DE884319C - Wasserfuehrung unterhalb der Stauwand bei Wasserkraftanlagen - Google Patents

Description

• Wasserführung unterhalb der Stauwand bei Wasserkraftanlagen Die Erfindung bezweckt, bei gegebenen Wasserverhältnissen mittels hydraulisch günstigster Wasserfassung unterhalb von Stauanlagen durch Steigerung] der ausbaufähigen Wassermenge bei Wasserkraftanlagen eine Verbesserung des Ausbaugrades hervorzurufen.
• NacH dem Stand derTechnik wird bekanntlich unter Voraussetzunig einer Stauanlage mit verhältnismäßig dünner Stauwand die durch eine unter dem Unterwasserspzegel liegende Stauzvandöffnung abfließende Wassermenge nach der Formel: berechnet. In dieser Formel bezeichnet h? die abfließende Wassermenge j,e Sekunde, ,u ;eine dimensionslose Abfiußziffer, F den Querschnitt der Sta-utvandöffnung, g die Erüb.eschleunigung, h die Differenz zwischen Oberwasser- und Untenvasserspiegellage und !t die Geschwindigkeitshöhe im Oberwasser an der Stauwand. Es ist bekannt, da.ß die Abflußziffer im besonderen von,der Form, Lage und Beschaffenheit der Stauwandöffnung, vorn der Lage der Stauwandöffnung in bezug auf den: Oberwasser- bzw. Unterwasserspiegel und von der Differenz zwischen Oberwasser- bzw. Unterwasserspiegellage abhängig ist. Auf Grund experimentell durchgeführter Untersuchungen hat sich ergeben, daß die Abflußziffer@i außerdem eine Funktion von der Gestaltung und Beschaffenheit des Unterwasserbettes und der Materialbewegung im Unterwasserbett ist. Die oben erläuterte Formel ist bekanntlich für die Ermittlung der energiewirtschaftlich zu nutzenden Wassermenge bei Wasserkraftanlagen mit für die Formel zutreffenden Bedino-ungen maßgebend. Bei thesenexperimentell durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, daß die größte Wassermenge regelmäßig bei gehaltenem Oberwasserspiegel und freiem Unterwasserspiegel durch die verhältnismäßig dünne, bis auf die Sohle der Stauanlage reichen=den Sta:uwand'öffnun:g abfließt, wenn das unmittelbar an die Stauanlageangrenzende Unterwasserbett das :entsprechend dem Abflußvorgang natürlich=e und befestigte Kalkprofil im Beharru=ngszustand, bestehend aus Kalkkessel und Kolkb,amk, aufweis=t. Die normalerweise herrschende Materialbewegung im Kalkkessel war mit der Befestigung des Kalkprofils bekanntlich unterbunden worden. Gegenüber den Abfllußverhältnissen bei gleichen hydra=ulischen Gegebenheiten in biezug auf Oberwasserspiegel, Stauwand und Stauwandöffnungergab sich bekanntlich bei diesen experimentell durchgeführten Untersuchungen unter Verwendung einer ebenen -und festen, in Sohlhöhe der Stauanlage liegenden Sohle nur ei=ne unbedeutende Unterwasserspiegelheb.ung.
• Mit :d=er Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die beschriebenen bekannten Erkenntnisse wasserbaut=echnisch für die Praxis so: auszuwerten, daß,d=urch hydraulisch günstigste Fassung des durch die Stauwandöffn;unig :einer Stauanlage tretenden Kolkstr,ahles,unter - Ausschaltung :der bei freiem Unt=erwasserspiegel entsprechend dem Abflußvorg,ang sich bildenden energieverzehrenden Wasser-"valzen und Quellenbildung, eine Steigerung gegenüber ;d=er bekannten, energiewirtschaftlich zu nutzenden: Wassermenge bei Wasserkraftanlagen erfolgt.
• Das durch eine Stau@vandöffnueg einer Stauanlage in das unbefestigte Unterwasserbett abfließende Wasser ruft bekanntlich bei freiem Unterwas:serspiegel mit der natürlichen Abwandlung s=einer kinetischen Energie eine Kolkbüdun.g, bestehend ;aus Kalkkessel und Kalkbank, hervor. Bei gleichbleibender Abflußwassermenge und gleichbleibender Stauwandöffnung erreicht die Kolkbildung den bekannten Beharrungszustand mit andauernder .Materialbewegung im Kalkkessel. Dieser jeweilige bekannte Beharrungszustand in der Kolkbildung unterhalb :ein=er Stauanlage, jedoch bei befestigter Sohle .und bei Unterbindung, der Material-'bewiegung im Kalkkessel, ist hautechnisch für die Sohlgestialtung der Kolksärählfassung maßgebend. Die, biei freiem Unterwasserspiegel mit natürlichem, befestigtem Kalkprofil im "Beharrungszus and sich entsprechend dem Abflußvorgang bildende energieverzehrende -Deckwalze und Quelle werden erfindungsgemäß durch lein=e Abdeckung ausgeschaltet. Diese Abdeckung beginnt unmittelbar an der Oberkante der Stauwandöffnung und führt das aus der Stauwiandöffnung tretende Wasser als Kalkstrahl durch :den, befestigten Kalkkessel über die befestigte Kelkbank nach Abmahlung durch eine Wasserkraftanlage, @die.im oberwasserseitigen Scheitelbereich der Kalkbank ;anzuordnen ist, in das Unterwasser ab. Miit der Abdeckung werden idie bei freiem Unterwasserspiegel sich üb=er dem Kalkkessel befindende eniergveverzehrende D=eckwalze und die sich zwischen .d=em Kolkleessel und der Kolkhank befindende

  Quellenbildung in hydraulisch ;günstigster Weise

  ausgeschaltet. Die bei freiem Unterwasserspiegel

  und' mtürlichem befestigtem Kalkprofil im Behar-

  rungszustand sich entsprechend :dem Abflußvorgang

  unmittelbar an der Sroauwandöfnumg bild=ende kleine

  Grundwalze wird durch die Sohlgestaltung der

  KQlkstrahlfassung insof=ern ausgeschaltet, als die

  Sohle im Bereich ,dieser klein=en Grundwalze ge-

  mäß :der Erfindung bis an die Stauwandöffnung in

  hydraulisch günsti=gster Weise hochgezogen, wird.

  Die seitlichen Begrenzungen der Kolkstrahlfassung

  bestehen aus senkrechten Wänden, wob gei der Ab-

  stand der seitlichen Begrenzungswän=de nur so groß

  wie die Sttauwandöffn;ungs.breite sein darf. Diese

  Seitlichen Beigrenzungsw"ande beeinflussen :die hy-

  draulisch ;"günstigste Längsentwicklung :der Kolk-

  strahl£assiung insofern, als die beiden inneren Se-

  grenzungslinien zwischen der im befestigten Kalk-

  profil ,gestalteten S=ohle :un=d den seitlichen Begren-

  zungswÄeden i;n -einer Ebene liegen, und die beiden

  inneren Beggrenzungslinlen zwischen der Abdeckung

  und :den s=eitlichen Begrenzungswänden in einer

  Ebene liegen. Demzufolge besitzt jeder b=eliebig=e

  Öffnungsquerschnitt .der Kolkstrahlfassung Recht-

  eckform. Die Siohle, die Abdeckung und die sieit-

  lichein Begrenzungswände müssen :die Kolks,trahl-

  fassung luftdicht abschließen. Die jeweilig hydrau-

  lisch günstigste Längs- iund Breiteinentwicklung -e°mer

  Kolkstrahlfassurog läßt sich nach .den bekannten

  Regeln der Ähnlichkeitsmechanik @experimentell er-

  mitteln.

  Ein wesentlicher Fortschritt der Erfindung gegen-

  über .den bekannten Wasserfass ungen:für die Wasser-

  zufuhr b:-ei; Wasserkraftanlagen besteht darin, daß

  gemäß dein experimentell durchgeführten Unter-

  suchungen mit der Kolkstrahl£assung eine Steigerung

  der bekannten energiewirtschaftlich ausbaufähigen

  Wassermenge von: mehr Tals, ioo/o :erfolgt und somi=t

  ednie Verbesserung des bekannten Aushaugrades er-

  zielt wird. Der Wert der Abflußziffer ,Ac lag bei

  diesen, Untersuchun;gan über o,9. Die Steigerung

  der a!usbaufähi,"en Wassermenge erfolgte bei diesen

  Untersuchungen mit gehaltenem Oberwasserspiegel,

  wähnend der Untenvassersp7egel gegenüber dem der

  ursprünglichen Soll. Vfassermenge beim Abflußvor-

  bang mit befestigtem, natürlichem Kalkprofil ohne

  Materialbewegung im Kalkkessel :entsprechenden

  Unterwaisserspiegel nur etwa i % höher lag. Schwan-

  kungen der Wassermenge und des. Oberwass=er- oder

  Unterwasserspiegels wirken sich in der Leistungs-

  fähigkeit .der Kolkstrahlfassung insofern nicht aus,

  als mit ihrer luftdichten Abschließung eine gewisse

  Hebenvirkung wirksam wird.

  Eine Steigerung :der bekannten ausb=aufähigen

  Wassermeinige wirkt sich außerdem als wesentlicher

  Fortschritt auch a=uf die einer Wasserkraftanlage

  bekanntlich zugeordnete Stauanlage insofern aus,

  als die bekannten Stauwandabmessungen bei dem

  entsprechend der Ausbauwassermenge gehaltenem

  Oberwasserspiegel kleiner ausgeführt werden kön-

  nen. Schließlich wirkt sich eine Steiberung der be-

  kannten aushaufäbigein Wassermenge als uresent-

  licher Fortschritt insofern. ,aus, als bei Be-,beh_>l-

  tung der bekannten Stauwandabmessungen und Aus-

  baauwass;er:mer.;ge ;aus lzulturtechnischen Erwägungen

  der gehalten;,- Oberwasserspiegel niedriger ,gelegt

  werden kann.

  In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel

  der Erfindung dargestellt. Fig. i zeigt hn Längs-

  schnitt den bekannten Abflußvorgang bei freiem

  Unterwasserspiegel durch eine bis auf die Sohle der

  Stauanlage reichende und unter dem Unterwass:er-

  spie,gel liegende Stau@vandöffnung mit befestigtem,

  natürlichem Kolkprofil ohne Ma.terüalbewegung im

  Kolkkessel. Fig.2 zeigt im Längsschnitt d<e Kolk-

  strahlfass,ung unterhalb einer Stauanlage gemäß der

  Erfindung.

  In Fig. i ist mit i i die Lage des Ob,-nvasser-

  spiegels über der Sohle der Stauanlage 12 und mit

  13 die Lage, des Unterwasserspiegels über der un-

  verformten Sohle des Unterwasserbettes 14 bezeich-

  net. D.-.!e allgemeine Strömu:ngs,richtung durch die

  Stauwandöffnung 15 der Stauwand 16 wird durch

  den: Pfeil 17 gekennzeichnet. Der durch die Stau-

  wan:döffnung 15 tretende Kolkstrahl 18, auch Tauch-

  strahl :genannt, bewegt sich bekanntlich längs der

  Sohle des Kolkkessels i9, löst sich nvischen dem

  Kolkkess:el i9 und der Kolkbank2o von der Sohle

  des befestigten, natürlichen Kollzprofils 21 ab und

  fließt mit den bekannten T.urbulenzerscheimtiagen,

  in kleine Wirbelbildunge !n aufgelöst, über der so-

  genannten Wirbelstraße 22 der Kolkbank 2o in das

  Unterwässer ab. Bei diesem Abflußvorgang bildet

  sich bekanntlich auf der Sohle des Kolkprofils 21

  unimittelbar an der StauGvandöffnung 15 eine kleine

  Grundwalze 23 und über dem Kolkkessel d e energie-

  verzehrende Deckwalze 24. ;aus.. Zwischen der Dreck-

  walze 2¢ und dem von der Sohle des, Koll"profils 21

  sich ablösenden Kolkstrah118 zeigt sich bei die-

  sem Abfllußvorgang die bekannte Quellenbildung 25.

  In Fig. 2 ist mit i i die Lage des Oberwasser-

  spiegels über der Sohle der Stauanlage 12 und mit

  13 d1° Lage des Unterwasserspiegels über der un-

  verform:ten Sohle des Unterwasserbettes 14. bez@eich-

  net. Der in allgemeiner Strömungsrichtung der

  Pfeile 17 durch die Stauwandöffnung 15 der

  Stauwand 16 tretende Kolkstrahl 18 wird in

  hydraulisch günstigster Weise von der Kolk-

  strahlfassung, bestehend aus der Sohle 26, der

  Abdeckung 27 und den hier nicht nähcr be-

  zeichneten seitlichen Begrenzungswänden, nach

  Abmahnung durch eine nicht näher gzkenm-

  ze.ichrrete Wasserkraftanlage in das Unterwasser ge-

  leitet. Bei der Sohle der Ii.ollzstrahlfassung 26, die

  entsprechend dem rin der Fig. 1 gekenm@ze @chnet@n

  Kolkprofi121 ,ausgebildet ist, wird zur Ausschaltung

  der kleinen Grundwalze 23 der Fig. i :die Sohle

  im Bereich dieser kleinen Grundwalze 23 !der Fig. i

  bis an die Unterkante der Sta@uwan@döffnung 15 in

  hydraulisch günstigster Weise hochgezog en. Die un-

  mittelbar an der Oberkante der Stauwandöffnung 15

  beginnende Abdeckung 27 ist in. hydraulisch gün-

  stigster Weise 5o ausgebildet, :daß sie die energie-

  verzehrende D:eckw atze 2¢ der Fig. i und die

  Quellenbildung 25 der Fig. i ausschaltet. Der unter-

  waassersieitige Abschluß 28 :der Abdeckung 27 wird

  mittels :elliptischer Abrundung über die Lage des

  Unterwasserspiegels 13 hochgezogen. Diese Maß-

  nahme b gilnstigt die hydraulisch wirkungsvolle An-

  haftung des Unterwasserspiegels bei Schwankungen

  in der Lage des Unterwasserspiegels 13. Dieser Ab-

  schluß 28 Ader Abdeckung 27 .muß ,außerhalb, der

  nach Kolkprofil 21 der Fig. i ausgebildeten Sohle

  der Kolkstrahlfassung 26 über der unverformten

  Sohle liegen. Die in der Fig. 2 nicht näher bezemch-

  neten Innenflächen der seitlichen Begren2jungs-

  wände, deren Abstand gleich der Sta-u@vam:döffr.,ungs-

  breite sein :muß, ergeben mit der Sohle 26 und der

  Abdeckung 27 bei jedem beliebigen Querschnitt der

  Kolkstrahlfassung ein luftdicht abgeschlossenes

  Rechteck mit der Breite der Stauwan'döffnunfg 15.

  Die hydraulisch jeweils ;günstigste Längen- und

  BreitenentwickluAg der Kolkstrahlfassiung wird nach

  den. bekannten Regeln der Ahnlichkeitsmechanik

  experünentell ermittelt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wasserführung unterhalb der Stanwand bei Wasserkraftanlagen, gekeanzei durch einen .unmittelbar an die St:auwandöffniu!ng (15) an- schließenden" ringsum dicht geschlossenen, Kanal, der seitlich durch senkrechte, 'mit .der Stauwand- -öffnurg!i5) bündige Wände begrenzt, dessen Sohle (26) entsprechend der bei der natürlichen K olkbildung entstehenden Sohle gekrümmt, je- doch an :die Unterkante der Stauwa:ndiöffnumg (15) hochgezogein ist und dessen bündig an die Stauwandöffnung (i5) anschließende Decke (27) über das Ende der Solde (26) hinausgeführt und nmttels elliptischer Abrundung (28) über den Untenvasserspi°gel (13) hochgezogen ist. 2. Wasserführung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, :daß der Kanal durchweg recht- t> Quers.chni:tt .mit einer der St:auwa@nd- öffnung (15) entsprechenden lichten Breite und mit einer mach dem Ende des Kanals hin etwas zunehmenden lichten Höhe aufweist.