Wasserschloss (Ingenieurwesen)

Pumpspeicherwerk Niederwartha: Fallrohre mit den Wasserschlössern

Ein Wasserschloss dient dazu, den Druckstoß in der Rohrleitung einer Wasserkraftanlage zu vermindern, der beim Schließen der Armaturen in der Leitung entsteht.

Allgemeine Beschreibung

Das Wasserschloss ist ein wasserdichter, meist im Berg befindlicher Schacht, ein großvolumiges, überdachtes Becken oder ein kesselförmiger Wasserbehälter. Es befindet sich am Ende eines Druckstollens oder einer Druckrohrleitung, wobei der Wassereinlauf am jeweils tiefsten Punkt erfolgt. Im Inneren des Wasserschlosses kann sich der Wasserspiegel für den Druckausgleich frei auspendeln. Beim Pumpspeicherwerk Niederwartha in Dresden sind zum Beispiel drei runde Wasserbehälter vorgesehen (siehe Foto), weil dort drei Rohre separat gefahren werden sollen.

Ein Wasserschloss ist erforderlich, um Druckschwankungen in den Druckrohrleitungen eines Wasserkraftwerkes (Speicherkraftwerk (Wasser) oder Pumpspeicherkraftwerk) auszugleichen. Diese entstehen, wenn Ventile geschlossen werden, wodurch sich die Durchflussgeschwindigkeiten in den Druckrohren ändern. Es treten besonders dann hohe Beschleunigungs- oder Bremskräfte auf, wenn dies schnell geschieht. Der Durchfluss durch die Turbinen muss reguliert werden, weil sich auch der Bedarf an elektrischer Energie im Stromnetz ändert. Bei der Regelung der Turbinen können starke Druckstöße entstehen, die sich mit hoher Geschwindigkeit im Wasser in der Rohrleitung fortpflanzen. Durch diese Druckstöße könnten die Rohrleitungen bersten.

Das Wasserschloss dämpft die Wirkung dieser Stöße, indem es das schnell fließende Wasser auffängt und umleitet. Das Wasser, das sich durch das Druckrohr bewegt, weicht beim Schließen in das Wasserschloss aus. Der Wasserspiegel pendelt dann auf und ab, bis er allmählich wieder zur Ruhe kommt. Die kinetische Energie des fließenden Wassers im Druckstollen wird so in die potentielle Energie des erhöhten Wasserspiegels im Wasserschloss umgewandelt.

Das Wasserschloss steht so nahe wie möglich an der Wasserkraftanlage am oberen Ende des Fallschachtes. Es muss so hoch stehen, damit das Wasser nicht herausschwappen kann, d. h. die Oberkante muss höher liegen als der höchste Wasserspiegel im Oberbecken und höher als die Energielinie in der Triebwasserleitung.

Belastung der Wasserkraftanlage (Joukowsky-Stoß)

Wie schon eingangs beschrieben, entstehen infolge Schnellverschluss von Rohrleitungen, Turbinenregelung, Öffnen und Schließen von Regulierverschlüssen in Druckleitungen Durchflussänderungen und somit Druckstöße. Diese resultieren in entstehendem Unterdruck beim Öffnen bzw. Überdruck beim Schließen.

Da Druckstöße ein Vielfaches des Betriebsdruckes erreichen können, muss diese Belastung in der Planung der Anlage berücksichtigt werden. Einerseits kann dies in einer Erhöhung des Zuleitungsquerschnittes erfolgen (Verringerung der Fließgeschwindigkeit), andererseits können mittels geeigneter Maßnahmen Druckstöße für die Rohrleitung unschädlich gemacht werden. Der höheren Wirtschaftlichkeit wegen erfolgt bei Hochdruckwasserkraftanlagen die Anordnung eines Wasserschlosses, mit dessen Hilfe der von Druckstößen betroffene Bereich begrenzt werden kann. Bei Anlagen mit langen Triebwasserstollen wird dieses Bauwerk zwischen Stollen und Druckschacht gebaut. Somit muss nur ein Teil der Zuleitung, der verhältnismäßig kurze Druckschacht, auf die hohen Belastungen bemessen werden. Dies erfolgt in der Regel durch eine gepanzerte Ausführung der Leitung im Schachtbereich.

$a=\dfrac{1}{\sqrt{\dfrac{\rho}{K_\mathrm{w}}+\dfrac{\rho}{E_\mathrm{r}} \cdot \dfrac{d}{s}}}$

Die Druckausbreitungsgeschwindigkeit $a$ in Wasser beträgt rund 1000 m/s, in Abhängigkeit von Elastizitätsmodul der Rohrleitung $E_\mathrm{R}$, dem Rohrleitungsdurchmesser $d$, deren Wandstärke $s$, sowie dem Kompressionsmodul von Wasser mit $K_\mathrm{w} = 2,08 \cdot 10^9 \mathrm{N/m^2}$.

$\mathrm{\Delta} h_\mathrm{max} = \dfrac{\mathrm{\Delta} u_\mathrm{max} \cdot a}{g}$

Die Druckstoßgröße wiederum hängt ab von der Geschwindigkeitsänderung je Zeiteinheit. Bei Schnellschluss (Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Fließgeschwindigkeit $u_\mathrm{Betrieb}$ und Null $= \mathrm{\Delta} u_\mathrm{max}$) kann sich der maximale Druckstoß $\mathrm{\Delta} h_\mathrm{max}$, der sogenannte Druckstoß (auch Joukowsky-Stoß nach Nikolai Jegorowitsch Schukowski) ausbilden.

Dieser maximal auftretende Druckstoß tritt jedoch nur auf, wenn die Schließzeit des Absperrorgans kürzer ist als die Zeit, die der Druck benötigt um zum Einlauf der Triebwasserleitung und wieder zum Verschluss zurück ($2 \cdot L$) zu gelangen – die sogenannte Reflexionszeit $t_\mathrm{R}$ der Druckwelle.

$t_\mathrm{R}=\dfrac{2 \cdot L}{a}$

Bewegt sich die Schließzeit über $t_\mathrm{R}$, fällt der Druckstoß geringer aus, da innerhalb der Reflexionszeit der Durchfluss teilweise gedrosselt wird. Anstatt nun die Geschwindigkeit bei einem Schnellschluss der Absperrorgane rapide zu drosseln, kann das Wasser in die Kammer des Wasserschlosses ausweichen. Kinetische Energie im Druckstollen wird dabei in potentielle Energie in der Wasserschlosskammer übergeführt. Innerhalb dieser entsteht ein Gegendruck, der die Geschwindigkeit im Druckstollen langsam senkt und dann in eine oszillierende Bewegung des Wasserspiegels in der Kammer übergeht, die allmählich ausdämpft. Diese sogenannte Wasserschlossschwingung stellt im Vergleich zum Druckstoß eine träge Massenschwingung dar. Der im Druckstollen auftretende maximale Druck entspricht nun der maximalen Wasserspiegelhöhe im Wasserschloss. Der vom Druckstoß betroffene Abschnitt der Zuleitung erstreckt sich dann nur noch auf den Bereich des Druckschachtes. Dessen Größe liegt bedingt durch die geringe Ausdehnung des Schachts und die verhältnismäßig langen Schließzeiten in der Regel unter dem maximalen Joukowsky-Stoß.

Schwallkammer

Eine dem Wasserschloss ähnliche Einrichtung ist die Schwallkammer. Dieses im Unterwasser angeordnete Druckausgleichsbauwerk wird benötigt, wenn der Unterwasserstollen in einen Fluss mit stark schwankendem Wasserspiegel mündet. Ein weiterer Anwendungsfall ergibt sich bei langen Freispiegelunterwasserstollen, die bedingt durch starke Belastungsschwankungen zeitweise als Druckstollen wirken.

Typen von Wasserschlössern

Einteilung nach der baulichen Ausbildung

Wasserschloss-Hochbauten

Dieser Wasserschlosstyp findet Anwendung bei oberflächennahen bzw. im Geländeniveau verlegten Triebwasserleitungen. Die turmähnlichen Bauwerke werden aus Stahl oder in Betonbauweise errichtet.

Schacht-, Stollen- oder Kavernenwasserschlösser

Bei Anlagen mit unterirdisch verlaufenden Triebwasserstollen bzw. Druckschächten erfolgt die Platzierung des Wasserschlosses in Kavernen, insbesondere in Schachtform.

Gemischte Bauweise

Infolge geringer Überdeckung der Druckleitung kann eine Kombination aus unterirdischem Schachtbauwerk sowie Hochbau-Wasserschlosses erforderlich werden.

Einteilung nach der hydraulischen Funktionsweise

Schachtwasserschloss

Das Schachtwasserschloss stellt die einfachste Form dar, wobei hier ein ungehindertes Auspendeln zwischen Druckstollen und Kammer ermöglicht wird.

Kammerwasserschloss

Im Gegensatz zum Schachtwasserschloss kann das Kammerwasserschloss im Regelungsbetrieb mit geringeren Bauwerksausdehnungen ausgelegt werden. Nachteilig wirkt sich die aufwändigere Bauweise aus.

Drosselwasserschloss

Um die Amplitude der Wasserschlossschwingung zu reduzieren, und somit die Kammer geringer dimensionieren zu können, kann im Fußpunkt des Wasserschlosses ein Strömungswiderstand mittels Querschnittsverengung erzeugt werden. Infolgedessen baut sich der Gegendruck rascher auf und die Dämpfung verstärkt sich.

Differentialwasserschloss

Ähnlich dem Drosselwasserschloss verhält sich das Differentialwasserschloss, jedoch ist hier ein schneller Druckanstieg durch den separat angeordneten Steigschacht gewährleistet.

Weblinks

• Deutsches Museum: siehe Pumpspeicherbetrieb
• Beispiel aus einer italienischen Staudammseite (Zeichnung; Pozzo piezometrico = Wasserschloss)

Literatur

• Charles Jaeger: Technische Hydraulik. Verlag Birkhäuser, Basel 1949, S. 175ff (Abschnitt 7.).