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Hintergrund
der Erfindung
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Verschiedene
Verfahren sind bekannt und wurden vorgeschlagen, um die Strömung einer
Flüssigkeit
aus einer Quelle zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung betrifft
insbesondere ein Verfahren sowie Mittel zur Steuerung der Strömung einer
Flüssigkeit
aus einem Körper
der Flüssigkeit,
und insbesondere die Wasserströmung
von Dämmen,
Wasserspeichersystemen und anderen Wasserkörpern.
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Wenn
große
Wasservolumina gespeichert sind, kann das schnelle Ablassen von
Wasser aus dem Speichermedium problematisch sein, insbesondere wenn
beabsichtigt ist, das Wasser an oder in der Nähe des Wasserpegels abzulassen.
Wenn Wasser über
oder durch einen Auslass, der im Bereich des normalen Wasserpegels
innerhalb des Speichermediums angeordnet ist, abgelassen werden
soll, muss ein erhebliches Wassergewicht im Speichermedium oberhalb
des Niveaus des Auslasses aufgebaut werden, bevor das Wasser frei
fließen
wird. Dies kann nicht nur einen nachteiligen Effekt für das Speichermedium
haben, sondern auch auf die Umgebung stromabwärts von der Ablassstelle, da
es mit der bekannten Technologie nicht möglich ist, die Strömung des
Wassers unter Bedingungen bei niedrigem Wasserstand adäquat zu
regulieren. Es ist davon auszugehen, dass es mit erheblichen Vorteilen
verbunden ist, wenn das Ablassen von Wasser über oder durch einen Auslass
mit einer Rate ermöglicht
wird, die größer ist
als die Rate, die im Normalfall auf Grund des Wasserstands hinter
dem Auslass bestehen würde.
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Wenn
elektrische Energie durch ein hydroelektrisches System generiert
wird, wird die Energie zum Rotieren des elektrischen Generators
grundsätzlich
dadurch erhalten, dass Wasser aus der Stauanlage durch eine Druckrohrleitung
oder andere übliche
Formen von geschlossenen oder offenen Läufen zum Generator geführt wird.
Hierfür
werden die Generatoren im Allgemeinen erheblich unterhalb des Wasserpegels
angeordnet. Aufgrund des hohen Energiebedarfs von Systemen zur Erzeugung
elektrischer Energie werden sehr große Wasservolumina benötigt, weshalb
massive Dämme
zum Speichern von Wasser gebaut werden. Die ökologischen Nachteile solcher
Dämme sind
bedeutend, nicht nur wegen der großen Landgebiete, die geflutet
werden müssen,
um den Wasserpegel bereitzustellen, sondern auch wegen des Baus
der Dämme
und der Unterbrechung der Wasserströmung, die sonst für andere
Zwecke zur Verfügung
stehen würde.
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Es
ist klar, dass ein System, das es ermöglicht, eine vergleichbare
elektrische Energie bei einem geringeren Wasserpegel als bisher
möglich
zu erzeugen, erhebliche Vorteile bringen würde, und zwar nicht nur für die Inhaber
von Systemen zur Erzeugung elektrischer Energie, sondern auch für die umgebende Ökologie.
Es würde
bedeuten, dass die Größe des Damms
und das Volumen des Wasserkörpers,
der hinter dem Damm gespeichert werden muss, verringert werden kann.
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Es
ist bekannt, Wasserenergie nutzbar zu machen, um Schaufelräder und
andere Mittel zur Transformation einer Wasserströmung in eine mechanische Rotationsbewegung
anzutreiben. In diesen Situationen werden häufig vergleichsweise kleine
Dämme gebaut,
und das energietransformierende Mittel ist am oder benachbart zum
Fuß eines
Ablaufs des Damms angeordnet. Es ist davon auszugehen, dass weniger
Wasser benötigt
wird, um die gleiche Menge an Energie zu erzeugen, wenn die Strömung des
Wassers vom Wasserspeicher verbessert werden kann, insbesondere
indem die Geschwindigkeit des den Ablauf hinab fließenden Wassers
erhöht wird.
Dies hätte
besondere Vorteile dort, wo das Wasservolumen gering ist, da es
ermöglichen
würde,
kleinere Speichersysteme zu bauen, um die benötigte Menge an Energie zu erhalten.
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Aufgabe der
Erfindung
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Mittel bereitzustellen,
die es ermöglichen,
eine Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeitsquelle
am oder im Bereich des Flüssigkeitspegels
derart abzulassen, dass die Flüssigkeit
von der Flüssigkeitsquelle
mit einer Rate abfließt,
die schneller ist, als wenn die Mittel nicht vorhanden wären.
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Offenbarung
der Erfindung
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Demgemäß umfasst
eine Ausbildung der Erfindung eine Steuerungsvorrichtung für eine Flüssigkeitsströmung, bei
der eine Steuereinheit, die eine Vorderkante und eine im Wesentlichen
ebene Unterseite aufweist, oberhalb eines Einlasses zu einem mit einer
Flüssigkeitsquelle
in Verbindung stehenden Ablauf derart angeordnet ist, dass eine Öffnung zwischen
dem Einlass zum Ablauf und der Unterseite der Steuereinheit besteht,
und wobei ein Anstellwinkel zwischen dem Ablauf und der Unterseite
der Steuereinheit besteht, so dass auf die die Öffnung durchströmende Flüssigkeit
ein beschleunigender Venturieffekt wirkt.
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Vorzugsweise
ist die Steuereinheit oberhalb des Einlasses zum Ablauf mit Mitteln
angeordnet, die ein Verschwenken der Steuereinheit ermöglichen,
so dass der Anstellwinkel geändert
werden kann.
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Vorzugsweise
ist die Steuereinheit oberhalb des Ablaufs mit Mitteln angeordnet,
die ein Vergrößern oder
Verkleinern der Öffnung
zwischen der Steuereinheit und dem Ablauf ermöglichen.
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Vorzugsweise
weist die Flüssigkeitsquelle
einen Damm auf.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Modells einer Ausbildungsform der
Steuereinheit, die zur Erzeugung der Testdaten verwendet wurde.
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2 ist
eine schematische Seitenansicht einer Steuereinheit, in der die
Verwendung der Steuereinheit zusammen mit einem elektrischen Generator
des Turbinentyps dargestellt ist.
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Steuereinheit, in der die Verwendung
der Steuereinheit zusammen mit einem elektrischen Generator des
Schaufeltyps dargestellt ist.
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4 ist
eine schematische Ansicht eines Ablaufs eines Damms, bei dem eine
Vielzahl von Steuereinheiten eingesetzt werden.
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Die 5a, 5b, 5c und 5d sind Datentabellen,
die aus vorausgegangenen Tests extrahiert wurden.
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Die 6a, 6b, 6c und 6d sind Diagramme,
mit denen die Leistung der getesteten Steuereinheit dargestellt
wird.
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7 ist
ein zugesammengefasstes Diagramm eines typischen Testergebnisses.
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8 ist
eine weitere schematische Darstellung der Testvorrichtung.
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Ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
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Wie
in den Zeichnungen dargestellt ist, wird das Modell der Steuereinheit
an einem Modell einer Endmauer 1 eines Wasserspeichersystems
verwendet, das einen festen Ablauf 2 mit einem geeigneten Winkel
zum Wasserspiegel im Speichersystem aufweist. Eine Steuereinheit 3,
die im Fall des betrachteten Beispiels bei 4 oberhalb des
Einlasses 5 des Ablaufs 2 drehbar gelagert ist,
hat vorzugsweise eine Keilform, eine Nase 6 sowie eine
im Wesentlichen ebene Unterseite 7. Die Steuereinheit ist
derart drehbar gelagert, dass ihre Nase oberhalb und beabstandet
zum Einlass 5 des Ablaufs angeordnet ist, so dass eine Öffnung 9 zwischen
der Nase 6 und dem Einlass 5 besteht. Die Öffnung bleibt über die
gesamte Länge
des Ablaufs konstant, wobei die Steuereinheit um einen definierten
Bogenradius rotiert wird. Hierdurch wird der Abstand zwischen der
Unterseite 7 der Steuereinheit 3 und dem Ablauf 2 konstant
gehalten, so dass ein konstanter Anstellwinkel 11 besteht.
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Trägermittel,
wie sie mit 8 gekennzeichnet sind, können eingesetzt werden, so
dass die Öffnung 9 zwischen
der Nase der Steuereinheit und dem Einlass 5 innerhalb
von bestimmten Grenzen eingestellt werden kann. Verschiedene Mittel
können
verwendet werden, um diese Einstellung vorzunehmen. In dem hier
beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Beispiel sind
Rastnuten 8a in den Trägermitteln
ausgeformt, so dass die Angelpunkte 4 nach Bedarf angehoben
oder abgesenkt werden können.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, wird die Öffnung 9,
die den Einlass zum Ablauf bildet, durch die Vorderkante der Steuereinheit 3 und
die Kante des Ablaufs 2 gebildet. Die Tiefe der Öffnung 9 kann
durch ein Anheben oder Absenken der Steuereinheit an ihren Angelpunkten 4 variiert
werden, während
die Steuereinheit um die Angelzapfen 4 verschwenkt werden
kann, so dass der Anstellwinkel 11 einstellbar ist. Wasser,
das den Ablauf hinunter fließt, kann
verwendet werden, um einen elektrischen Generator des Turbinentyps,
wie er schematisch als 20 in 2 dargestellt
ist, oder einen elektrischen Generator eines Schaufelradtyps, wie
er schematisch als 21 in 3 dargestellt
ist, anzutreiben. Wie außerdem
in 3 dargestellt ist, kann eine zusätzliche Steuereinheit 30 in
Strömungsrichtung
unterhalb des Generators, der an einem Teilstück des Ablaufs 2 angeordnet
ist, vorgesehen sein.
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Wenn
der Anstellwinkel innerhalb bestimmter Grenzen liegt, wird die Rate
der Flüssigkeitsströmung sowohl
bei geringen als auch bei hohen statischen Drücken auf Grund des negativen
Drucks, der durch die Steuereinheit erzeugt wird, beschleunigt. Dieser
negative Druck zielt darauf ab, die Flüssigkeit in die Kehle einzusaugen,
wobei eine laminare Strömungsstruktur
vor der Steuereinheits-/Ablaufanordnung beibehalten wird.
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4 zeigt
ein Verfahren zur weiteren Verbesserung des Ablassens des Wassers
aus dem Wasserspeichersystem. Wie in dieser Zeichnung dargestellt
ist, sind viele Baugruppen der Steuereinheit 3 in vertikalen
Reihen angeordnet. Hierdurch wird es möglich, bei variierenden statischen
Drücken verschiedene
Strömungsraten
einzustellen, ohne das darunter liegende Substrat in unzulässiger Weise zu
stören.
Die Folge solch einer Anordnung ist, dass die bisherige Notwendigkeit,
Tiefwasserdämme
zu bauen, nicht mehr besteht, so dass das Erfordernis, ökologisch
empfindliche Landmassen zu fluten, minimiert wird.
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Es
ist zu berücksichtigen,
dass die Einbindung einer einzigen oder mehrerer Vorrichtungen in verschiedenen
Höhen und
verschiedenen Längen entlang
einer wasserführenden
Stauanlage in horizontaler Hinsicht an der Vorderseite einen Unterdruck
sowie einen Überdruck
an der Ausgangsseite des Damms, die normalerweise durch einen Ablauf gebildet
wird, erzeugt. Hierdurch wird eine Beschleunigung des Wasserstroms
bei geringen statischen Drücken
erzeugt, so dass die Gesamtleistung verbessert wird.
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Basierend
auf einer Berücksichtigung
der Eulerschen Gleichung und der Kontinuitätsgleichung in Anwendung auf
die Strömungsprinzipien
in „venturi-artigen" Vorrichtungen ist
es möglich,
den Zustand der Flüssigkeitsströmung an
drei Stellen vorherzusagen, nämlich
am Eintrittspunkt, an der Verbindung des Ablaufs mit der Kehle und
am Austritt der Vorrichtung hinsichtlich der Druckdifferenziale.
Wie auch immer, durch die Verwendung der hier beschriebenen Steuereinheit
ist es möglich,
einen Flüssigkeitsstrom von
null bis auf eine maximale Strömungsrate
unter geringem oder hohem statischen Druck durch eine Änderung
des Anstellwinkels 11 (Einstellung) zwischen der Unterseite
der Steuereinheit und der Oberfläche
des Ablaufs zu beschleunigen.
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Das
folgende Beispiel bezieht sich auf Modelle der Steuerungsvorrichtung,
die die Wirkungen einer Steuereinheit in natürlicher Größe simulieren.
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BEISPIEL
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Ein
300 mm breites Modell, wie es in 1 dargestellt
ist, wurde bei konstanten eingangsseitigen Pegelstand-Bedingungen
in einer geneigten Armfield-Kipprinne über einen großen Bereich
von Strömungen
und mit variierenden Kehlengeometrien wissenschaftlich untersucht.
Aus den Ergebnissen dieser Variationen ergibt sich, dass eine Variation
der Anstellwinkel bei konstanten Kehlenöffnungen die Volumenstromrate ändert, und
es wurde eine Beziehung zwischen dem Anstellwinkel und der Strömungsrate
festgestellt.
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Eine
Hochpräzisions-Ingenieurs-Wasserwaage
wurde am Rinnenkanal befestigt, und das Rinnenbett wurde auf 0° plus oder
minus fünf
Bogenminuten ausgerichtet. Eine Änderung
des Winkels des geneigten Bereichs der Rinne wurde unter Verwendung
eines Vernier-Mikrometers
durchgeführt
und mit einer Abney-Wasserwaage geprüft. Die Strömungsratenmessung wurde mit
einem Inline-Strömungsmesser
durchgeführt,
der auf plus oder minus 0,5% der gemessenen Strömung kalibriert wurde, und
unabhängig
davon durch ein am Auslasskanal eines Wasserrezirkulationssystems
angeordnetes V-Rinnenwehr geprüft.
Der Rinne wurde Wasser über eine
7 kW-Tauchpumpe zu einem Wasserkasten mit einem TWL (oberer Wasserpegel)
bei 16,4 m oberhalb einer Bezugsebene zugeführt. Als Bezugsebene wurde
die geometrische Mitte des Rinnenbetts gewählt. Wassertiefen in der Rinne
wurden mit einer Nonius-Punktmesslehre mit einem Nullpunkt in der Bezugsebene
(Genauigkeit +/– 0,05
mm) bestimmt. Die Temperaturen wurden mit einem Quecksilberthermometer
(Messbereich 0 bis 20°Celsius),
das auf +/– 0,01° kalibriert
und Telarc zertifiziert ist, bestimmt. Die Zeit wurde mit zwei unabhängig voneinander
arbeitenden elektronischen Stoppuhren gemessen.
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Die
Testvorrichtung, die eine über
dem Ablauf angeordnete Steuereinheit aufwies, war mit einer stromaufwärtigen Seite
0,35 m stromaufwärts
eines sechs Meter langen Testabschnitts der Armfield-Kipprinne angeordnet,
so dass die visuelle Beobachtung nicht durch den Stützrahmen
beeinträchtigt wurde.
Die Rinne wurde ausgerichtet und die Ausrichtung der Testvorrichtung
geprüft,
wobei Messvorrichtungseinsätze
in Verbindung mit den am Rahmen montierten, verschiebbaren Punktmesslehren,
die den oberen Schienen der Rinnen zugeordnet waren, benutzt wurden.
Punktmesslehren waren einen Meter stromaufwärts der Stirnseite der Testvorrichtung angebracht
und relativ zur Bezugsebene verriegelt. Die Testvorrichtung wurde
eingerichtet; die Strömung wurde
gestartet und so eingestellt, dass ein stabiler Wasserstand von
271 mm oberhalb der Bezugsebene 14, wie in 8 mit
Pfeil A angezeigt ist, beibehalten wurde. Die Höhe B der Endmauer 1 betrug
235 mm, wobei für
einen konstanten Wasserstand von 36 mm oberhalb des Einlasses 5 zum
Ablauf 2 gesorgt wurde. Das Beibehalten des Wasserstands
wurde mit einer Nonius-Punktmesslehre 13, deren Nullpunkt
auf der Bezugsebene lag, überwacht.
Nachdem sich die Strömung
stabilisiert hatte, wurde sie beobachtet, wobei für das Ablesen
von Maßen
typischerweise eine Dauer von zwei Stunden benötigt wurde. Die Daten wurden
manuell aufgezeichnet, und die volumetrische Strömungsrate aus dem Durchschnitt
von vier beobachteten Werten zu jeder Konfiguration berechnet.
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Die
Beobachtungen wurden für
Anstellwinkel von –1° bis +28° mit unterschiedlichen
Schrittweiten bei einer durch die Nuten 2 bis 5 vorgegebenen Öffnung zwischen
der Nase 6 und dem Einlass 5 von 10, 15, 20 und 25 mm durchgeführt. Die
erhaltenen Daten sind in den Tabellen der 5A, 5B, 5C und 5D wiedergegeben.
Die Testergebnisse sind in den Diagrammen der 6A, 6B, 6C und 6D wiedergegeben.
Ein Vergleich der Ergebnisse ist in 7 dargestellt.
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Es
wurde herausgefunden, dass eine Relation zwischen dem Anstellwinkel
des Ablaufs und der volumetrischen Strömungsrate bei einer Wasserhöhe von 36
mm oberhalb der Basis des Einlasses in den Ablauf besteht. Es wird
bewiesen, dass bestimmte Kehlöffnungen
eine erhöhte
Strömung
in dem kleinen Bereich von Anstellwinkeln ermöglichen. Wie in 7 gezeigt
ist, (das Flüssigkeitsvolumen)
stieg die Strömungsrate
mit größerem Anstellwinkel
an, wenn die Steuereinheit in den Nuten 2 und 3 angeordnet und
eine entsprechende Öffnung
von 10 mm bzw. 15 mm eingestellt war. Oberhalb eines kritischen
Anstellwinkels von etwa 5° verringerte
sich die Strömungsrate
zusehends.
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Es
ist klar, dass, während
die vorliegende Erfindung insbesondere die Erhöhung der volumetrischen Strömung von
Wasser über
einen und entlang eines Ablaufs) betrifft, die Erfindung in vielen
verschiedenen Bereichen, Orten und Situationen verwendet werden
kann, wo es notwendig ist, die Effizienz des Ablassens von Wasser
in Höhe
oder im Bereich des Wasserniveaus zu erhöhen.
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Für den Fachmann,
der die vorausgegangene Beschreibung gelesen hat, wird es offensichtlich sein,
dass Modifikationen und Änderungen
der spezifizierten Ausführungsformen
der Steuereinheit und des Verfahrens zum Einstellen der Steuereinheit
vorgenommen werden können,
die dennoch innerhalb des Basiskonzepts der Erfindung liegen. Alle
solche Modifikationen und Änderungen
sollen vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst sein.