
bei Überflutung des Aggregates und vor mutwilliger Beschädigung.
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Auch der Stellantrieb des Leitapparates ist innerhalb des Ringgehäuses
angeordnet, wodurch auch dieser geschützt ist.
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Die Kupplung zwischen der Turbinen- bzw. Pumpenwelle einerseits und
dem Elektrogenerator bzw. Elektromotor andererseits ist innerhalb des im Inneren
des Schutzgehäuses angeordneten Zwischenträgers des E-Generators bzw. E-Motors angeordnet.
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Bei der Ausführung als Wasserturbinenaggregat ist innerhalb es Schutzgehä.uses
wenigstens ein Sensorgerät (z.B. ein FliekkraftyJ,=ndel) zur Erfassung der Turbinerlrehzahl
bzw. Ge-rcratöidrehahl angeordnet. (Sensorgeräte sind meist besonders empfindlich).
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Nach einem anderen, wesentlichen Merkmal der Erfindung ist das Wasserturbinenaggregat
auf der Unterwasserseite des Staudammes oder Stauwehres, und zwar außerhalb desselben,
mit horizontaler oder leicht schräger Längsachse angeordnet und an dem den Staudamm
bzw. das Stauwehr durchdringenden Wasserzuführungsrohr oder dessen Absperrarmatur
angeflanscht. Dies ermöglicht den Bau einfacher und billiger Staudämme bzw. Stauwehre.
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Zur Verbesserung der Befestigung des Wasserturbinenaggregates ist
dasselbe mittels Anker mit dem Staudamm oder Stauwehr verspannt.
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Das Turbinenaggregat ist über einer Betonrippe angeordnet, die mit
dem Staudamm bzw. dessen Pfeiler verbunden ist und das Saugrohr ist an der unterwasserseitigen
Stirnseite dieser Betonrippe angebracht. Dadurch wird bei der Überflutung des Staudammes
das Saugrohr vor der direkten Anströmung durch das Wasser geschützt.
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Erforderlichenfalls kann das Turbinenaggregat - vor allem bei größeren
Abmessungen desselben - auch auf die Betonrippe abgestützt sein.
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über dem Turbinenaggregat ist in an sich bekannter Weise ein Montageträger
angeordnet, der sich am Staudamm oder Stauwehr abstützt und in den Unterwasserbereich
hinausragt.
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winter dem Schutzgehäuse des Turbinenaggregates ist wenigstens eine
Montagebühne angeordnet, die sich vorzugsweise auf das Turbinens'.augrohr abstützt
und bei normalen Betrit-bsverhäl tnissen über dem Unt-rsÇasserspieyel liegt.
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Bei Flüssen mit größeren Gefällen und wenn es die örtlichen n gegebenheiten
erfordern, kann die e Länge L dcs Wsserzuführungsrohres
ein Mehrfaches
bzw. Vielfaches seines Rohrdurchmessers D betragen. Dadurch ist es möglich, zusätzliches
Gefälle zu gewinnen.
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Auch rückt dadurch das Turbinenaggregat aus dem niederwasserseitigen
Turbulenzbereich der Wasserströmung, der sich dann bildet, wenn der Damm - z.B.
bei Hochwasser - überflutet wird.
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Bei dieser Lösung ist das Turbinenaggregat an einem Pfahlgerüst befestigt,
dessen Pfähle in den Flußboden eingerammt sind.
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Kleinere Pumpenaggregate können - besonders in tropischen Ländern
- in vorteilhafter Weise an einem oder mehreren vertikalen Pfählen befestigt sein,
die in den Boden der Flüsse eingerammt sind. Auch hier empfiehlt sich die Anordnung
einer Montagebühne.
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Bei Pumpenaggregaten mit vertikaler Welle ist an der Ablauföffnung
des Tropfkammergehäuses ein nach unten gezogenes Ablaufrohr für das Leckwasser der
rohrgehäuseseitigen Wellendichtung angebracht. Dadurch wird bei einer zeitweisen
Überflutung des Pumpenaggregates das Eindringen von Wasser in das Tropfkammergehäuse
bzw. in den Motorraum verhindert.
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In den Zeichnungen ist eine Ausführung eines Wasserturbinenaggregates
sowie zwei Anordnungen von Turbinenaggregaten an Staudämmen und die Anordnung eines
Pumpenaggregates an einem eingerammten Pfahl dargestellt.
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Es zeigt: Figur 1 einen vertikalen Längsschnitt durch ein Wasserturbinenaggregat
nach der Linie A-B in Figur 2; Figur 2 einen vertikalen Achsnormalschnitt durch
dieses Wasserturbinenaggregat nach der Linie C-D in Figur 1; Figur 3 in axonometrischer
Darstellung die Anordnung eines Turbinenaggregates an der Unterwasserseite eines
betonierten Staudammes; Figur 4 in einem vertikalen Längsschnitt die Anordnung eines
Turbinenaggregates an einem geschütteten Staudamm; Figur 5 die vertikale Anordnung
eines Pumpenaggregates an einem in den Flußboden eingerammten Pfahl.
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Bei dem in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Wasserturbinen-<ggr.-gat
ist das Turbinenlaufrad 1 mit Turbinenwelle 2 innerhalb des aus den zwei Teilen
3a und 3b bestehenden Rohrgehäuses 3 angeordnet.
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Der Wassereintrittsoffnung 3c des Rohrg häuses 3 liegt dessen idontageö.fnung
3d gegenüber.
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Hinter der Wassereintrittsöffnung 3c befindet sich der Zentralkörper
4, der sich über Stützschaufeln 5 auf den vorderen Teil 3a des Rohrgehäuses 3 abstützt.
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Zwischen den Stützschaufeln 5 und dem Laufrad 1 ist der Leitapparat
6 angeordnet, der aus einem Kranz schnwekbarer Leitschaufeln 6a besteht.
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Die Verstellgestänge 7 der Leitschaufeln 6a befinden sich außerhalb
des Rohrgehäuseteils 3a und sind von einem - weitgehend dichten - Ringgehäuse 8
umgeben. Innerhalb dieses Ringgehäuses 8 ist auch der Stellantrieb des Leitapparates
6 angeordnet. (Stellantrieb nicht gezeichnet).
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Die Montageöffnung 3d des Rohrgehäuses 3 ist durch ein Tropfkammergehäuse
9 verschlossen, dessen peripherer Teil 9a zwei seitliche Abdeckungen 9a' trägt und
unten eine Ablauföffnung 9b für die Leckageflüssigkeit der rohrgehäuseseitigen Wellendichtung
10 aufweist.
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An der rohrgehäuseseitigen Stirnwand 9c des Tropfkammergehäuses 9,
die als separater Deckel ausgebildet ist und in ihrem Zentrum die Wellendichtung
10 trägt, ist über einen Abstandshalter 11 ein Umlenkschild 12 für das vom Laufrad
1 abströmende und zur Wasseraustrittsöffnung 9e hinströmende Wasser befestigt.
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An der elektrogeneratorseitigen Stirnwand 9d des Tropfkammergehäuses
9, die ebenfalls als separater Deckel ausgebildet ist und in ihrem Zentrum die Wellendichtung
13 trägt, sind der Zwischenträger 14 des Elektrogenerators 15 und das Schutzgehäuse
16 angeflanscht.
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Innerhalb des Tropfkammergehäuses 9 befindet sich ch auf der Tur-Unenwelle
2 ein zspritzl^ing 17.
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Alle Stoßfugen der Teile des Tropfkammergehäuses 9 sind gegen Luftaustritt
abgedichtet. Dadurch verbleibt bei einer zeitweisen Überflutung des Turbinenaggregates
innerhalb des Tropfkammergehäuses 9 ein Luftpolster, der einen Zutritt von Wasser
zur Wellendichtung 13 verhindert und dadurch das Eindringen von Wasser in den Generatorraum
18 mit Sicherheit versperrt. Auch dieser Generatorraum 18 ist durch das Schutzgehäuse
16 und das Tropfkammergehäuse 9 ebenfalls allseitig abgeschlossen und ein Eintritt
von Wasser ist auch bei ihm ausgeschlossen.
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Die Kupplung 19 ist innerhalb des Zwischenträgers 14 angeordnet,
der sich wiederum im Inneren des Schutzgehäuses 16 befindet.
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Innerhalb des Generatorraumes 18 sind außer dem Elektrogenerator
15 noch ein Wasserkühler 20 für die Abfuhr der Generatorwärme und ein Fliehkraftpendel
21 als Sensorgerät für die Erfassung der Generatordrehzahl bzw. Turbinendrehzahl
angeordnet, das über ein Kegelzahnradpaar 21' angetrieben ist.
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Für die Abfuhr der Generatorwärme kann auch das Schutz gehäuse 16
als Luftkühler mit Kühlrippen oder als - vorzugsweise doppelwandiger -Wasserkühler
ausgebildet sein.
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Am oberen Bereich des Tropfkammergehäuses 9 ist ein DurchfXhrungs
rohr 22 für das Elektrokabel des E-Generators 15 angebracht. Aukh in diesem Durchführungsrohr
22 erfolgt eine wasserdichte Abdämmung des Elektrokabels. Diese Art der Kabelzuführung
erlaubt eine rasche,Demontage des Schutz gehäuses 16 ohne dabei das Elektrokabel
abbauen zu müssen.
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Das in Figur 1 und Figur 2 gezeigte Maschinenaggregat kann auch als
Pumyenaggregat - vorzugsweise mit vertikaler Welle - eingesetzt werden.
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In Figur 3 ist in axonometrischer Darstellung an einem betonierten
Staudamm 23 die vorteilhafte Anordnung eines kleineren Wasserturbinenaggregates
24 gezeigt.
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Der Staudamm 23 besitzt einen anbetonierten Pfeiler 23a der einen
keilförmigen Querschnitt aufweist und dessen Schneide nach oben zeigt.
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Bei einer Überflutung des Staudammes 23 - bei Hochwasser -wird das
Wasser vom Turbinenaggregat 24 abgelenkt, das zusammen mit der Absperrarmatur 25
an der unterwasserseitigen Stirnwand des Pfeilers 23a angebracht ist.
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Für die Montage des Turbinenaggregates 24 und der Absperrarmatur
25 ist ein Montageträger 26 vorgesehen, der sich auf den Staudamm 23 und den Pfeiler
23a abstützt und der in den Unterwasserbereich auskragt.
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Unter dem Schutzgehäuse 16 des Turbinenaggregates 24 ist eine Montagebühne
27 angeordnet, die sich auf das Saugrohr 28 abstützt und die bei normalen Betriebsverhältnissen
über dem Spiegel des Unterwassers liegt.
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Um die Befestigung des Turbinenaggregates 24 zu verbessern, ist dieses
mittels Anker 29 zum Staudamm 23 hin verspannt.
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Das Saugrohr 28 ist mittels einer Betonrippe 23b mit dem Pfeiler
23a verbunden und an dieser verankert. Diese Betonrippe 23b verhindert auch, daß
das Saugrohr 28 beim Überfluten des Staudammes 23 direkt vom Wasser angeströmt wird.
Über der Betonrippe 23b ist das Turbinenaggregat 24 angeordnet und kann sich gegebenenfalls
auch auf diese abstützen.
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In Figur 4 ist in einem vertikalen Längsschnitt die Anordnung eines
Turbinenaggregates 24' an einem aufgeschütteten und durch Pfähle verstärkten Staudamm
23' dargestellt. Diese Lösung eignet sich besonders für Entwicklungsländer.
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Hier hat das Flußbett ein stärkeres Gefälle und es ist, um zusätzliche
Energie zu gewinnen, ein längeres Wasserzuführungsrohr 30' auf der Unterwasserseite
des Staudammes 23' angeordnet.
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Die Länge L dieses Wasserzuführungsrohres 30' zwischen Staudamm 23'
und Turbinenaggregat 24' kann 60 - 100 m oder auch mehr betragen.
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Bei dieser Anordnung rückt das Turbinenaggregat 24' aus dem unterwasserseitigen
Turbulenzbereich des Staudammes 23', der sich bei Hochwasser bei Überflutung des
Staudammes 23' bildet. Dies ist ein weiterer Vorteil dieser Anordnung.
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Das Turbinenaggregat 24' ist an einem im Flußboden eingerammten Pfahlgerüst
31' befestigt, das auch einen Montageträger 26' aufweist. Es ist auch wieder eine
Montagebühne 27' vorgesehen. Die Absperrarmatur 25' ist auf der anderen Seite des
Pfahlgerüstes 31' angeordnet.
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Das Turbinenaggregat 24' ist mittels Ankerseilen 29' am Pfahlgerüst
31' verspannt.
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Das Pfahlgerüst 31' kann aus Holzpfählen oder aus Stahlprofil- oder
Betonträgern bestehen. Auch das Wasserzuführungsrohr 30' ist an Pfahlgerusten abzustützen
bzw. zu verankern.
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In Figur 5 ist die Anordnung und Befestigung eines kleineren Pumpenaggregates
32 an einem vertikalen Pfahl 33 dargestellt, der in den Boden des Flußbettes eingerammt
ist. Auch hier ist an dem Pumpenaggregat 32 eine Montagebühne 27'' angeordnet. Am
oberen Ende des Pfahles 33 ist eine Umlenkrolle 34 für ein Montageseil angebracht.
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Um bei der zeitweisen Überflutung dieses Pumpenaggregates 32 mit
vertikaler Welle ein Eindringen von Wasser in das Tropfkammergehäuse 9 zu verhindern,
ist an der Ablauföffnung 9b desselben ein nach unten gezogenes Ablaufrohr 9e für
das Leckwasser der rohrgehäuseseitigen Wellendichtung 10 angebracht.
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Etwas'größere Pumpenaggregate 32 können in Entwicklungsländern auch
an zwei oder mehreren eingerammten Pfählen 33 angeordnet und befestigt werden. -
- -Es sei noch besonders aufgezeigt, daß die Ausbildung des Turbinenaggregates als
Axialturbine in einem Rohrgehäuse gegenüber anderen Typen von Wasserturbinen (z.B.
Querstromturbine) den Vorteil hat, daß - bei gegebenem Gefälle und gegebener wassermenge
- eine besonders hohe Turbinendrehzahl erreicht wird. Dies vermeidet bei den meist
geringen Gefällshöhen von einigen Metern die Notwendigkeit, daß Übersetzungsgetriebe
am Elektrogenerator mehrstufig auszubilden. Auch ist die Anordnung eines Saugrohres
in einfacher Weise möglich.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der vorgeschlagenen axialen Wasserturbine
besteht darin, daß für sie als Kleinwasserturbine vorhandene Laufräder von existierenden
Axialpumpen verwendet werden können.
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Auch die Verlegung des Wasserzuführungsrohres im Unterwassergraben
(Flußbett) kann - besonders in zivilisierten Gegenden -vorteilhaft sein, da dadurch
die Verlegung des Wasserzuführungsrohres außerhalb des Flußbettes mit allen ihren
Problemen (z.B.
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Grunderwerb oder Verkleinerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen)
entfällt.
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Das Rohrgehäuse, das Tropfkammergehäuse und das Schutzgehäuse können
als Schweißkonstruktionen auch in Entwicklungsländern gefertigt werden.