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Hydraulischer Druck- und Saugwidder mit umlaufendem Steuerrad Seitdem
bei den hydraulischen Widdern der Gebrauch von umlaufenden Steuerrädern an Stelle
der schlagenden oder ruckweise arbeitenden Verschlüsse bekanntgeworden war, wurde
eine beträchtliche Erweiterung des Anwendegebictes der hydraulischen Widder erwartet,
insofern, als durch die neue Bauart die Möglichkeit entstand, in solchen Maschinen
größere Wassermengen als vordem zu verarbeiten. Durch praktische Ausführungen ist
zwar erwiesen worden, daß solche Widder auch bei Beaufschlagüng mit ungewöhnlich
großen Wassermengen selbst' in vieljährigem Dauerbetrieb ohne Störung arbeitsfähig
bleiben. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Großwidder bei weitem nicht den erwarteten
hohen Wirkungsgrad haben. Hierin ist der Grund gelegen, weshalb die großen hydraulischen
Widder mit umlaufendem Steuerrad im praktischen Betrieb wenig angetroffen werden,
nur da, wo eben der seltene Fall vorliegt, daß die Höhe des Wirkungsgrades keine
sonderliche Rolle spielt.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, den beobachteten Nachteil der
mit umlaufendem Steuerrad arbeitenden hydraulischen Widder zu vermeiden und, ihnen
einen Wirkungsgrad von bisher nicht möglich gewesener Höhe zu verleihen. Das Gelingen
dieser Aufgabe wird unmittelbar eine außerordentliche Steigerung der Verwendbarkeit
solcher Großwidder mit sich bringen, so namentlich für Bewässerungszwecke in Ländern
mit tropischem und subtropischem Klima. In zahllosen Fällen ist aber die Errichtung
solcher Anlagen immer daran gescheitert, daß die bisher bekannten Wasserhebemaschinen
wie auch die aus Turbinen und Pumpen zusammengebauten Maschinensätze die verfügbaren
Wasserkräfte meist niedrigen Gefälls nicht mit den wirtschaftlich erforderlichen
hohen Wirkungsgraden auszunutzen imstande sind.
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Zur Klarlegung der Wirkungsweise und des technischen Fortschritts
der Erfindung bedarf es zunächst eines kurzen Eingehens auf den Arbeitsvorgang in
den bekannten hydraulischen Widdern. Abb. i zeigt im Prinzip die Wirkungsweise des
Widders. Darin ist a ein Behälter, worin Kraftwasser in gleichbleibender Spiegelhöhe
gehalten wird. b ist der eigentliche Widderkörper, der durch das Triebrohr c mit
dem Wasserbehälter a verbunden wird. Im Widderkörper befinden sich die beiden Ventile:
d für den Abfluß des verbrauchten Kraftwassers und e für den Durchlaß des hochzutreibenden
Wassers nach dem Windkessel f. Aus letzterem führt das Steigrohr g zu dem hochgelegenen
Ausfluß des vom Widder geförderten Hubwassers. Beim Arbeitsbeginn der Maschine ist-
das Ventil d infolge seines Eigengewichtes offen, die Wassermasse zwischen
a und b kommt in Bewegung und strömt bei d frei aus. Hat das Wasser
eine bestimmte Ausflußgeschwindigkeit erlangt, so wird d plötzlich durch den Strömungsdruck
zugeschlagen, und der ganze
einmal in Bewegung geratene Wasserinhalt
des Triebrohres c erfährt dadurch einen so wuchtigen Stoß und eine solche damit
verbundene Drucksteigerung, daß Ventile von unten her angehoben wird und dem unter-.
hohen Stoßdruck geratenen und weiterdrängenden Wasser den Weg in den Windkessel
freigibt. Der im Windkessel sich bildende Luftdruck treibt dann das eingedrungene
Wasser ziemlich gleichmäßig in das Steigrohr g und nach dessen oberem Ausfluß. Durch
diese Abgabe der in der Stoßwucht enthaltenen Arbeit stellt sich wieder Gleichgewicht
her, die Ventile d und e fallen von selbst herab, die Wassermasse im Triebrohr c
kommt von neuem in Bewegung, und das Arbeitsspiel wiederholt sich. Kurz gesagt ist
folgendes festzuhalten: ein Teil der' den Widder durchfließenden Wassermenge mit
dem Gefälle h liefert die Arbeit zum Heben des anderen Teiles der Wassermenge um
die Förderhöhe H über den ursprünglichen Spiegel; ferner ist wesentlich für die
Wirkungsweise, daß der Triebrohrinhalt abwechselnd mit dem Auslauf bei d und mit
der Steigleitung f, g verbunden wird. -Abb.2 und 3 zeigen das Prinzip eines Widders
mit umlaufendem Steuerrad unter sonstiger- Beibehaltung der einzelnen Bestandteile
und Bezugszeichen von Abb. x. An Stelle der beiden vorigen Ventile erscheint hier
-ein auf beliebige Weise in Umdrehung versetzbares Umschaltrad mit verschiedenen
Kammern d und e; die Radkammer d wendet sich nach unten, die Kammer
e nach oben. Befindet sich das Umschaltrad in Drehung, so ist bald der freie Auslauf
durch d hindurch geöffnet, während gleichzeitig die Steigleitung f, g abgesperrt
ist, bald ist, wie in Abb. 3 sichtbar, durch e der Zugang zur Steigleitung offen,
während gleichzeitig der freie Auslauf verschlossen bleibt. Im Fall der,. Abb. 2
kommt die Wassermenge zwischen d und b in beschleunigte Bewegung, im Fall der Abb.
3 drängt das Wasser vermöge seiner Arbeitswucht von c durch e nach f, g unter Verlust
seiner Geschwindigkeit. Es ist gebräuchlich geworden, das Verhältnis H : h
als übersetzungsverhältnis und kurz mit dem Buchstaben i zu bezeichnen.
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Drei wesentliche Vorteile bestehen zugunsten der Widder mit umlaufendem
Steuerrad. Erstens: Ein und 'da:sselbe Umschaltrad kann nicht nur durch ein, sondern
durch eine ganze Anzahl ringsherum an seinem Umfang angeordneter Triebrohre beaufschlagt
werden. Zweitens: Der Windkessel ist dann überflüssig, weil die .der Triebrohrzahl
entsprechende Vielheit und das zyklische Eintreten der Stoßdruckimpulse bereits
die Gleichmäßigkeit der Wasserförderung bewirken. Drittens: Der Durchmesser der
Triebrohre unterliegt keiner Beschränkung mehr, -weil der Arbeitsvorgang gänzlich
ohne stoßende oder schlagende Ventile vor sich geht, solche aber bekanntlich nur
bei kleinen, nicht jedoch bei großen Querschnitten betriebssicher bleiben.
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Infolge dieser Vorteile lassen sich die hydraulischen Widder mit umlaufendem
Steuerrad für beliebig große Wassermengen bauen, lediglich begrenzt durch die herstellungstechnischen
Möglichkeiten. Bei den bekanntgewordenen Ausführungen solcher Großwidder ist das
Umschaltrad ähnlich den Reaktionsturbinenrädern mit gebogenen Schaufeln gebaut,
so daß das durchfließende Wasser infolge Ablenkung des Wasserstromes das Rad in
Umdrehung versetzt (Abb.4). Bei gut durchgebildeter Lagerung und hydraulischer Entlastung
ist der für die Drehung erforderliche Arbeitsaufwand geringfügig. Solche 'Räder
besitzen nicht nur je eine Kammer d und e, sondern, um einseitige Drücke auf die
Radwelle zu vermeiden, mindestens je zwei Kammern d und e, die einander
gegenüberliegen, so daß die Seitendrücke auf die Welle sich gegenseitig aufheben.
Das in Abb. q. dargestellte Umschaltrad weist je vier Kammern d und
e auf, ringsherum finden sich 2o Triebrohre angeschlossen, deren Querschnitte
nach dem Rade zu in Rechtecke übergeführt sind, wobei die Zwischenwandungen ebenfalls
schaufelartig gekrümmt werden. Die solchergestalt mit selbsttätig umlaufendem Steuerrad
arbeitenden Großwidder bedeuten demnach einen Zusammenbau einer größeren Widderanzahl,
eine Gesamtheit oder Gemeinschaft, -an die je nach gewünschter Beaufschlagung auch
30, q.o oder mehr Triebrohre angeschlossen sein können.
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Man baut die Gemeinschaftswidder der beschriebenen Art' auch für Saugwirkung,
wenn die Aufgabe gestellt ist, vermittels eines verfügbaren Staugefälles Wasser
von einem tiefgelegenen Spiegel bis zum Unterwasserspiegel des .Staues hochzusaugen.
Bei solchen Saugwiddern ist gegenüber den vorher beschriebenen Druckwiddern im Prinzip
weiter nichts anders, als das alle Strömungsrichtungen des - die Rohre und Maschine
durchfließenden Wassers sich umkehren, wobei dann von dem sogenannten negativen
Wasserstoß Gebrauch gemacht wird.
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In der beschriebenen Art, wie die Vorzüge der Großwidder mit umlaufendem
Steuerkreisel zustande kommen, wurzeln jedoch auch beim bisherigen Stand der Technik
nicht vermiedene Nachteile. Eben diese Nachteile erweisen sich, wie noch zu zeigen
sein wird, als von so ausschlaggebender Bedeutung,
daß sie in der
Mehrzahl der Fälle die Verwendbarkeit solcher Widder in Frage stellen oder ausschließen.
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Während der Umdrehung des Steuerrades ergeben sich ununterbrochen
wechselnde Stellungen seiner Kammerscheidewände gegenüber den Triebrohröffnungen.
Abb. q. zeigt eine Kreiselstellung, wo zufällig alle Kammerscheidewände je einer
Triebrohrscheidewand gegenüberstehen. In Abb.5, einen Zeichnungsausschnitt des Steuerrades
mit einigen Triebrohren darstellend, sieht man rechts die Kammerscheidewände k gerade
mitten gegenüber je einer Triebrohrmündung. Diese Stellung von k schädigt den Wirkungsgral
des Widders empfindlich, denn es besteht in solchem Zeitpunkt nicht nur das Bestreben,
daß der unter höherem Druck stehende Wasserinhalt der Kammer e in das offene Triebrohr
oder vollends nach Kammer d entweicht, sondern es verpufft auch zum Teil der infolge
des Vorrückens der Kammer e im Triebrohr entstehende Widderstoß. Mag auch die Zeitdauer,
während der die Scheidewand k vor der Triebrohrmündung vorbeistreicht, vielleicht
nur 1/1o bis 1/5 Sek. betragen, so ist diese Zeit doch groß im Vergleich zu der
Geschwindigkeit, womit sich die Stoßwelle im Wasser fortpflanzt, wo es sich um Geschwindigkeitswerte
der Größenordnung bis etwa zooo m in der Sekunde handelt. In der Tat hat sich bei
Beobachtungen mit gläsernen Triebrohren erkennen lassen, daß unter bestimmten Umständen
bei der gezeigten Stellung von k die Strömungsgeschwindigkeit im Triebrohr zu Null
oder gar rückläufig wird. Die physikalischen Verhältnisse bei solchen Stellungen
von k spielen sich jedoch derart undurchsichtig ab, daß sie einer rechnerischen
Untersuchung unzugänglich bleiben. Es ist, um dem geschilderten Übelstand zu begegnen,
vorgeschlagen worden, die Öffnungsbreite der Triebrohre äußerst schmal zu machen
oder die Umfangsgeschwindigkeit des Steuerrades bedeutend zu steigern; beide Wege
sind praktisch schlecht gangbar, der erste, weil damit eine außerordentliche große
Triebrohrzahl verlangt und die Maschine allzusehr verteuert würde, der zweite, weil
für gesteigerte Drehzahlen zuviel Kraftaufwand erforderlich und der Wirkungsgrad
damit nur auf andere Art geschädigt wäre. Es werden auch Widder mit umlaufendem
Steuerrad in der Art mit verdickten Kammerscheidewänden gebaut, daß dadurch die
Triebrohrmündungen der Breite nach vollständig abdeckbar sind; auch dieser Weg bietet
keinen praktischen Vorteil, ist im Gegenteil nachteilig, weil die vollständige Triebrohrabdeckung
die Geschwindigkeit im Rohr vernichtet, den Wirkungsgrad der Maschine und ihr Wasserverarbeitungsvermögen
verringert. Abb. 5, links, gibt den richtigen Weg zur Vermeidung der geschilderten
Nachteile an, indem hier am Ende der Kammerscheidewände k1 und k2 Überdeckungsflächen
besonderer Bauart h und 12 vorgesehen sind.
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Die Überdeckungflächen 11 und l2 dürfen nicht die gleiche Breite
aufweisen wie die Triebrohrmündungen, sondern sie müssen in bestimmter, nachstehend
angegebener Weise schmäler bemessen werden. Sobald nämlich h die Triebrohröffnung
zu verschließen begonnen hat, findet infolge Druckanstiegs sogar noch eine Steigerung
der Strömungsgeschwindigkeit nach d statt, die erst mit Erreichung eines gewissen
Schließquerschnitts ihren Größtwert erlangt. Bis dahin wächst also noch die lebendige
Kraft des bewegten Triebrohrinhalts trotz Abnahme der ausfließenden Menge. Erst
von einem bestimmten Zeitpunkt an nimmt die lebendige Kraft des Ausflußstrahles
ab. Eben dieser besondere Schließgrad gibt das günstigste Breitenmaß für . die Überdeckungsfläche
l1. Es ist bei diesen Betrachtungen von Wichtigkeit, zu beachten, daß die durch
Versperren der Triebrohrmündung erzeugte Stoßwelle sich im Rohr mit Schallgeschwindigkeit
nach dem unter gleichbleibendem Druck befindlichen Behälter a fortpflanzt, wo ein
Gegenstoß hervorgerufen wird, der mit gleicher Geschwindigkeit zur Triebrohrmündung
zurückeilt, um hier von der Kammer e aufgefangen zu werden. Bei der Kammerscheidewand
k2 erweisen sich die schädigenden Folgen einer offenen Verbindung von e über das
Triebrohr nach d noch gefährlicher, weil hier im Triebrohr nur die untere Stufe
der Durchflußgeschwindigkeit herrscht, im Gegensatz zu k1, wo die obere Durchflußgeschwindigkeitsstufe
den Folgen einer offenen Verbindung zwischen e und d besser entgegenwirken kann.
Es wird also durch die Anbringung der Überdeckungsfläche 12 ebenfalls eine erhebliche
Schädigung des Wirkungsgrades der Maschine beseitigt. Aber man darf auch hier die
Überdeckungsfläche nicht so -breit machen wie die ganze Triebrohrmündung, weil dann
die Durchflußgeschwindigkeit im Triebrohr auf Null herabgehen würde, um sofort nachher
in d wieder neu hervorgerufen werden zu müssen. Die günstigste Breite von 12 wird
diejenige sein, welche der unteren Durchflußgeschwindigkeitsstufe im Triebrohr möglichst
nahe zu bleiben gestattet, ohne nennenswerten Rückverlust aus e zu verursachen.
Diese Breite 11 zu ermitteln, ist Sache der Einzelberechnung. Es ergibt sich aus
dem Dargelegten, d aß h und l2 bei derselben Maschine in der Regel verschieden groß
sein werden.
Hinsichtlich des Wirkungsgrades der hydraulischen Widder
ist die allgemeine Erscheinung bekannt, daß derselbe mit höheren Übersetzungsverhältnissen
i=H : lt ständig zurückgeht. Das gilt in gleicher Weise von den Widdern mit
umlaufendem Steuerrad, und auch durch die beschriebenen Überdeckungsflächen ist
die Erscheinung nur zu mildern, nicht zu beseitigen, weil die Ursache dieses Wirkungsgradabfalls
in :den unabänderlichen natürlichen Elastizitätseigenschaften der Triebrohrwandungen
und des Wassers wurzelt. Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb, dem allgemeinen
Nachteil des Wirkungsgradabfalls bei höheren Übersetzungen grundsätzlich zu entgehen,
indem eine bauliche Maßnahme angegeben wird, die trotz großen Übersetzungsverhältnisses
den hohen Wirkungsgrad kleiner Übersetzungsverhältnisse beizubehalten gestattet.
Diese Maßnahme besteht darin, daß man auf ein und .denselben Widder mit umlaufendem
Steuerrad einen zweiten aufstockt und so einen Verbundwidder schafft mit gemeinsamer
Achse für das primäre und das aufgestockte sekundäre Umschaltrad (Abb. 6,, 7). Die
beim ersten Rad erzeugte Umdrehung läßt sich in maschinentechnisch bekannter Weise
durch volle oder hohle Wellen auf das zweite übertragen; auch können wasserführende
Röhren zu diesem Zweck gebraucht werden, wie z. B. in Abb. 6 und 7 geschehen. Bei
der Verbundbauweise nach vorliegender Erfindung besitzt der Primärwidder b' (Abb.6),
der vom Behälter cl aus mittels beliebig vieler Triebrohre c' beaufschlagt wird,
kein eigentliches Förderrohr; an dessen Stelle treten die Triebrohre c" des Sekundärwidders
b". Das Primärförderwasser, das auf den theoretischen Spiegel S' gehoben. zu denken
ist, beäufschlagt unmittelbar den zweiten Widder b", innerhalb dessen es in einen
nach dem Unterwasser U fallenden und in einen nach idem Spiegel S" steigenden Teil
zerlegt wird.
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Selbstverständlich steht -der Sekundärwidder b", zu dessen Beaufschlagung
nur noch die Förderwassermenge von b' zur Verfügung bleibt, an Größe beträchtlich
hinter dem ersten Widder zurück. Am zweiten Umschaltrad können gekrümmte Schaufeln
nach Turbinenart ganz entbehrt werden, weil die Maschinenumdrehung bereits beim
ersten Steuerrad bewirkt wird. Hinsichtlich der baulichen Zusammenfügung bestehen
bei derartigen Verbundwiddern mannigfache maschinentechnische Ausbildungsmöglichkeiten;
die Zeichnung beschränkt sich auf die Wiedergabe des Gesamtprinzips. Einen eigenen
Bestandteil der Erfindung bildet es jedoch, die bauliche Anordnung, wo es -angebracht
erscheint, so zu gestalten, daß das zweite Steuerrad sich am Umlauf gar nicht beteiligt
und feststehend bleibt, wogegen seine Triebrohre umlaufen, statt daß die zweiten
Triebrohre festliegen und ihr Steuerrad sich dreht. Ferner bildet es ein Erfindungsmerkmal,
daß beide Steuerräder im Umlauf voneinander ganz unabhängig sein können und dann
überhaupt nicht mehr durch gemeinsame Achse verbunden zu sein brauchen, indem nur
noch die in beliebiger Gestaltung festgelegten Triebrohre die Verbindung der Widder
herstellen.
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Setzt man zwecks besserer Rechnungsübersicht voraus, daß beide Widder
unter sich für gleiches Übersetzungsverhältnis i gebaut sind, was an und für sich
nicht erforderlich wäre, so bestehen für den Verbundwidder folgende Arbeitsbedingungen
(Abb.6).
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Der Primärwidder b' wird durch das Triebgefälle h' beaufschlagt und
hebt sein Förderwasser um die Höhe H'=i - li vom Stauspiegel des Behälters
u .nach S'. Der Sekundärwidder b" wird durch das Gefälle Y'= h'+
- H'
=h' # (i+ i) beaufschlagt und hebt sein Förderwasser um die Höhe H"=i
#h'- (i+ i) über den Förderspiegel S' des Primärwidders, also um vom Spiegela nach
S". Das übersetzungs= verhältnis I des ganzen Verbundwidders wird damit I=h'- (12+
- 2 i) :h'=12+ 2i. Dehnt man diese Betrachtung weiter aus auf einen dreifachen
Verbundwidder, so ergibt sich sein Gesamtübersetzungsverhältnis zu i3+3i2+3i. Allgemeinwirdln=(i+i),1-i,
worin it die Zähl der verbundenen Maschinen bedeutet. Diese Gleichungen lassen erkennen,
daß gegenüber dem Gesamtübersetzungsverhältnis I eines ganzen Verbundwidders das
Grundübersetzungsverhältnis i des einzelnen Umschaltrades einen auffallend geringen
Wert annehmen muß. An Zahlenbeispielen tritt dieser außerordentliche Vorteil der
Verbundbauweise vor Augen: Für ein Gesamtübersetzungsverhältnis i= 15 ergibt sich
bei einem Verbundwidder mit zwei Umschalträdern auf jedes -derselben das Grundübersetzungsverhältnis
i=3. Baut man aber drei Umschalträder von je i=3 zu einem Verbundwidder zusammen,
so erreicht das Gesamtübersetzungsverhältnis den gewaltigen Betrag I = 63, so daß
man auf solche Weise z. B. mit einem Triebgefälle h= 2 m eine Förderhöhe von I #
h=126 m über dem Spiegel a erzielen und dabei doch den guten Wirkungsgrad behalten
kann, der dem niedrigen Übersetzungsverhältnis 3 entspricht. Es läßt sich aus dem
Zahlenbeispiel auch ersehen, daß der praktische Bedarf höchst selten Veranlassung
bieten wird, zu Verbundwiddern mit mehr als zwei Umschalträdern zu greifen. Denn
allzu hohe -übersetzungsverhältnisse
bringen aus naturgesetzlichen
Gründen stets mit sich, daß die gelieferte Förderwassermenge nur klein, die Aufschlagwassermenge
hingegen groß, die Maschine also verhältnismäßig teuer ist. Der Kapitaldienst macht.
dann das Förderwasser kostspielig, und diese wirtschaftlichen Überlegungen setzen
den Wünschen nach zu hohen übersetzungsverhältnissen die Grenze.
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Die Darstellung der Wirkung der Überdeckungsflächen und des Einflusses
der Verbundbauweise ist an dem Beispiel des hydraulischen Druckwidders gegeben.
Die Erfindung umfaßt indessen in der gleichen gestaltenden Art und mit gleicher
Wirkung auch das Gebiet der saugenden hydraulischen Widder mit umlaufendem Steuerrad.
Hinsichtlich der t@berdeckungsflächen bedarf es dazu keiner weiteren Erklärung.
Was die Verbundbauweise derartiger Saugwidder betrifft, so zeigt Abb. 7 das Prinzip
unter Verwendung derselben Bezugszeichen für die entsprechenden Größen wie in Abb.
6. a ist der Behälter für das in gleichbleibendes Spiegelhöhe zufließende Kraftwasser,
h' = Antriebsgefälle des saugenden Primärwidders b', der aus der theoretischen Spiegelhöhe
S' dasjenige Wasser absaugt, welches dorthin vom Sekundärwidder b" aus dem Spiegel
S" gesaugt wird. Das gesamte Saugwasser beider Widder einschließlich des verbrauchten
Kraftwassers gelangt in de; Höhe des Mittelwassers M zum Abfluß. Es ist klar, daß
hier die Summe H'+ H" nie größer werden kann als der Atmosphärendruck, also
rund io m Wassersäule.