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Gefällumwandler. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen wirtschaftlichen
Ausbau kleiner und veränderlicher Wassergefälle dadurch zu ermöglichen, daß diese
Gefälle durch Umwandlung der auszubauenden Energie vergrößert werden. Dies geschieht
mit Hilfe von Wasserschwingengen. Der Wirkungsunterschied zwischen den bekannten
hydraulischen Widdern und dem Erfindungsgegenstand besteht also darin, daß bei ersteren
die plötzlichen Unterbrechungen der Wasserströmung durch das Absperrventil Wasserstöße
erzeugen,
was beim Erfindungsgegenstand vermieden wird, weil die
Wassergeschwindigkeit, wegen der völlig auslaufenden Wasserschwingung bis auf den
Wert Null sinkt. Zur Durchführung des neuen Schwingungspriii-Z ips s mit voll'auslaufenden
Schwingungen ist gemäß der Erfindung iin wesentlichen die Einrichtung getroffen,
daß ein oben offener Schacht mit dem Oberwasserbecken, dem Unterwasserbecken und
einem Hochbehälter in `Verbindung steht bzw. durch Abschlttßvorriclitungen von ihnen
absperrbar ist, iii «-elchen nacheinander eine Wasserschwingung voni Oberwasserbecken
zum Schacht, v oin Schacht zum Hochbehälter und vom Schacht zum Unterwasser stattfindet,
indem die jeweilige Absperrvorrichtung zwanglätifig ge-(>ffnet und die jeweilige
Rückschwingung durch Schließen der betreffenden Absperrvorrichtung verhindert wird.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ähnliche Ausführungsheispiele dieses Wasserschvvingungsprinzips.
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Auf den Zeichnungen ist eine Anzahl voll Ausführungsbeispielen für
Umwandler scheniatisch dargestellt.
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Abb. t zeigt einen Dreitakt-Gefällsverinehrer für atmosphärischen
Druck, Abb. 2 einen Dreitakt-Gefällsverniinderer für atmosphärischen Druck.
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Abb. 3 betrifft einen Dreitakt-Auftransforniator für Unterdruck, Abb.
d. einen Dreitakt-Gefällsvermehrer für (1)erdruck.
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Abb. 5 ist ein Zweitakt-Gefällsverminderer für atmosphärischen Druck,
Abb.6 ein Zweitakt-Gefällsverinehrer für Unterdruck, Abb. j ein Zweitakt-Gefällsvermehrer
für Cherdruck.
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Abb. 8 veranschaulicht einen Dreitakt-Gef:illsvertnehrer finit Druckbehälter
an Stelle des Oberwassers, Abb. 9 einen Dreitakt-Gefällsverniehrer mit. unterhalb
des Umwandlerschachts angeordiietein Druckbehälter.
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Abb. io zeigt einen Zweitaktuinwandler finit Überfall, wodurch die
Hochhehälterabsperrvorrichtung überflüssig ist.
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:Mili. i i ist ein Zweitaktumwandler, bei dein die Hochbehälterabsperrvorrichtung
durch eine Hebervorrichtung beim Hochbehälter ersetzt ist.
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Abb. 12 stellt eine Gesamtanlage mit elektrischer Steuerung dar.
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Abb. 13 gibt ein Ausführungsbeispiel für die Luftventilsteuerung
eines Zweitakt-Gefällsvermehrers.
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Abb. 14 zeigt eine Leistungsregelvorrichtung für einen Dreitaktumwandler,
die durch Vermehrung oder Verminderung der im Umwandlerschacht vorhandenen Luftnienge
wirkt,
| und zwar durch Wasserablaß oder Wasserzu- |
| satz in einem Windkessel. |
| Abb. t 5 zeigt eine Leistungsrege@vorrich- |
| tung, die durch Veränderung der im CTin- |
| "vandlerschacht vorhandenen Luftinen,,-e |
| wirkt, hier jedoch mittels verstellbaren Is`ol- |
| bens. |
| Der Schacht r (Abb. r) steht mit dein |
| Olierwasserslyiegel Oli@p und dem Unter- |
| @i-assei- UI1' aliwecliselnd durch die Verbin- |
| dungskrümmer 2 bzw. 3 in Verbindung, was |
| durch die .@1>slierrv@irrichtunp;en 4 und |
| regelt wird. Ferner fflirt vom Schacht r ein |
| Itrünimer 6 finit Absperrvorrichtung ' zti |
| einem Hochbehälter ; . Der zwischen .lein |
| Wasserspiegel OIi-s im Hochbehälter ti.if-l |
| dein L nterwassei-spiegel Z'll" bestehende |
| I3(*ihenuiiterschied ist das gewünschte ver- |
| niehrte Gefälle Hs, an das die Turbinen o |
| angeschlossen werden. Bei geschlossenen |
| Absperrvorrichtungen d.. ; und 9 sei der |
| Schacht i so weit finit Wasser gefüllt. <iaß der |
| Spiegel S' sich noch unter der Spiegelhöhe des |
| Unterwassers ('TV befindet. öffnet man nun |
| zwecks Atiftransforinierens clie Absperrvor- |
| richtung :f, so tritt firn Sinne des Pfeiles I |
| eine Wasserschwingung H, ein, bei deren Be- |
| endigung (von den während der Schwingung |
| auftretenden Energieverlusten abgesehen) der |
| Schachtspiegel in die Ausschlagstellung S" |
| gelangt. Um das Zurückschwingen zu ver- |
| hindern, nitiß in diesem Augenblick die Ab- |
| sperrvorrichtung d schon wieder geschlossen |
| sein. Der Schwingungsweg H, ist fast gleich |
| dein doppelten Höhenunterschied zwischen |
| Oberwasserspiegel und Schachtanfangspie- |
| gel S'. Dieser Höhenunterschied darf einen |
| gewissen Wert nicht unterschreiten, damit |
| am Ende der Schwingung der Schachtspiegel |
| sich höher als der Hochbehälterspiegel OIT-s |
| einstellt. Wird nach Schluß der Absperr- |
| vorrichtung .4 am Ende der Schwingung die |
| Absperrvorrichtung 8 geöffnet, so tritt im |
| Sinne des Pfeils 1I eine zweite Wasser- |
| schwingung H_ ein, bei deren Beendigung der |
| Schachtspiegel sich in die dein Hochbehälter- |
| spiegel Oli's entsprechende Ausschlagstellun |
| S"' absenkt, aber noch über dem Unterwasser- |
| spiegel ULI' bleibt. Rechtzeitiges Schließen |
| der Absperrvorrichtung ,verhindert wieder |
| das Zurückschwingen. Durch die zweite |
| Schwingung ist ein Teil der bei der erstea |
| Schwingung in den Schacht gelangten |
| Wassermenge aus dem Schacht in den Hoch- |
| behälter ausgetreten. #Iffnet inan nun die |
| Absperrvorrichtung _#, so tritt im Sinne des |
| Pfeils III eine dritte Schwingung ein, bei |
| deren Beendigung der Schachtspiegel in die |
| zum Unterwasserspiegel ' gehörende Aus- i |
| schlagstellung S"" gelangt. Die Absperrvor- |
| richtung 5 schließt sich rechtzeitig zum Ver- |
hindern des Zurückschwingens. Damit behufs Erzielens eines Dauerbetriebes
die drei Schwingungen eine beliebig oft wiederholbare U mwandelperiode bilden, muß
der Spiegel S"" (lern Anfangsspiegel S' entsprechen. Dies ist aber nur dann möglich,
wenn zu Beginn der ersten Schwingung der Höhenunterschied zwischen Oberwasserspiegel
OIi'p und dem Anfangsspiegel S' im Schacht gleich dein @-erinehrten Gefälle Hs ist.
Während der dritten Schwingung tritt der nach der zweiten Schwingung übriggebliebene
Wasserüberschuß über die Schachtanfangsfüllung aus dein Schacht in (las Unterwasser
aus.
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Die neue Art von Gefällumwandler hat den weiteren Vorzug, daß die
Endgefälle Hs, an «-elches die Turbinen angeschlossen werden, konstant gehalten
werden kann, selbst wenn das Anfangsgefälle sich ändert. Hierdurch werden die Turbinen
unabhängig von den Schwankungen des Anfangsgefälles und können iininer mit derselben
vorteilhaftesten Umdrehungszahl laufen. Beim Konstanthalten des Endgefälles Hs bleibt
die der ersten Schwingung H, entsprechende Füllwassermenge Z'1 des Schachts dieselbe.
Mit der Aiderung des Anfangsgefälles ändert sich nur die der zweiten Schwingung
entsprechende Wassermenge T%" da der sie darstellende Schwingungsweg TI., in seiner
Größe immer gleich dem doppelten Anfangsgefälle ist.
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Eine Gefällsverminderung geschieht ebenfalls durch drei Schwingungen
(Abb. a). Das Füllwasser tritt vorn Unter w asser in den Schacht i, dessen Wasserspiegel
sich tiefer als der Unterwasserspiegel ETW in der Stellung S' befindet, mit einer
Schwingung ein und erreicht die dem Unterwasserspiegel entsprechende Ausschlagstellung
S", die noch unterhalb des Anfangsoberwasserspiegels OlTf"p sich befindet. Hierauf
tritt eine Wasseririenge vom Anfangsoberwasser in den Schacht mit einer zweiten
Schwingung ein bis zur entsprechenden Ausschlagstellung S"'. Zum Schluß tritt die
Summe der während der beiden ersten Schwingungen in den Schacht gelangten Wassermengen
mit einer dritten Schwingung in den Behälter ; aus und erreicht die zwischen Ober-
und Unterwasserspiegel befindliche Höhe des Oberwasserendspiegels. Damit am Ende
der dritten Schwingung der Schachtspiegel wieder in dieselbe Stellung gelangt, die
er zu Beginn der ersten Schwingung eingenommen hat, muß in solchem Augenblick der
Höhenunterschied zwischen Oberwasserendspiegel OLVs und Anfangsspiegel S' im Schacht
gleich dem Anfangsgefälle Hp sein.
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Dieser Umwandler gestattet noch nicht, bei gegebenen äußeren Spiegellagen
die Umwandlung mit beliebig kleinen Wassermengen durchzuführen und eine Regelbarkeit
durch Anderung der Schachtfüllung 'zu erzielen. Außerdem ergibt sich für den Fall,
daß die äußeren Spiegellagen einen großen SchwingtiIigsweg Hl bz-,v. H= erfordern,
ein langer Schacht und ein in der Herstellung teurer Umwandler, abgesehen davon,
daß zu große Schwingungswege wegen der dabei ini allgemeinen auftretenden größeren
Geschwindigkeiten und Verluste den liydrauli 3che_ri Wirkungsgrad ungünstiger gestalten.
Um den Umwandler regelbar zu inachen, läßt man die Schwingungen nicht mehr bei atmosphärischein
Druck, sondern zum Teil mit Unter- oder Überdruck vor sich gehen (Abb. 3 und .I).
Bei einem derartigen Gefällsverinehrer als Beispiel ist der Schacht r an seinem
oberen Ende geschlossen und finit einem Luftventil io versehen. Die erste Schwingtang
beginnt bei geschlossenem Luftventil mit einer weniger tiefen Spiegelabsenkung im
Schacht, als es das Endgefälle bisher erfordert hat, und finit einem zu dieser Anfangsstellting
S' gehörigen, bestimmten Unterdruck (Abb.3). Das Zustandekommen einer Schwingung
ist jetzt nicht mehr durch einen Lagenunterschied allein, sondern auch durch einen
Druckunterschied bedingt. Die Schwingung tritt infolge des Lagendruckunterschiedes
auf, der zwischen dem Anfaiigsoberwasserspiegel OTI'p und dem Schachtspiegel in
der Stellung S' besteht. Dieser Unterschied kann auch dann noch einen positiven
Wert haben und eine Schwingung im Sinne des eingezeichneten Pfeils l hervorrufen,
wenn zu Beginn der Schwingung der Schachtspiegel oberhalb der Höhe des Anfangsoberwasserspiegels
O TVp steht. In diesem Falle muß aber der zugehörige Unterdruck zu Beginn
der Schwingurig einen entsprechend kleinen Wert haben. Während der Eintrittsschwingung
wird, da das Luftventil geschlossen ist, die über dem emporschwingenden Wasserspiegel
befindliche Luft zusainmengedrückt, wodurch der Unterdruck im Schacht zunächst abnimmt,
bis sich beim Erreichen des atmosphärischen Druckes das Luftventil öffnet. Der noch
übrige Teil der Schwingung geht .dann bei atmosphärischem" Druck vor sich. Das Luftventil
schließt sich erst wieder, wenn im Schacht dieselbe Spiegelstellung erreicht ist,
bei welcher bei der ersten Schwingung der Unterdruck begann. Dieses Schließen kann
entweder während der zweiten oder dritten Schwingung erfolgen. Am Ende der dritten
Schwingung, das ist nach Ablauf einer Umwandlungsperiode, stellen sich im Schacht
wieder -dieselben Verhältnisse ein, wie sie zu Beginn der ersten Schwingung vorhanden
waren. Natürlich kann bei gegebenem Hp und verlangtem Hs
die
Umwandlung auch so vor sich gehen, daß «-iihrend dei- ersten Schwingning der atmosphärische
Druck erst bei der Spiegelstellung erreicht wird, finit welcher die dritte Schwitiung
beginnt. In dieseln Falle findet der Test der ersten Schwingung sowie die ganze
zweite Schwingung bei atmosphärischem Druck statt, und nur die dritte Schwingung,
hei deren Beginn (-las Luftventil sich schließen muß, geht dann bei Unterdruck vor
sich. Durch =@uderung des Unterdrucks zu Beginn der ersten Schwingung und der hierzu
gehörigen Anfangsspiegelstellung ändert sich bei gegebenem Anfangs- und Endgefälle
sowohl die Füllwasseranfangsinenge als auch die Auslaßwassernienge,wodurch im Gegensatz
zu früher eine Regelbarkeit des Umwandlers erzielt ist bzw. eilt Arbeiten init beliebig
änderbaren Teilfüllungen ermöglicht ird. Das Uinwandlungsverfahren mit Unterdruck
kann sinngemäß auch für einen Gefällverminderer durchgeführt werden.
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Bei Anwendung von Überdruck läßt sich gleichfalls eine Regelbarkeit
des Umwandlers bzw. ein Arbeiten mit beliebig änderbaren Teilfüllungen erzielen
((Abb. -.j. Der Schacht i ist oben geschlossen und mit einem Luftventil io versehen.
Die erste Schwingung beginnt bei geöffnetem Luftventil mit einer bestimmten Spiegelabsenkung
(Stellung S' ). Während der Schwingung wird das Luftventil im geeigneten Augenblick
geschlossen, worauf das im Schacht «-eiter emporschwingende Wasser die darüber befindliche
Luft so lange zusammendrückt, bis es in der Spiegelstellung S" zur Ruhe gekommen
ist. Das Luftventil, welches gegebenenfalls auch schon zti Beginn der Eintrittsschwingung
geschlossen «-erden kann, wird erst dann wieder geöffnet, wenn während des weiteren
Verlaufs der Umwandlungsperiode der Schachtspiegel wieder jene Stellung erreicht
hat, bei welcher während der ersten Schwingung das Luftventil sich schloß. Nach
erfolgtem Offnen des Luftventils, was während der zweiten oder dritten Schwingung
der Fall sein kann, geht der restliche .Teil der Umwandlungsperiode wieder bei atmosphärischem
Druck gor sich. Auch hier läßt sich wieder erreichen, <laß am Ende jeder Periode
im Schacht sich derselbe Zustand, nämlich atmosphärischer Druck und dieselbe Spiegelstellung
wie zti Beginn der ersten Schwingung einstellt.
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In ähnlicher Weise wird die Umwandlung bei Überdruck durchgeführt,
wenn es sich tun einen Gefällsverminderer handelt. Erfindungsgemäß kann auch eine
Vereinigung von Unter- und Überdruck zur Anwendung gelangen, und zwar in der Weise,
daß die erste Schwingung mit einem Unterdruck beginnt find mit einem Überdruck endigt.
Beim Erreichen des atmosphärischen Druckes öffnet sich (las Luftventil, muß aber
noch vor Beendigung der '--',ch«-ingting geschlossen werdeii. In geschlossenem Zustande
bleibt es. bis während der zweiten oder dritten Schwingung wieder jene Spiegelstellung
erreicht ist, bei der es während der ersten Schwingung geschlossen ist, und bleibt
dann offen, bis die Spiegelstellung erreicht ist, bei der es wührcnd der ersten
Schwingung sich öffnete.
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Die bisher beschriebenen Uttnraitcllei- arbeiten mit drei Schwingungen.
Es läßt sich aber erfindungsgemäß auch finit nur zwei Schwingungen arbeiten, was
den V(irteil hat, dal3 wegen der Verkürzung der Periodendauer die Leistungsfähigkeit
gesteigert wird (Abb. his; ). Das Wasser tritt bei einem 7_weitaka-Gefällsvermehrer
und atmosphärischem Druck vorn Oberwasser durch die geöffnete Absperrvorrichtung
in den oben geschlossenen und finit einem Luftventil io versehenen Schacht i, iii
dein (-las Wasser i Stellung S'_) unter dein Unterwasserspiegel steht, bei geöffnetem
Luftventil finit einer durch den Pfeil I angedeuteten Schwingung ein, veranlaßt,
wenn es in die Höhe der Absperrvorrichtung des Hochbehälters gelangt ist, die Schließung
des Luftventils und öffnet, da es noch in Bewegung ist, diese Absperrvorrichtung.
Es tritt dann ein Teil des Wassers vermöge seiner lebendigen Kraft aus dein Schacht
in den Hochbehälter 7 aus. Diese Ausströmung dauert so lange, bis die Bewegung zur
Ruhe gekommen ist, worauf diese Hochbehälterabsperr- und die Oberwasserabsperrvorrichtung
sich schließen. Das Luftventil öffnet sich und der im Schacht übriggebliebene und
noch von der ersten Schwingung herrührende Rest des Wassers tritt mit einer durch
den Pfeil 1I angedeuteten Schwingung durch die zugehörige Absperrvorrichtung ins
Unterwasser aus. Die während des ersten Teils der Eintrittsschwingung aus dem Schacht
verdrängte Luft tritt durch das geöffnete Luftventil und ein in den Hochbehälter
7 eingebautes und oben offenes Luftrohr i i ins Freie aus. Während beim Dreitaktumwandler
die Füllung des Hochbehälters mit einer eigenen Schwingtrug vor sich ging, erfolgt
dieselbe jetzt beim Zweitaktumwandler noch während der ersten Schwingung, wodurch
die Periodendauer wesentlich verkürzt und die Leistung des Umwandlers also gesteigert
wird.
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Ein Zweitakt-Gefällsverminderer arbeitet bei atmosphärischem Druck
folgendermaßen: Es tritt Wasser vom Unterwasser in den oben geschlossenen und mit
einem Luftventil versehenen Schacht, in dem das Wasser unter dem Unterwasserniveau
steht, bei geöffnetem Luftventil finit einer Schwingung ein. Wenn
der
Schachtspiegel bei Beendigung der Schwingung in seiner oberen Endlage angelangt
ist, wo die Oberwasserabsperrvorrichtung angeordnet ist, wird das Luftventil geschlossen,
diese Absperrvorrichtung und die für das Endoberwasser geöffnet. Das Wasser tritt
nun mit einer zweiten Schwingung aus dem Schacht durch den Auslaufkrümmer aus und
wird auf den zwischen Ober- und Unterwasser befindlichen Endoberwasserspiegel gebracht.
Während des ersten Teiles dieser zweiten Schwingung strömt gleichzeitig durch did
geöffnete Oberwasserabsperrvorrichtung eine Wassermenge bei geschlossenem Luftventil
vom Oberwasser in den Schacht nach, worauf der Rest der Schwingung bei geöffnetem
Luftventil vor sich geht, nachdem die Oberwasserabsperrvorrichtung geschlossen worden
ist. Ein Arbeiten mit kleineren Wassermengen bzw. Teilfüllungen ist hier nicht möglich.
Durch die Anwendung von Unter- oder Überdruck beim Zweitaktumwandier lassen sich
aber wieder dieselben Vorteile erzielen, wie sie sich bei den entsprechenden Dreitaktumwandlern
ergeben haben.
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Bei Anwendung von Unterdruck, beispielsweise im Gefällsvermehrer (Abb.
6), beginnt die erste Schwingung bei geschlossenem Luftventil io mit einer höheren
Anfangsspiegelstellung S', als es das Endgefälle Hs sonst erfordern würde, und welche
unter Umständer. auch über dem Oberwasserspiegel OWP sich befinden kann. Das in
dem Schacht emporschwingende Wasser drückt die darüber befindliche eingeschlossene
Luft zusammen, bis der atmosphärische Druck erreicht und das Luftventil geöffnet
ist. Letzteres bleibt dann so lange offen, bis der Schachtwasserspiegel in die Höhe
der Hochbehälterabsperrv orrichtung 8 gelangt ist. In diesem Augenblick erfolgt
die Schließung desL ufti-entils, und die Füllung des Hochbehälters 7 geht vor sich,
nachdem das in Bewegung befindliche Wasser die unter Druck stehende Hochbehälterabsperrvorrichtung
geöffnet hat. Bei Beendigung der Schwingung schließen sich diese Absperrvorrichtung
und die Oberwasserabsperrvorrichtung, und das Luftventil geht auf. Das von der ersten
Schwingung im Schacht übriggebliebene Wasser tritt jetzt mit einer zweiten Schwingung
ins Unterwasser aus. Während der letzteren wird das Luftventil erst wieder beim
Erreichen derjenigen Spiegelstellung geschlossen, bei der es während der ersten
Schwingung aufgegangen ist, und dieses Aufgehen muß spätestens beim Erreichen der
Unterwasserabsperrvorrichtung erfolgen. Hätte sich die Eintrittsschwingung in einem
entsprechend hohen Schacht ungehindert ausbilden können, so wäre der Schachtspiegel
aus seiner Stellung S' in die in Abb. 6 gestrichelt dargestellte Stellung S" gelangt.
Dadurch, daß während der zweiten Schwingung das Luftventil verschieden lange offengehalten
wird, erhält man am Ende dieser Schwingung immer eine andere Spiegellage und einen
anderen zugehörigen Unterdruck. welche zusammen bei der darauffolgenden Eintrittsschwingung
immer eine andere Füllung bzw. Anfangsfüllwassermenge ergeben, wodurch eine Regelbarkeit
des Zweitakt-Unterdruck-.umwandlers gegeben ist.
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Ein Überdruck-Zweitakt-Gefällsvermehrergemäß der Erfindung arbeitet
in folgender Weise: Der Schacht i besteht (Abb. 7) aus zwei Teilen. Der untere Teil
enthält an seinem oberen Ende die Absperrvorrichtung 8, durch die er mit dem Hochbehälter
7 in Verbindung gebracht werden kann, und ein Luftventil io; das in geöffnetem Zustande
die Verbindung reit dem oberen Teil des Schachts herstellt. Letzterer ist nur mit
Luft gefüllt und besitzt an seinem oberen Ende ein Luftventil i2. Die erste Schwingung
beginnt mit einer bestimmten Spiegelabsenkung (Stellung S') und bei geöffneten Luftventilen
io und 12, aber bei geschlossener Absperrvorrichtung B. Während der Schwingung schließt
sich das obere Luftventil i2 in einem bestimmten Augenblick, was unter Umständen
auch schon zu Beginn der Schwingung der Fall sein kann. Vom Augenblick des Schließens
an drückt das in dem Schacht emporschwingende Wasser die darüber befindliche Luft
zusammen, bis beim Erreichen der Absperrvorrichtung 8 das in ihrer Höhe angeordnete
Luftventil io sich schließt. Hierauf tritt ein Teil des in den Schacht gelangten
Wassers unter Druck in den Hochbehälter aus. Bei beendeter Schwingung schließt sich
die Absperrvorrichtung 8 von selbst, und das Luftventil io öffnet sich, worauf der
im Schacht verbleibende Rest mit einer zweiten Schwingung aus dem Schacht ins Unterwasser
austritt. Während dieser zweiten Schwingung dehnt sich das in dem oberen Teil des
Schachtes während der Hochbehälterfüllung eingeschlossen gewesene Luftvolumen bis
auf den atmosphärischen Druck wieder aus, und dieser wird bei derselben Spiegelstellung
wie bei der ersten Schwingung erreicht. Sinngemäß läßt sich diese Umwandlung auch
für einen Gefällsverminderer durchführen.
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Bei der Zweitaktumwandlung kann auch gemäß der Erfindung eine Vereinigung
von Unter- und Überdruck zur Anwendung gelangen. Für den Fall eines solchen Gefällsvermehrers
(Abb. 7) nimmt während der mit einem Unterdruck beginnenden ersten Schwingung der
Druck zu, bis der atmosphärische
Druck erreicht ist. In diesem
Augenblick öffnet sich das Luftventil 12 und bleibt dann entweder ntir einen Augenblick
oder längere Zeit offen, inuß aber noch vor Er reichen der Hochbehälterabsperrvorrichtung
geschlossen werden. Vom Augenblick dieses Schließens an findet ein Zusammendrucken
der über dein Schachtspiegel befindlichen Luft statt. Wenn derselbe in die Höhe
der genannten Absperrvorrichtung gelangt, so schließt sich das untere Luftventil
io, wodurch die im oberen Schachtteil zusaminenge(lrückte Luft abgeschlossen wird.
Die Absperrvorrichtung öffnet sich, und ein Teil des in den Schacht gelangten Wassers
tritt unter Druck in den Hochbehälter aus, woraufhin sich die Absperrvorrichtung
von selbst schließt und das Luftventil io sich öffnet. Während der zweiten Schwingung
dehnt sich die iin oberen Schachtteil zusammengedrückt gewesene Luft wieder aus.
bis sich beim Erreichen des atmosphärischen Druckes das Luftventil 12 öffnet. Dies
erfolgt bei derselben Spiegelstellung wie hei der ersten Schwingung. Das Luftventil
12 schließt sich auch wieder hei derselben Spiegelstellung, bei der es während der
ersten Schwingring aufgegangen ist. Vorn Atigenhlick des Schließens des Luftventils
12 an findet eine Airsdehnung der eingeschlossenen Luft statt. his ain Ende der
zweiten Schwingung im Schacht -,nieder dieselbe Spiegellage und derselbe Unterdruck
sich einstellen. wie sie zti Beginn der ersten Schwingung firn Schacht vorhanden
waren. Sinngemäß läßt sich diese Vereinigung von Unter- und t`bcrdrudc auch bei
dein Zweitakt-Gefällsverminderer anwenden.
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Bei der beschriebenen Gefälletimwandlung und ihren Abä nderungsmöglichkeiten
können an'Stelle des freien Ober- und Unterwassers sowie des offenen Hochbehälters
auch geschlossene Behälter treten, deren Wasserspiegel unter einem anderen Druck
als dein atmosphärischen sich befinden, und die im allgemeinen mit den Ahscblußteilen
in beliebiger Hiihe angeordnet werden können. In Abb. 8 ist beispielsweise ein Dreitakt-Gefällsverinehrer
schematisch dargestellt. bei (lern das Oberwasser durch den geschlossenen Behälter
13 ersetzt ist, in dein sich das Wasser unter Druck befindet, dadurch z. B., daß
der Behälter 13 durch eine Rohrleitung i.I mit einem hochgelegenen Wasserturm 15
in Verbindung steht. Das Unterwasser ist frei und offen. Der Hochbehälter ; ist
wieder geschlossen, und dessen Oberwasserspiegel ()<c.r befindet sich unter Druck.
Der Hochdruckbehälter 7 könnte auch auf ebener Erle angeordnet sein, nur muß dann,
um an dein Endgefälle nichts zu ändern, der Druck in demselben um so viel erhöht
bzw. die Druckhöhe um so viel vergrößert «-erden, als der Behälterspiegel gesenkt
wird.
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Der Hochdruckbehälter, der beim Gefällvermehrer an Stelle des offenen
Hochheh@ilters tritt sowie der C>her«-asserdruclchehälter, der heim Gefällverminderer
an Stelle des offenen Anfangsoberwassers tri!t, kani, auch unterhalb des Umwandlungsschachtes
zwischen Ein- und Auslauf an.eordnet (Abh.9). Beispielsweise bei einem solchen Dreitakt-Gefällverrnehrer
beginnt @lie erste Schwingung finit der ;;piegelstelltiiig S" und einem entsprechenden
Unterdruck. Zti lnde der Einströmung erreicht der Schacht -spiegel die Stellung
S". Nun beginnt die zweite Schwingung, indem die sekundären Abschlußorgane 8 aufgehen
und der durch die Spiegelstellungen S"' und S" gegebene Teil (Sel:und:irwassernienge)
des in den Schacht eingetretenen Wassers (Pritnärwasserinenge t urfiter Druck in
den zwischen Ein- und Auslauf unterhalb des Schachtes befindlichen Druckbehälter
; austritt. In dein Augenblick, wenn der Behälterdruck zti überwiegen beginnt, gehen
die sekundären Auslaßorgarie von selbst zu. Jetzt werden die primären Auslaßorgane
5 geöffnet, worauf der durch die Spiegelstellungen S"' und S` gegebene Rest des
Wassers mit einer dritten Schwingung ins I`nterwasser austritt. Bei einem Zweitakttransformator
müßte im Falle de,-Gefällevergrö ßerung die Ffllung des sehttt:-dären Druckbehälters
während des ersten Teiles der zweiten Schwingung erfolgen. ;in Falle der Gefä lleverkleinerung
die primäre Nachströmung aber während des letzten Teil> der erstem Schwingung erfolgen.
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Erfolgt die Umwandlung durch zwei Schwingungen, so kann @lie Füllung
des Hochbehälters ; (Abh. io und i i ) auch ohne Absperrvorrichtung vor sich geben.
Der Schacht i kann erfindungsgemäß an seinem oberen Ende als Cberfall 1; ausgebildet
werden, der den Schachtraitni vorn Hochbehälterwasser trennt Lind über welchen Cberfall
dam! die Füllung des Hochbehälters 7 erfolgt. heiii:iß Abb. i i kann aber auch der
Schacht 1 oben in seiner weiteren Fortsetzung als lieberartiges Rolir 6 ausgebildet
sehr. das finit einem Belüftungsventil versehen, finit ihrem mitsprechend erweiterten
Ende 18 von oben ilt (las Wasser des Hochbehälters 7 eintaucht. Uni hei Zweitaktumwandlern
unzulässige Wasserniassendrücke auf die Abschltilaorgatie zu vermeiden und ein stoßfreies
öffnen oder Schließen derselben zu erzielen, wird geinä 1l Abb. 6 und 7 (las Luftventil
io ein wenig über der- Absperrvorrichtung S angeordnet und geschlossen, bevor der
Wasserspiegel es erreicht.
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Zur Steuerung der Abschlußteile i9
(Abb. 12) mit den
Drehzapfen 2o dienen die Einzelgestänge 22 und das gemeinsame Gestänge 25 für ein
Drehklappenfeld und ein mit Drucköl oder Druckwasser wirkender Servomotor 26. Die
zu je einem Feld gehörigen Servomotoren sind hydraulisch parallel geschaltet und
erhalten die Druckflüssigkeit von einer gemeinsamen Steuermaschine bzw. von einem
gemeinsamen Druckflüssigkeitserzeuger 27. Damit auch im Falle ungleicher
Bewegungswiderstände der einzelnen Drehklappenfelder eine gleichzeitige und phasengleiche
Bewegung der Drehklappen gesichert werde, sind die zu den einzelnen Drehklappenfeldern
gehörenden gemeinsamen Antriebsgestänge 25 miteinander mecfianisch gekuppelt. Der
Kolben 28 der gemeinsamen Steuerniaschine 27 wird von einem ständig umlaufenden
Motor 29 über ein dazwischen geschaltetes Kurbelgetriebe 30 mit zeitlich
smusförmiemGeschwindigkeitsverlauf immer nur dann' hin und her bewegt, wenn die
Welle 31 des Kurbelgetriebes unter* Zwischenschaltung einer entsprechenden Übersetzung
32 mit der ständig umlaufenden Antriebsncotorwelle 33 durch eine auf derselben befindliche
elektromagnetische Kupplung 34. für die Dauer einer halben Umdrehung gekuppelt wird.
In diesem Falle gelangt die aus dem Zylinder 27 der Steuermaschine verdrängte Druckflüssigkeit
in die zu jedem Drebl:lappenfeld gehörenden Servomotoren 26. Hierdurch wird der
Kolben bzw. die an demselben hängenden Antriebsgestänge 25, 22 verstellt und damit
die Drehklappen 19 der Abschlußteile geöffnet oder geschlossen. Die aus den Servomotorzylindern
26 verdrängte Druckflüssigkeit gelangt wieder in den Zylinder der Steuermaschine
27 zurück. Auf diese Weise « ird eine kraftschlüssige, synchrone Bewegung der Servomotorkolben
und des Kolbens der Steuermaschine erzielt. Der Zylinder der Steuermaschine ist
mit einem durch die Elektromagnete 35 unisteuerbaren Ventil (Kolbenschieber) 36
versehen, zu dem Zwecke, die Steuerung auch von zweierlei Abschlußteilen, wie z.
B. der Ein- und Auslaßvorrichtungen .;_ und 5 in Abb. 12, bewerkstelligen zu können.
Der Beginn der ()fnungs- und @ch@ießhe«-egu itg dieser Abschlußteile wird durch
die Schwingungen selbst in folgender Weise gesteuert. Irgendeine auf Strömung' #;geschwindigkeiten
ansprechende und entsprechend einstellbare Vorrichtung, z. B. ein Pitotrohr oder
eine Membrankontaktvorrichfung 37, schließt einen elektrischen Stromkreis, wenn
die Strömungsgeschwindigkeit Null oder nahezu \u11 ist, was zu Beginn und am Ende
einer jeden Schwingung der Fall ist. Durch den Stromschluß wird die elektromagnetische
Kupplung 34 eingeschaltet und. hierdurch die U )ffnungs- oder Schließbewegung der
Abschlußteile eingeleitet. Nach einer halben Umdrehung der gekuppelten Welle 31,
das ist im Augenblick der Vollendung der öfnungs-oder Schließbewegung, wird die
elektromagnetische Kupplung selbsttätig abgeschaltet. Die aus dem Zvlinder der Steuermaschine
27 herausgeführte Kolbenstange 38 besitzt einen Anker 39, der nach vollendetem Hub
durch einen der jeweiligen Totpunktstellung entsprechenden Elektromagneten 40 festgehalten
wird, damit infolge der Wirkung der bewegten Massen das Kurbelgetriebe nicht über
die Totpunktlage hinaus sich «-eiterdrehe und damit eine unerwünschte Rückschwingung
des Kolbens 28 verhindert werde. Damit trotz gleichzeitigen Kontakts an den beiden
Membran-Kontaktapparaten 37 die Ein- und Auslaßvorrichtungen nicht gleichzeitig,
sondern entsprechend nacheinander auf und zugehen, müssen dieselben gegeneinander
verriegelt sein. Eine auf hydraulischem Wege durchgeführte Verriegelung ist (Abb.12)
durch die entsprechende Ausbildung des Kolbenschiebers 36 angedeutet, durch die
verhindert wird, daß die Servomotoren 26 beider Absperrvorrichtungen -t und 5 gleichzeitig
Druckflüssigkeit erhalten und die Teile gleichzeitig bewegt werden. Die Kolbenstange
des Kolbenschiebers besitzt einen Anker und an den Totpunktstellungen desselben
die schon früher erwähnten Elektromagnete 35, die nicht nur zur Umsteuerung, sondern
auch gleichzeitig zum Festhalten des Kolbenschiebers in dessen Totpunktstellung
dienen. Behufs selbsttätiger Durchführung aller für die Steuerung der Abschlußvorrichtungen
erförderlichen elektrischen Schaltungen wird voit cler Welle 31 des Kurbelgetriebes
3o eine Schaltwalze 41 angetrieben, die in Abb. 12 in der Draufsicht schematisch
dargestellt ist. Diese Walze besteht aus einer entsprechenden Zahl von Schleifringen
42, die aus leitenden und nichtleitenden Segmenten bestehen. Auf diesen Schleifringen
schleifen feste und selbsttätig verstellbare Doppelbürsten 43, die in die einzelnen
zur Steuerung dienenden Hilfsstromkreise eingeschaltet sind. Die Hilfsstromkreise
werden so lange geschlossen gehalten, wie die Doppelbürsten sich auf den leitenden
Segmenten der Schleifringe befinden.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Luftventile tound 12 (Abb. 13) eines
Zweitakt-Gefällvermehrers besteht aus einem Svstem von im Kreise angeordneten Drehklappen
.45, die im Winkel zueinander stehen. An den oberen Stirnseiten sind sie mit je
einem Drehhebel 46 verbunden. Die Drehhebel der in dem einen Sinne gerichteten Drehklappen
werden durch ein biegsames Band, Seil oder Kette 4.7 miteinander verbunden, ebenso
wie die Verbindang
der Drehhebel der in dem anderen Sinne gerichteten
Drehklappen durch ein zweites derartiges Mittel erfolgt. Beide Zugorgane 4; werden
durch ein Knieliebelgestänge .IR gegenläufig bewegt, das an zwei benachbarten Drehklappen
mittels zweier Drehhebel .l9 angreift. Dadurch werden die Luftdrehklappen .15 geöffnet
und geschlossen. Das Kniehebelgestiinge 48 führt die Offnungs- und Schließbewegung
dadurch aus, daß auf dasselbe die Kolbenstange ;o eines elektrisch gesteuerten Drtickluftz-,"llil(Iul'S
51 wirkt. Der Beginn der Ottnungs- und Schließbewegung des Luftventils bzw.
der Luftdreliklappen wird durch die Schwingungen selbst in folgender Weise gesteuert.
Ein im Schacht i vorgesehener Schwinnner 52 treibt mittels der Seilrolle 53 über
eine entsprechende l'bersetzung 5-1 eine aus drei Schleifringen 5;, 56 und 3;7 bestehende
elektrische Schaltwalze an. Auf diesen drei Schleifringen, die je aus einem leitenden
und einem nichtleitenden Segment bestehen, schleift je eine Doppelbürste 58, 59
und 6o. Die Doppelbürsten 58 und 59 sind in die beiden zur Steuerung des Druckluftzylinders
51
i dienenden Hilfsstromkreise eingeschaltet und schließen oder unterbrechen
dieselben, je j nachdem sie auf den leitenden oder nichtleitenden Teil der Schleifringe
55 und 56 zti stehen kommen. Die auf dein dritten Schleifring 57 schleifende Doppelbürste
6o ist in den Stromkreis der Bürste 58 eingeschaltet, so llaß dieser Stromkreis
erst dann geschlossen wird, wenn auch die Doppelbürste 6o sich auf dein leitenden
Segment des Schleifringes 5 ,-
befindet. Wenn nun der Schwimmer während der
ersten Schwingung jene Lage erreicht hat, bei der das Luftventil aufgehen soll,
so muß die eine Doppelbürste ;8 auf dein leitenden Teil des -rotierenden Schleifringes
55 auf- .. liegen und die Doppelbürste 6o auf den leitenden Teil des Schleifringes
57 gerade auflaufen. Ist dies der Fall, so wird der eine Steuerstromkreis geschlossert
und der Druckhiftzylinder im Sinne des öftnens der Luftdrehklappen umgesteuert.
Hierdurch gelangt die Druckluft von der einen Seite in den Druckluftzylinder und
öffnet durch Verstellen des Kolbens 61 die Luftdrehklappen. In demselben Steuerstromkreis
befindet sich aber noch ein Elektromagnet 62, der den Kolben dann in seiner Totpunktlage
festhält. In dein Augenblick, in dein der Schwimmer in seiner oberen Endlage, das
ist in der Höhe der Absperrvorrichtungen 8 allgelangt ist, muß die Doppelbürste
58 von dein leitenden Segment des Schleifringes 55 ablaufen und gleichzeitig die
Doppelbürste 5< auf dein leitenden Teil des Schleifringes ;6 sich hefinden. I-Iirr,lilrcli
wird der Festhalteinagnet 62 abgeschaltet und der zweite Stromkreis geschlossen,
der den Druckluftzylinder im Sinne des Schließens Aer l.tiftrlrelilclappen umsteuert.
Die Doppelbürste (io befindet sich noch immer auf dein leitenden Teil des Schleifringes
57. Gleichzeitig finit dem Abschalten des einen Festhalteinagneten 62 wird der andere
Festhalteinagnet 62' eingeschaltet, der dann den Kolben des Druckluftzvlinders in
der anderen Totpunktlage festhält. Nach @lem Schließen der Luftdreliklappen erfolgt
die Füllung des Hochbehälters. Mit der Beendigung der Füllung schließt sich mit
Hilfe der zuvor beschriebenen Steuerung die Einlaßvorrichtung des Oberwassers und
öffnet sich die Auslaßvorrichtung zum Unterwasser. Zur Ausströmung ist aber noch
ein Öffnen der Luftdrehklappen erforderlich. Zu diesem Zwecke wird mittels der am
Gestänge der Oberwasserabschlußvorrichtung angebrachten Knagge 63 und Kontaktumschalter
6.1 und 65 der Stromkreis der Doppelbürste 59 unterbrochen und der Stromkreis der
Bürste 58 geschlossen. Dies kann entweder bei rler Schließbewegung der Oberwassereinlaßvorrichtung
oder zweckmäßiger bei der Offnungsbewegung der Unterwasserauslaßvorrichtung erfolgen.
Während der Ausströmung wird infolge der rückläufigen Bewegung des Schwimmers dieselbe
Steuerung, aber in der umgekehrten Reihenfolge durchgeführt.
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Die Leistungsregelung kann z. B. in der Weise erfolgen, daß zwischen
den Schwingungen einer Periode oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Perioden
Ruhepausen eingeschaltet «-erden. Die mit Unter- und Überdruck arbeitenden Umwandler
können auch in der Weise geregelt werden, daß entweder der Teil des Schwingungs-,veges,
den der Schachtspiegel bei geöffnetem Luftventil beschreibt, geändert wird oder
daß die zusammenzudrückende bzw. auszudehnende Luftmenge geändert wird. Schließt
man z. B. bei einem mit Unterdruck arbeitenden Zweitakt-Gefällvermehrer während
der z«-eiten Schwingung das Luftventil bei einer anderen Spiegelstellung als es
früher der Fall «-ar, so erhält man am Ende dieser Schwingung bzw. der Periode eine
andere Schachtspiegellage und einen anderen zugehörigen Unterdruck als zuvor. Da
aber die erste Schwingung der nächsten Periode mit diesen geänderten Verhältnissen
beginnt, ändert sich die Füllung des Umwandlers und somit dessen Leistung.
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Die Leistungsregelung kann auch durch Änderung der zusammenzudrückenden
bzw. auszudehnenden Luftmenge erfolgen. So wird z. B. die Luft (Abb. ,q.) bei einem
Dreitaktunnvandler mit dem Hochbehälter 7 zum Teil in einem den Schacht i an dessen
oberen Ende umgebenden und niit einen, Luftventil ve,-sehenen Behälter 6() untergebracht,
iler zum
Teil mit Wasser gefüllt ist. Durch Zu- oder Ableiten von
Wasser, was bei geöffnetem Luftventil erfolgen muß, wird in dem Behälter der Wasserspiegel
und damit die zu komprimierende bzw. zu expandierende Luftmenge geändert.
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Die Änderung der Luftmenge kann (Abb. 15) auch in der Weise erfolgen,
daß ein im oberen Teil des Schachts i vorgesehener und mit dem Luftventil io versehener
Kolben 67 verstellt wird.
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Die Leistungsregelung kann ferner auch selbsttätig mittels eines Schwimmers
in Abhängigkeit von einem sich ändernden äußeren Wasserspiegel erfolgen. Handelt
es sich z. B. um einen Gefällvermehrer, so wird man zweckmäßigerweise die selbsttätige
Leistungsregelung in Abhängigkeit vom Wasserstande im Hochbehälter durchführen.
Beispielsweise läßt sich (Abb. 13) der Teil des Schwimmerweges, den der Schachtspiegel
bei geöffnetem Luftventil beschreibt, in Abhängigkeit vom Oberw asserendspiegel
O Ws ändern. Ein im Hochbehälter 7 vorgesehener Schwimmer 68 verstellt, wenn sich
der Oberwasserendspiegel ändert, die auf dem Schleifring 57 aufliegende Doppelbürste
6o, wodurch der Beginn des Stromschlusses bzw. der Beginn der öffnungs- oder Schließbewegung
des Luftventils geändert wird. Beim tiefsten Wasserstand im Hochbehälter muß die
Doppelbürste 6o gerade (las leitende Segment des Schleifringes 57 berühren, damit
das Luftventil gleich zu Beginn der Eintrittsschwingung aufgeht und die Leistung
des Umwandlers am größten wird, In dem Maße, wie der Oberwasserendspie gel
O Ws steigt, wird durch den Schwimmer die Doppelbürste von dem leitenden
Segment auf das nichtleitende Segment verstellt, so daß die Doppelbürste 6o erst
nach einer bestimmten Verdrehung der Schaltwalze bzw. nach Zurücklegen eines bestimmten
Spiegelweges im Schacht auf das leitende Segment des Schleifringes 57 aufläuft und
demnach im Sinne der beabsichtigten Leistungsverringerung erst später das öffnen
des Luftventils bewirkt. Der im Hochbehälter 7 vorgesehene Schwimmer 68 kann auch
noch dazu verwendet werden, beim Erreichen des höchstzulässigen Wasserstandes die
zur Beeinflussung 'der Wasserabschlußteile dienenden Steuerstromkreise durch Ausschalten
eines Endschalters zu unterbrechen *und damit den Umwandler so lange außer Betrieb
zu halten, bis der Oberwasserendspiegel sich wieder unter seinen höchstzulässigen
Stand gesenkt hat. In diesem Falle schließt sich der Endschalter, und der Umwandler
kann von neuem arbeiten. Ändert sich während des Betriebes (las Anfangs- oder Endgefälle,
gegebenenfalls auch beide zugleich, so paßt sich der Um-Wandler den neuen äußeren
Spiegellagen entweder von selbst mit allmählichem Übergang an, oder diese Anpassung
wird erzwungen. Bei einem ohne Unterdruck oder Überdruck arbeitenden Umwandler können
die Anfangs-oder Endspiegellagen im Schacht den neuen äußeren Spiegellagen entsprechend
eingestellt werden, wodurch sich natürlich die Füllung und Leistung des Gefällvermehrers
ändert. Arbeitet aber der Umwandler finit Über- oder Unterdruck, so kann unter Beibehaltung
derselben Füllung und Leistung die Anpassung an die neuen äußeren Spiegellagen in
der Weise erzwungen werden, daß entweder (las Luftventil über einen entsprechend
größeren oder kleineren Teil des Schwingungsweges offen gehalten wird, oder die
zu verdichtende bzw. zu verdünnende Luftmenge entsprechend geändert wird.