-
Vorrichtung zur Regelung der ausgenützten sekundlichen Betriebswassermenge
bei Wasserrädern. Gegenstand der Erfindung sind Zelleneinlagen für Wasserräder,
mittels welcher die Oberwasserspiegelhöhe sowie die Drehungsgeschwindigkeit des
Wasserrades im wesentlichen aufrechterhalten werden können, wenn infolge der natürlichen
Zuflußverhältnisse die verfügbare sekundliche Betriebswassermenge sinkt oder steigt
oder wenn Änderungen im Kraftbedarfe eine Herabminderung oder Erhöhung der ausgenutzten
'se'kundlichen Betriebswassermenge erheischen, wobei im Falle der Erhöhung des Kraftbedarfes
das Vorhandensein einer die Steigerung der sekundlichen Betriebswassermenge ermöglichenden
Wasserreserve vorausgesetzt wird.
-
In den Zeichnungen ist beispielsweise eine vollständige Wasserkraftanlage
dargestellt, für welche zufolge ihrer Bauart die bemerkte Wirkung der Zelleneinlagen
von besonderer Bedeutung ist. Die Zelleneinlagen können aber auch bei anderen Wasserradtypen
verwendet werden, um die Drehungsgeschwindigkeit zu regeln.
-
Abb. i ist ein senkrechter, Abb. z ein wagerechter Schnitt des Wasserrades
und Abb.3 ein später zu erwähnender Einzelteil.
-
Das Wasserrad besteht aus einem Radmantel i, aus den diesen bis zur
äußeren Kante der Zellenzwischenwände überragenden. beiden Seitenwänden z und 3,
aus den Zellenzwischenwänden 4., aus der Radnabe 5, die auf der Welle 6 festsitzt,
aus dem auf dieser angeordneten Antriebsrade 7 und aus den Speichen 8 zwischen Nabe
und Radmantel.
-
Wenn der höchste Oberwasserspiegel tiefer liegt als die Welle, was
bei kleinen Gefällen (etwa bis zu z m) der Fall sein wird, so kann dem Wasserrade
durch Anbringungeines stets oberhalb des Wasserspiegels bleibenden inneren. Radmantels
die Form eines offenen Zylinders gegeben werden, so daß die @A'elle sichtbar bleibt.
In allen übrigen Fällen bildet der Radmantel mit den beiden Seitenwänden (abg eschen
von ihrer die Zel:enseitenw ände bildenden Verlängerung über den Radmantel hinaus
bis zu den äußeren Kanten der Zellenzwischenwände) einen allseits geschlossenen
Zylinder, dessen Inneres wasserdicht abgeschlossen ist. Um allfällige Undichtigkeiten
leicht feststellen und das eingedrungene Wasser beseitigen zu können, ist der Radmantel
an zwei einander begenübergelegenen Stellen mit den verschließbaren Durchlochuhgen
9 versehen.
-
Die Zelleneinlagen i o, i i sind der Rundung des Zellenbodens (d.
i. der Außenfläche des Radmantels) und in der Länge und -Breite dem Querschnitte
der Zellen in der betreffenden Tiefenlage angepaßte Holzbretter oder Holzbohlen,
die sich mittels einer einfachen Befestigungsvorrichtung (in Abb. -- angedeutet
durch
die Flügelschrauben 12) in den Zellen befestigen lassen, um die Zellentiefe zu verringern.
Es können eine oder mehrere übereinander einzulegende Reihen von Zelleneinlagen
verwendet werden. Auch bei nur einer Reihe von Zelleneinlagen kann verschiedenen
Wasserständen Rechnung getragen werden, indem entweder alle Zellen leer gelassen
oder alle Zelleneinlagen eingelegt «-orden oder nur jede zweite oder dritte Zelle
eine Einlage erhält oder nur jede dritte Zelle ohne Einlage gelassen wird usw. In
Abb. i sind zwei Reihen von Zelleneinlagen io und i i vorgesehen (in Abb. 2 sind
dieselben, da dieser Schnitt durch zwei Zel'.enzwischenwände geht, durch dünne Striche
nur angedeutet).
-
Das Wasserrad bewegt sich innerhalb eines Rahmens, der aus einem unteren
plattenförmigea Teile 13 und den Ständern 14 und 15 besteht. Die obere Fläche der
Rahmenplatte 13 ist .entsprechend dem äußeren Umfang der Seitenwände des Wasserrades
ausgebogen, und ihre Bre-itc reicht von Mitt-- zu Mitte der Zellenzwischenwände,
so daß in dem Augenblick, in welchem sich bei der, Drehung des Rades die eine Zellenzwischenwand
.1 von der Platte zu entfernen beginnt, die nächstfolgende Z--ll1enzwischenwand
bereits über die Platt 13 gelangt ist.
-
Bei den einen geschlossenen Zylinder (wie in Abb. i und 2) darstellenden
Wasserrädern sind in den Ständern 14, 15 die Lager für die Welle des Wasserrades
vorgesehen. Bei Wasserrädern in der Form eines offenen Zylinders macht die Unterbringung
der Wellenlager außerhalb des Rahmens keine Schwierigkeit.
-
Für den Wirkungsgrad des Wasserrades ist es von besonders großer Bedeutung,
daß der Zwischenraum sowohl zwischen der Rahmenplatte 13 und den äußeren Kanten
der Zellenzwischenwände wie auch zwischen den beiden Ständern i ¢, 15 des Rahmens
und den Seitenwänden des Wasserrades möglichst klein gemacht wird: er darf jedenfalls
nur wenige Millimeter messen. Mit Rücksicht auf die deshalb erforderliche genaue
Konstruktion wird der Rahmen zumeist aus Eisen hergestellt werden müssen. Nur bei
ganz kleinen Anlagen (etwa bis zu einem Nutzgefälle von 1,5 m bei einem Wasserzuflusse
von wenigen hundert Sekundenlitern) kann der Rahmen aus Holz angefertigt oder auch
als eigener Bestandteil ganz, weggelassen werden, indem er durch einen der Breite
und der Tiefenreichweite des Wasserrades mit einem Zwischenraum von wenigen Millimetern
angepaßten Ausschnitt, dessen untere Seite als Rahmenplatte ausgestaltet wird, in
der wasserabwärts gelegenen Wand des in diesem Falle aus Holz hergestellten Sammelbehälters
ersetzt wird. Bei größeren Anlagen, unter Verhältnissen, bei welchen die Anlage
stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, wird es mit Rücksicht auf die unvermeidlichen.
Volumänderungen notwendig sein, die einzelnen Rahmenteile so einzurichten, daß die
in Rede stehenden Zwischenräume nach Bedarf geregelt werden können. In Abb. 3 ist
beispielsweise ein verstellbarer Ständer veranschaulicht. Er besteht aus den (zugleich
als Träger des Wellenlagers dienenden) beiden senkrechten Schienen 16 und 17, welche
durch Klammern 16 miteinander verbunden sind und zwischen denen der bewegliche Teil
ig durch zwei oder mehrere von außen zu bedienende Schrauben 2o hervorgedrückt oder
in sie hineingezogen wer-' den kann. In Abb.3 ist der bewegliche Teil i9 wasserseitig
mit einer schmalen, Leiste 21 versehen; durch dieselbe soll bewirkt werden, daß
kleinere Wasserverunreinigungen von dem Zwischenraum abgelenkt werden; beim Abwärtssinken
gelan-gen sie schließlich in die zu den Zellen führende Strömung und werden
mit dieser abgeführt.
-
Das Wasserrad mit Rahmen ist in einen Sammelbehälter eingesetzt, der
aus der Rückwand 22, dem Boden 23, den beiden Seitenwänden 24 und 25 besteht. Der
Sammelbehälter soll im Verhältnisse zu dem `Vasserzuflusse möglichst groß sein,
weil das Wasser I in. ihm trotz des 'ständigen Zuflusses und Abflusses möglichst
wenig in Bewegung sein soll. Bei ganz kleinen Anlagen wird der Sam-' melbehälter
nur aus einem großen Holzkasten bestehen können. Der Sammelbehälter fällt weg, wenn
das Wasserrad in ein stehendes Gewässer (Teich,. Talsperre, Gebirgssee) oder I auch
in ein fließendes .Gewässer (mittel einer Wehranlage) ummittelbar eingebaut wird,
in welchem Falle wasserseits nur für die Fernhaltung von Wasserverunreinigungen
zu sorgen ist.
-
I Die Zuleitung 26 kann entweder aus einem offenen Oberwassergraben
(Abb. i) oder aus einer Röhrenleitung bestehen, die in. den Sammelbehälter oben
oder unten eingeführt werden kann.
-
Der Unterwassergraben 27 wird zunächst der Anlage mit Vorteil wesentlich
breiter zu halten sein als die Zuleitung.
-
Die Rückstaukammer 28 mit der Schleuse 29 ist, und zwar bis zur vollen
Höhe des höchsten Oberwasserspiegels, notwendig, wenn das Wasserrad ohne absperrbaren
Vorbau unmittelbar in ein fließendes oder stehendes Gei wässer ,eingebaut ist. Sonst
wird eine Rückstaukammer nur dann errichtet werden, wenn j bei Betriebsunterbrechungen
das im Sammelbehälter
befindliche Wasser nicht nutzlos verlorengehen
oder daß eine rasche Anpassung an .einen wechselnden Kraftbedarf, gegebenenfalls
auch eine rasche Einstellung der Drehung des Wasserrades, ermöglicht werden soll.
Aus' diesen Gründen muß der Fassungsraum der Rückstaukamm er möglichst klein sein.
Sie schließt mit den Seitenwänden 3o und 31 an die Wände 2.1, 25 des Sammelbehälters
unmittelbar an. Die Querwand 32 ist unten für den Unterwassergraben 27 durchbrochen
und für die Aufnahme der Schleuse 29 eingerichtet, mittels welcher der Unterwassergraben
nach Bedarf ganz (behufs rascher Stillsetzung des Wasserrades) oder teilweise (behufs
Herabminderung der Kraftleitung der Anlage) abgeschlossen wird.
-
Was die Wirkungsweise der Zelleneinlagen anbelangt, so wird bei Wasserrädern
mit zwei Reihen von Zelleneinlagen, wie in den Zeichnungen dargestellt, in der Regel
nur eine Reihe io benutzt. Steigt der natürliche Wasserzufluß, so werden die Einlagen
dieser Reihe je nach Bedarf ,entweder alle oder unter gleichmäßiger Verteilung auf
den Radumfang partienweise herausgenommen. 'Venn z. B. eine Zelleneinlage den Fassungsraum
einer Zelle um ein Drittel verringert, kann durch Entfernung aller Zelleneinlagen
der Reihe io die ausgenutzte sekundliche Betriebswassermenge um die Hälfte gesteigert
werden. Geht der übernormale Wasserzufluß wieder zurück, so werden die Zelleneinlagen
der Reihe i o auf einmal oder nacheinander wieder eingelegt, so daß bei Wiedereintritt
des normalen Wasserstandes der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist. Sinkt
dagegen der natürliche Wasserzufluß unter das Normale, so würden bei unveränderter
Belassung des Fassungsraumes der Zellen die Oberwasserspiegelhöhe und die Drehungsgeschwindigkeit
des Wasserrades kleiner werden. Es werden daher entsprechend dem Sinken des natürlichen
Wasserzuflusses die Zelleneinlagen der Reihe i i partienweise eingelegt, wodurch
die Oberwasserspiegelhöhe und im wesentlichen auch die Drehungsgeschwindigkeit des
Wassers unverändert aufrechterhalten werden. Die absolute Leistungsfähigkeit der
Anlage ist infolge der Verminderung der sekundlichen Betriebswassermenge selbstverständlich
zurückgegangen. Bei der .eben dargestellten Verwendung der Zelleneinlagen i o und
i i würden, wenn auch eine Zelleneinlage der Reihe i i den Fassungsraum einer Zelle
etwa um ein Drittel verringert, die Oberwasserspiegelhöhe und die Drehungsgeschwindigkeit
des Wasserrades noch aufrechterhalten werden können, wenn der natürliche Wasserzufluß
auf die Hälfte des normalen Ausmaßes sinkt. Würden dagegen die Zelleneinlagen beider
Reihen io und i i nur in Zeiten unternormaler Wasserzufuhr verwendet, also bei Normalwasser
das Wasserrad ohne Zelleneinlagen benutzt, so könnten Oberwasserspiegelhöhe und
Drehungsgeschwindigkeit noch aufrechterhalten werden, wenn der natürliche Zufluß
auf ein Drittel des normalen Wasserstandes sinkt.
-
Einem verringerten Kraftbedarfe kann bei den mit einer Rückstaukanuner
ausgestatteten Wasserkraftanlagen in jedem beliebigen Ausmaße dadurch Rechnung getragen
werden, daß mittels der Schleuse 29 die üffnung irr Abflußstollen 27 entsprechend
verkleinert wird, womit allerdings zufolge der mit dem Ansteigen des Wassers in
der Rückstaukammer verbundenen Verringerung des ausgenutzten Gefälles auch die Drehungsgeschwindigkeit
des Wasserrades kleiner wird. Ist aber die Anlage mit einer Rückstaukaxnmer nicht
ausgestattet oder soll trotz der Herabminderung der Kraftentnahme die Drehungsgeschwindigkeit
des Wasserrades aufrechterhalten werden, so läßt sich die Herabminderung der Kraftleistung
der Anlage ebenfalls durch Einlegen von Zelleneinlagen erzielen.
-
Eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Anlage bei Aufrechterhaltung
der bisherigen Drehungsgeschwindigkeit des Wasserrades durch Entfernung von Zelleneinlagen.
ist nur dann möglich, wenn die erhöhte sekundliche Betriebswassermenge gedeckt ist,
sei es, daß der natürliche `Wasserzufluß größer geworden ist oder daß eine entsprechende
Wasserreserve (so bei den an einen Teich oder an ein. sonstiges stehendes Gewässer
angeschlossenen Wasserkraftanlagen) zur Verfügung steht, da andernfalls der Oberwasserspiegel
rasch sinken und damit die Drehungsgeschwindigkeit des Wasserrades abnehmen würde.