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Wasserkraftnutzung von Niederdruekgefälen, auch bei Hochwasser.
Das natürliche Gefälle von Flussläufen, besonders auch von träge fliessenden Strömen und Flüssen, lässt sich erfindungsgemäss dann zu einem beträchtlichen Teil ausnutzen, wenn längs dieser Flussläufe zum Schutz gegen Hochwasserschäden Dämme errichtet werden. Entworfen werden allerdings derartige Hochwassersehutzanlagen zur Zeit stets so, dass für normale Verhältnisse, d. h. wenn kein Hochwasser vorliegt, das Hochwasserbett trocken ist. Das Wasser bleibt also in den normalen Zeiten in dem vorhandenen natürlichen Flussbett, das den von der Natur gegebenen Gefällebetrag durch die von der Wassergeschwindigkeit bestimmten Reibungswiderstände für das Abströmen des Wassers vollständig aufbrauch.
Da die normale Wassermenge nur ein Bruchteil der Hochwassermenge ist, beträgt auch der Querschnitt eines solchen natürlichen Flusslaufes nur einen Bruchteil des Querschnittes des Hochwasserbettes, das seitlich durch die den normalen Wasserspiegel wesentlich überragenden Hochwasserdämme bestimmt ist und eine vielfach grössere Sohlenbreite hat, als die Sohle des natürlichen Flussbettes. Der Querschnitt des Hochwasserbettes ist beispielsweise bei der Donau an den meisten Stellen etwa das Zehnfache des
Querschnittes des natürlichen Flusslaufes.
Werden erfindungsgemäss in das durch die Hochwasserschutzdämme gebildete Hochwasserbett quer zur Fliessrichtung mehrere Wehre in der Gefällerichtung hintereinander eingebaut, derart, dass das Flusswasser ständig, also nicht nur bei Hochwasser, ungefähr auf die Höhe des Hochwasserspiegels gestaut wird, so steht auch dieser normalen Wassermenge der grosse Querschnitt des Hochwasserbettes zur Verfügung. Die normale Wassermenge braucht also durch diesen Querschnitt bedeutend langsamer zu fliessen.
In dem obengenannten Beispiel der Donau wird durch den Stau des normalen Wassers in dem zehnfach so grossen Hochwasserbette die Wassergeschwindigkeit auf den zehnten Teil verringert, wodurch die Strömungsverlusthöhe, die bekanntlich dem Quadrat der Wassergeschwindigkeit proportional ist, auf den hundertsten Teil der jetzt notwendigen und im natürlichen Flussbett verzehrten Gefällehöhe sinkt. Es können demnach im Beispiel der Donau-und in gleicher Weise bei allen Flussläufen- durch die Erfindung 99% der jetzt zum Fortschaffen des normalen Wassers notwendigen Gefällehöhe nutzbringend verwertet werden.
Bisher konnte man ein kleines Flussgefälle nur durch genügend breite und lange Seitenkanäle auswerten, die aber nicht entfernt so kleine Durchschnittsgeschwindigkeit, also nicht entfernt so kleinen Gefälleverlust aufweisen, wie das als Hochwasserschutz dienende Hochwasserbett.
Würde man zwischen den Seitendämmen eines Hochwasserbettes normale Wehre einbauen, so müssten diese beweglich sein, d. h. sie müssten den Querschnitt für das Hochwasser freigeben, sobald Hochwasser ankommt. Damit würde aber in diesem Fall die Nutzfallhöhe für eine Wasserkraftanlage auf Null verringert, so dass wie das jetzt die Regel ist, die Turbinenanlagen in Flussläufen stillgesetzt oder in ihrer Leistung ganz wesentlich beeinträchtigt werden.
Setzt man nun jedoch gemäss der Erfindung Saugheber ein, die das Hochwasser über die Krone des Dammes hinwegheben, so kann man diese Saugheber, deren Leistungsfähigkeit lediglich durch den Austrittsquerschnitt bestimmt ist, stets so gross halten, dass das Hochwasser ohne Rückstau abgeführt wird. Der Fluss behält seine Tiefe in der oberen Haltung. Durch den Stau ist es dem Wasser unmöglich, potentielle Energie in kinetische umzuwandeln, so dass die Verlusthöhe für die Fortbewegung des Wassers in der oberen Haltung sehr gering bleibt. Die Staukurve steigt infolgedessen in der Haltung zwischen dem am Hochwasser liegenden und dem nächst höheren Stauwehr nur unwesentlich an, so dass das Unterwasser vor diesem zweiten Wehr durch den Saugheber des ersten auf seiner niedrigen Höhe und auch bei Hochwasser fast unverändert gehalten wird.
Das zweite Wehr wird also bei Hochwasser ein nahezu unverändertes Gefälle behalten und die Turbinen dieses Dammes können auch bei Hochwasser unver-
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(dritten) Staues damit zugleich wieder gesenkt wird.
Ist das erste Wehr am Meeresufer errichtet, beim Einlauf des Flusses in das Meer, so bleibt für dieses Wehr die Stauhöhe immer erhalten, so dass in diesem Falle auch schon bei dem ersten Wehr keine Beeinträchtigung der Turbinennutzfallhöhe vorliegt. Da infolge des grossen Nutzgefälles bei diesem untersten Wehr das Wasser der Haltung bequem abgesaugt wird, bleibt auch das Unterwasser des zweiten und aller folgenden Wehre bei Hochwasser infolge der Saugheberleistungsfähigkeit nahezu unverändert.
Fig. 1 zeigt rein schematisch den erfindungsgemässen Einbau zweier Saugheberwehre 14, 15 in das Hochwasserbett eines Flusses, wobei das Wehr 14 am Meer, das zweite Wehr 15 etwa an der Stelle des Ausströmungsbeginns, also dort, wo sich das Mündnngsgefälle bereits bemerkbar macht, angelegt ist. Es gelingt mm, die Stauhöhe an den beiden Wehren selbst bei Hochwasser zu halten. Da das Unterwasser des ersten Wehres das Meer mit seinem konstant bleibenden Spiegel bildet, ist an dem Wehr 14 immer eine sehr grosse Stauhöhe vorhanden, die dazu benutzt wird, das Wasser mittels der Saugheber aus der hinter dem Wehr liegenden Haltung 16 abzusaugen.
Es gelingt bei der zur Verfügung stehenden grossen Gefällehöhe leicht, den Saugheber-Austrittsquerschnitt so zu dimensionieren, dass die grössten
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Saugheber 14 abgeführt werden, als in die Haltung 16 einfliesst. Es ist somit auch. ein Absenken des Spiegels der ersten Haltung mittels der Saugheber möglich.
Weil die Fülltiefe des Wassers in der Haltung 16 sehr gross und der hydraulische Radius somit ebenfalls entsprechend gross ist, ist die Geschwindigkeit selbst bei Hochwasser infolge des grossen Querschnittes verhältnismässig klein und es sind daher die Fliesswiderstände innerhalb der Haltung ganz ausser-
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kann das erste Wehr, das in der Mündung beim grossen Fluss errichtet wird, unter Umständen in seiner Nutzfallhöhe beeinträchtigt werden, falls Hochwasser im Haupt-und Nebenflusse zugleich auftritt.
Da jedoch eine Fallhöhe von etwa 25. üm vollständig hinreichend ist, um die Saugheber zu betätigen, die das Hochwasser über die Dammkrone heben, so wird für das nächst höher gelegene Wehr der Unterwasserspiegel durch den Saugheber so reguliert, als wenn kein Hochwasser vorhanden wäre, und das gleiche gilt für die ganze Reihe der höheren im Flusslauf angelegten Sau'gheberwehre. Es ist auch hier wieder nicht nötig, mit einem solchen Ausbau bis zur Mündung in den Hauptfluss zu gehen, sondern der Ausbau aufeinanderfolgender Staustufen kann irgendwo unterbrochen werden, wenn man nur dabei auf die Turbinennutzung des untersten Stauwehres unter Umständen verzichtet.
Denn die sich dort
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fuhrlicher beschrieben werden wird, selbst bei diesem untersten Stauwehr eine noch verhältnismässig günstige Turbinennutzung sicherzustellen.
Der erfindungsgemässe Ausbau von Flüssen, die nicht ins Meer münden, sei wiederum an dem
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Nebenflüsse nicht gleichzeitig in die Donau gelangen würde, so dass man den Donauwasserspiegel auf nahezu unveränderter Höhenlage halten kann, ähnlich wie dies bei dem Meeresspiegel der Fall ist.
Der Flussausbau gemäss der Erfindung ist nicht etwa mit Talsperren vergleichbar, die man bei Einbau in Flussläufen unter anderem als Mittel benutzt, um eine praktisch brauchbare Nutzfallhöhe zu gewinnen. Talsperren sind aber, äusserst kostspielig und halten, da sie in erster Linie dazu dienen sollen, die gesamte unstetig anfallende Wassermenge eines Flusses aufzunehmen, eine grosse Menge Wasser zurück ; während des Auffüllens fällt ihre Wassemutzung aus. Die hohen Kosten der Sperre selbst werden durch die Entwertung des dauernd überfluteten Geländes sehr erhöht, eines Geländes, das ohne Talsperre vom Hochwasser nicht entfernt berührt wird.
Im Gegensatz dazu will die Hintereinanderschaltung von niedrigen Stauwerken gemäss der Erfindung gerade das Hochwasser nicht speichern, sondern es dauernd und ungehindert abfliessen lassen, wobei der Fluss gezügelt bleibt, so dass keinerlei potentielle Energie in kinetische umgewandelt und vergeudet wird, also das Gefälle in den Stufen in voller Grösse erhalten bleibt.
Ein Flusslauf kann nicht gleichzeitig vollständig als Staffelfluss ausgebaut werden. Gleichgültig, ob es sich um die unterste Stufe während des Ausbaues oder um den untersten Saugheberdamm einem nicht ausgebauten Fluss oder Flussteil gegenüber handelt, wird die jeweils unterste Stufe unter dem Hoch-
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gestaut wird. Diese Verminderung der Gefällshöhe wurde den Turbineubctrieb der letzten Stufen beein- trächtigen.
Um dies zu vermeiden, wird der Saugheber 19 (Fig. 2) über den Staudamm 20 hinweg zur Ableitung des Hochwassers derart geführt, dass seine Miindung 21 möglichst tief unter dem Unterwasserspiegel U. W. liegt, dessen Höhenunterschied gegenüber dem Oberwasser 0. W., durch das Gefälle h gegeben ist.
Solange der Saugheber M nicht im Betrieb ist, d. h. solange sieh kein Hochwasser einstellt, bleibt dieses Gefälle bis an den Damm 20 heran bestehen. Kommt der Saugheber beim oder vor dem Einsetzen von Hochwasser in Betrieb, so stellt sieh an seiner Mündung 21 eine Austrittsgeschwindigkeit
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Von dieser Geschwindigkeit it, des austretenden Wassers wird ein Teil des über ihm liegenden ruhenden Wassers-zuerst etwa jenes an der Stelle 82-mitgerissen, so dass die auf dem Austritt 21 lastende Wassersäule 2-3 abnimmt. Dadurch wird das Gefälle, unter dem der Saugheber 19 arbeitet, grösser, wodurch wieder seine Austrittsgeschwindigkeit M entsprechend steigt.
Infolgedessen wird mehr Wasser aus der Gegend 22 weggeführt und die Wassersäule über dem Austritt 21 sinkt weiter. Die Austrittsgeschwindigkeit steigt somit weiter, bis schliesslich überhaupt kein ruhendes Wasser mehr bei 22 bzw. über dem Austritt 21 vorhanden ist. Gegebenenfalls wird sich infolge des Rückströmens des Wassers auf der Oberfläche der Wasserstrahlmenge eine Art Wasserwalze 24 bilden, die aber infolge der grossen Geschwindigkeit des aus dem Heber 19 austretenden Wassers in der Strömungsriehtung stark verschoben ist, so dass der Austritt 21 selbst vollkommen frei ist.
Es muss sich somit die gesamte statische Höhe 23 vom Oberwasser bis zum Austritt 21 des Saughebers in kinetische Energie umsetzen. Erst dann kann Beharrungszustand eintreten. Diese kinetische Energie muss sich im weiteren Strömungsverlauf des Wassers abzüglich der in Wärme übergeführten Reibungsverluste wieder in potentielle Energie umsetzen, da im weiteren Strömungsverlauf der ursprünglich vorhandene Unterwasserspiegel U. W. ungeändert erhalten geblieben ist, Fig. 3 veranschaulicht die Art des Überganges der Wasserströmung während des Beharrungszustandes des Saugheberbetriebes.
Von der Mündungsstelle 21 des Saughebers 19 ab, also im Strömungsgebiet 25, verringert sich die Wassergeschwindigkeit allmählich. Folglich steigt der Wasserspiegel 26 in diesem Strömungsgebiet allmählich an und es stellt sich eine allmählich wachsende Tiefe des Wassers ein, bis der Spiegel bei 27 wieder auf einer Höhe angelangt ist, die der des Oberwasserspiegels 0. W. entspricht und nur durch die Verlusthöhe 28 kleiner ist als die Oberwasserspiegelhöhe. Diese Stelle der Strömung liegt demnach höher als der ursprüngliche Unterwasserspiegel U. W. ; denn die Reibungsverlusthöhe 28 kann nur sehr klein sein.
Hinter dieser Stelle 27 fällt dann unter Beschleunigung des Wassers auf die im übrigen Unterwasser herrschende Geschwindigkeit der Wasserspiegel allmählich wieder.
Erfindungsgemäss wird nun dieses Verhalten der Saugheberströmung dadurch ausgenutzt, dass die ganz oder im wesentlichen über die Flussbreite sich erstreckende Saughebermündung an einer tiefgelegenen Stelle, z. B. auf der Flusssohle angeordnet ist und in ihrem Einflussbereich in an sich bekannter Weise das Abwasser der Turbinenanlage ausgegossen wird. Zu diesem Zweck kann der die ganze Strömungsbreite des Gerinnes einnehmende Heberquerschnitt bzw. die in entsprechender Breite ausgebildete Mündungsstelle des Saughebers durch die Mündungen der Turbinensaugrohre unterbrochen werden.
Fig. 4 zeigt teils im Querschnitt, teils schaubildlich eine derartige mit einem Saugheberdamm verbundene Turbinenanlage. Über den Staudamm 20 hinweg zieht sieh das Saugheberrohr 19, u. zw. entweder über die ganze Staudammbreite, oder es ist zum mindesten die Mündungsstelle 21 des Saughebers über diese Breite verteilt.
Es empfiehlt sich, zum Abschluss des Turbinenkammereintritts und-austritts auch je einen Saugheber (36 bzw. 31) anzuordnen und die Turbinenkammern als zweckmässig freistehende Ringschächte 29 in der oberen Haltung derart vor den Saugheberdamm zu setzen, dass die Saugrohre 30 der Turbinenanlage bei 31 durch den Staudamm 20 hindurchgeführt sind, derart, dass das Turbinenwasser im Bereich der Austrittsstelle 21 des Saughebers 19 ausgiesst. Dies kann, wie Fig. 4 zeigt, beispielsweise derart erfolgen, dass die Mündungen 32 der Turbinenanlage und die in einzelne Mündungen 21 unterteilten Austrittsstellen des Saughebers miteinander über die ganze Strömungsbreite hinweg abwechseln.
An den Mündungsstellen 32 der Turbinensaugrohre herrscht eine sehr kleine Wassergeschwindigkeit.
Zunächst - bei Inbetriebsetzung des Saughebers 19 - stehen die Mündungen unter dem gesamten Wasserdruck der darüber lastenden Wassertiefe des Unterwassers. Mit der Absenkung dieser Wasserteile durch Inbetriebsetzung des Saughebers fällt das seitwärts aus den Turbinenrohrmündungen noch höher stehende Wasser in die Absenkungstäler hinein und wird fortgeführt, bis auch überall über den Turbinenaustrittsstellen 32 der abgesenkte Spiegel sich durchgesetzt hat.
Da nun-bei der Verbindung des Turbinenbetriebs mit dem Saugheberbetrieb-im Gegensatz zu der vorher geschilderten Saugheberanlage ohne Turbinen, das Austrittswasser aus dem Saugheber 19
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Förderung des Turbinenwassers aus der Absenkung auf die endgültige Unterwasserspiegelhöhe entspricht.
Es kann sich empfehlen, nach Art der Fig. 5 die Mündungsstelle 21 des Saughebers über die Turbinenmündungsstelle 32 zu legen, jedoch unter den Niederwasserspiegel. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Flusssohle mehr geschont wird, weil die Turbinenaustrittsgeschwindigkeit klein ist, jedenfalls kleiner, als die des Saughebers 19.
Benutzt man auf diese Weise den Saugheber bzw. die kinetische Energie am Austritt 21 zur Hebung von Turbinenwasser, also zur Absenkung des Unterwassers der Turbine, so dient der Saugheber gleichzeitig als Energievernichter. Wenn die kinetische Energie des Saugheberwassers zur Wasserhebung verbraucht wird, kann sie im Flussbett keinen Schaden mehr anrichten.
Durch die vorher erwähnte Verbindung von Einlauf-und Auslaufsaugheber mit jedem Turbinensatz können die einzelnen Sätze derart gesondert am Staudamm oder in dessen Nähe, u. zw. freistehend vom Damm angeordnet werden, dass-ohne Schaden für die Wartung, das Überwachen und Ausbessern jeder Turbine und der von ihr angetriebenen Maschine-ein besonderes, die zahlreichen Maschinensätze umfassendes Maschinenhaus unnötig wird.
Demgemäss ist jede Turbine 33 in einem kurz vor dem Damm gesondert stehenden zylindrischen Schacht 29 angeordnet (Fig. 4). Das Wasser wird durch einen Ringraum 34 zugeführt, der zwischen dem etwa bis zum Oberwasserspiegel verlängerten Schacht 29 und einem inneren Zylindermantel.'35 liegt. Dieser Mantel bildet oben den Einlaufsaugheber 36. Die ringförmige Saugöffnung 37 dieses Hebers liegt etwas unterhalb des Oberwasserspiegels, der durch die Krone 38 des Staudammes 20 gehalten wird.
Zweckmässig werden in dem Ringraum 34 die Leitschaufeln 39 angeordnet, u. zw. vorteilhaft derart, dass sie über dem höchsten Unterwasserspiegel liegen, damit das Siekerwasser aus den Stopfbuchsen stets ablaufen kann.
Innerhalb oder oberhalb des Innenzylinders 35, u. zw. im letzteren Falle zweckmässig in dem die Verlängerung des Turbinenschachtes bildenden turmartigen Gebäude 45, wird die Maschine untergebracht, welche mit der Turbine gekuppelt ist. Der Kran oder die Kranbahn 40 (Fig. 6) zur Aufstellung der Maschine stützt sich auf lotrechte Träger 41, die beispielsweise in der Wandung des Aussenzylinders 29 (s. Fig. 4) oder auch in dem Ringraum zwischen den beiden Zylindern 29 und 35 liegen und zugleich zur Versteifung der Zylinderwandungen und gegebenenfalls zur Führung des in dem Ringraum 84 fliessenden Wassers dienen. Die Eiseneinlagen 42 der Zylinder 29 und 35 verhindern das Ausknicken der Träger 41.
Diese Träger 41 können soweit abwärts geführt sein, dass der Belastungsdruck vom Boden der Gründung aufgenommen wird. Zu diesem Zweck können die lotrechten Träger am Boden bei 43 entweder etwa in die Waagrechte umgebogen und z. B. paarweise miteinander vernietet werden, oder sie werden mit einem Rahmengerüst 44 verbunden, das den Boden des Wehres versteift (s. Fig. 4 und 6). Dieser gesamte Trägerbau wird zweckmässig in Beton eingebettet, also zugleich mit dem Gesamtwehrkörper 20 aus Eisenbeton hergestellt.
Die Türme 45 und damit die Maschinenschächte werden stromaufwärts so weit vor den Damm 20 und die Einsaugöffnung des Hochwassersaughebers 19 vorgeschoben, dass die Eintrittsquerschnitte von Turbine und Heber sich gegenseitig nicht beeinträchtigen. Um möglichst viele Turbinen über die Saugheberbreite anordnen zu können, wird es sich empfehlen, die Maschinenanlagen oder Türme 45 in zwei oder mehreren Querreihen über den Flusslauf anzuordnen, wobei die Türme zweckmässig versetzt zueinanderliegen. Hiedureh lässt sich auch das Flussbett stärker verengen, also die Breite des Saugheberdammes 20 noch weiter vermindern.
Zweckmässig wird jede Einzelanlage mit dem zugehörigen Teil des Dammes 20 als ein in sich geschlossener schwimmfähiger Eisenbetonkörper ausgebildet, der auf einem vorteilhaft zugleich als Schaltung dienenden Schwimmdock wie ein Schiff vollständig fertiggestellt und zweckmässig durch Absenken des Schwimmdocks von Stapel gelassen wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wasserkraftnutzung von Niederdruckgefällen, auch bei Hochwasser, gekennzeichnet durch mehrere hintereinanderliegende Saugheberwehre, die den Fluss auch bei gewöhnlichem Wasserstande bis zur Hochwasserhöhe anstauen und das Hochwasser ohne Rückstau abführen.