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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung kinetischer
Energie eines strömenden Mediums, insbesondere Wasser,
mit um eine Drehachse gelagerten, axial zueinander beabstandeten
Tragscheiben, zwischen denen Druckflächen angeordnet sind,
die um eine Schwenkachse an den Tragscheiben schwenkbar gelagert
sind und sich an Anschlägen, die die Schwenkbewegung der
Druckflächen begrenzen, abstützen, wobei die Druckfläche als
ein Hohlprofil ausgebildet ist.
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Aus
der
WO 2005/1087801
A1 ist eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der kinetischen
Energie strömenden Wassers bekannt, mit mehreren, um eine
gemeinsame Rotorachse kreisenden Druckflächen, die um parallel
und mit Abstand zur Rotorachse angeordneten Achsen schwenkbar sind.
Diese Vorrichtung dient insbesondere zur Energiegewinnung aus Gezeitenströmungen
des Meeres, wobei die Druckflächen pendelartig an den Schwenkachsen befestigt
sind. In den Radialebenen zwischen den Schwenkachsen und der Rotorachse
sind Anschlagelemente für die Druckflächen angeordnet.
Die Druckflächen sowie die Tragscheiben sind hohl ausgebildet.
Als Anschlagelemente sind parallel zur Rotorachse angeordnete Stangen
vorgesehen, gegen die sich die Druckflächen abstützen,
wenn sie in der richtigen Orientierung in einer Fluidströmung
stehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einem verbesserten
Wirkungsgrad bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzbarmachung
kinetischer Energie eines strömenden Mediums mit um eine
Drehachse gelagerten, axial zueinander beabstandeten Tragscheiben,
zwischen denen Druckflächen angeordnet sind, die um eine Schwenkachse
an den Tragscheiben schwenkbar gelagert sind und sich an Anschlägen,
die die Schwenkbewegung begrenzen, abstützen, wobei die Druckfläche
als ein Hohlprofil ausgebildet ist, sieht vor, dass innerhalb der
Druckfläche zu der Schwenkachse beabstandet ein Versteifungselement
angeordnet ist, das sich zwischen Stirnflächen der Druckfläche
erstreckt und dass die Anschläge als an den Tragscheiben
angeordnete Vorsprünge ausgebildet sind. Durch das Versteifungselement
innerhalb der Druckfläche ist es möglich, die
Druckfläche in sich sehr steif zu bauen, so dass hohe Flächendrücke über
die Druckfläche auf die Tragscheiben aufgebracht werden
können, ohne dass es zu übermäßigen
Verformungen innerhalb der Druckfläche kommt. Die hohe
Steifigkeit der Druckfläche ermöglicht es, dass
die Anschläge als an den Tragscheiben angeordnete Vorsprünge
ausgebildet sein können. Dadurch ist es möglich,
dass nur an den den Tragscheiben zugewandten Enden im Bereich der
Stirnflächen der Druckfläche Vorsprünge
oder Anschlagelemente angeordnet sein müssen, die sich
in Axialrichtung, also entlang der Drehachse der Vorrichtung bzw.
der Schwenkachse der Druckflächen, nur über eine
relativ geringe Ausdehnung erstrecken. Es sind also keine durchgehenden,
die Tragscheiben verbindenden Anschlagstangen mehr erforderlich,
die bei der Bewegung gegen die Strömung einen großen
Widerstand, der der Drehung der Tragscheiben entgegenwirkt, verursachen.
So kann das strömende Medium nahezu ungehindert zwischen
den Tragscheiben hindurchströmen, wenn sich die Druckflächen
nicht in der Druck übertragenden Stellung befinden. Dies führt
zu erheblichen Verringerungen des gegen die Antriebsrichtung wirkenden
Momentes, das durch die Anströmung des Mediums gegen die
Anschläge erzeugt wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Versteifungselement
selbst als ein Hohlprofil oder als ein H-Träger ausgebildet
ist, so dass ein hoher Versteifungsgrad bei geringem Materialeinsatz des
Versteifungselementes erreicht wird. Dadurch können die Druckflächen
selbst sehr leicht ausgebildet werden.
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Das
Versteifungselement erstreckt sich in seiner Längserstreckung
im Wesentlichen parallel zu der Schwenkachse der Druckfläche,
um die auf die Druckfläche wirkenden Druckkräfte
gleichmäßig zu verteilen. Durch eine solche Anordnung
kann das Versteifungselement sehr kurz ausgebildet sein. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, dass das Versteifungselement
eine kontrollierte Form aufweist, die dem Belastungsprofil der Druckscheibe
folgt. Es können auch mehrere Versteifungselemente innerhalb
der Druckfläche angeordnet sein, sofern dies aus Steifigkeitsgründen
notwendig ist. Weiterhin wird die durch die Entfernung der Anschlagstangen
reduzierte Festigkeit der Gesamtkonstruktion durch die Versteifungselemente
in den Druckflächen wiederhergestellt.
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Die
Druckfläche weist vorteilhafterweise eine gewölbte
Querschnittskontur auf, wobei das Versteifungselement, sofern nur
eins vorgesehen ist, in dem Scheitelpunkt der Wölbung angeordnet
ist. Sofern mehrere Versteifungselemente innerhalb der Druckfläche
angeordnet sind, sind diese im Querschnitt der Kontur der gewölbten
Druckfläche folgend innerhalb der Druckfläche
angeordnet.
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Die
Druckfläche besteht vorteilhafterweise aus zwei zueinander
beabstandeten, miteinander verbundenen Oberflächenprofilen,
die spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene der Druckfläche
angeordnet sind. Die Oberflächenprofile, beispielsweise aus
einem gebogenen Blech gebildet, überspannen das Versteifungselement
oder die Versteifungselemente und bilden ein strömungsgünstiges,
möglichst widerstandsarmes Profil aus, wenn die Druckfläche ohne
Anschlag in der Strömung gehalten ist. Die spiegelsymmetrische
Ausgestaltung der Oberflächenprofile ermöglicht
es, dass die Vorrichtung in beiden Drehrichtungen getrieben werden
kann, so dass sie auch als Gezeitenkraftwerk eingesetzt werden kann.
Die Vorrichtung ist insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie
vorgesehen, grundsätzlich ist jedoch auch möglich,
dass die kinetische Energie des strömenden Mediums in eine
andere Bewegungsform umgewandelt wird, beispielsweise in eine Drehbewegung
oder in eine Hubbewegung zur Erzeugung eines Pumpenhubes.
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Die
spiegelsymmetrische Ausgestaltung der Oberflächenprofile
erleichtert die Fertigung, da nur eine Form vorrätig sein
muss. Es ist möglich, dass die Wölbung der Oberflächenprofile
bei dem Überspannen des Versteifungselementes erzeugt wird. Die
Oberflächenprofile sind miteinander verbunden, entweder
unmittelbar an den Längskanten oder durch ein Versteifungselement
in dem Bereich der vorderen und/oder hinteren Längskante.
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Die
Druckfläche kann entlang zumindest einer Längskante
ein Kantenelement aufweisen, an dem die Oberflächenprofile
der Druckfläche befestigt sind. Die Befestigung kann beispielsweise
durch Anschweißen der Oberflächenprofile an dem
Kantenelement erfolgen. Eine andere Art und Weise der Befestigung
ist ebenfalls vorgesehen. Das Kantenprofil kann als ein Rohr oder
Rundstab ausgebildet sein, insbesondere wenn dieses Kantenelement
an der vorderen, der Strömung zugewandten Gelenkseite angeordnet
ist. Dadurch wird gleichzeitig ein strömungsgünstig
geformter Profilquerschnitt im Bereich der vorderen Längskante
erzeugt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an den Stirnseiten der
Druckfläche Abschlussleisten befestigt sind, um das Hohlprofil
nach außen abzuschließen und ggf. abzudichten.
Ebenfalls können diese Abschlussleisten Ausnehmungen für Lagerzapfen
aufweisen, die an den Tragscheiben angeordnet sind. Über
diese Lagerzapfen kann dann die jeweilige Druckfläche pendelartig
schwenkbar zwischen den Tragscheiben gelagert werden. Zur Anpassung
der Schwenkachse an die jeweils benötigten Gegebenheiten,
beispielsweise zur Anpassung an unterschiedliche Durchmesser der
Tragscheiben, ist es vorgesehen, dass mehrere Ausnehmungen in Längserstreckung
der Abschlussleiste hintereinander angeordnet sind, so dass durch
einfaches Einführen der Lagerzapfen in die jeweils erforderliche
und vorgesehene Ausnehmung eine Veränderung der Position
der Druckflächen zwischen den Tragscheiben vorgenommen werden
kann.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Schwenkachse außermittig
der Druckfläche angeordnet ist, insbesondere dass die Schwenkachse
im Bereich der vorderen Längskante der Druckfläche angeordnet
ist. Das Versteifungselement kann ebenfalls außermittig
der Druckfläche angeordnet sein, wobei es vorgesehen ist,
dass der Scheitelpunkt der Wölbung der Oberflächenprofile
von der Mitte aus gesehen in Richtung auf die Schwenkachse verschoben
ist. Die Druckfläche hat dann ein sich in Richtung auf
die hintere Längskante verschlankendes Profil, das bei
einer nicht an den Anschlägen anliegenden, nicht zum Antrieb
der Tragscheiben beitragenden Ausrichtung der Druckflächen
einen möglichst geringen Druckwiderstand bietet.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung in axialer Draufsicht;
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2 eine
schematische Rückansicht;
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3 eine
teilgeschnittene Darstellung einer Druckfläche;
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4 eine
Schnittdarstellung einer Druckfläche; sowie
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5 eine
Seitenansicht einer Abschlussleiste.
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In
der Figur ist in einer schematischen Axialdraufsicht eine Vorrichtung 1 zur
Nutzbarmachung der kinetischen Energie eines strömenden
Mediums gezeigt. Als strömendes Medium ist insbesondere Wasser
geeignet, entweder in fließenden Gewässern oder
an Orten mit einer hohen Gezeitenströmung. Die Vorrichtung 1 weist
zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Tragscheiben 2 auf,
die um eine gemeinsame Drehachse 6 verschwenkbar gelagert
sind. Beide Tragscheiben 2 sind durch eine Welle 7 miteinander
gekoppelt. Von der Welle 7 und/oder von den Tragscheiben 2 können
Einrichtungen zur Übertragung der Rotationsbewegung abzweigen, beispielsweise
eine Koppeleinrichtung mit einem Getriebe, ein Kurbeltrieb oder
dergleichen. Insbesondere werden solche Vorrichtungen zur Erzeugung
elektrischer Energie eingesetzt, so dass eine Kopplung mit einem
Generator vorgesehen ist. Zwischen den beiden Tragscheiben 2 sind
Druckflächen 3, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
fünf Druckflächen 3 schwenkbar um Schwenkachsen 4 gelagert.
Bevorzugt werden sieben Druckflächen 3 gleichmäßig
verteilt auf dem Umfang der Tragscheiben 2 angeordnet, wobei
die breite der Druckflächen 3, also der Abstand zwischen
der vorderen und der hinteren Längskante, so bemessen ist,
dass die hintere Längskante gerade noch an den vorderen
Längskanten der benachbarten Druckflächen 3 vorbeischwenken
kann. Der Abstand zwischen der hinteren Längskante und
der Welle 7 wird vorzugsweise minimal gewählt,
um einen maximalen Antriebswiderstand zu erzielen. Durch die so
vorgenommene Dimensionierung der Druckflächen 3 kommt
es dazu, dass bei in der Praxis nicht vorkommenden gegenläufigen
Schwenkbewegungen die Druckflächen 3 einander überlappen.
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Die
Schwenkachsen 4 verlaufen im Wesentlichen parallel zur
Drehachse 6 der Vorrichtung. Die Druckflächen 3 sind
pendelartig zwischen den Tragschreiben 2 gelagert, wobei
die Schwenkachse 4 im Bereich der vorderen Längskante
der Druckflächen angeordnet ist. Das hintere Ende der Druckfläche, also
die von der Schwenkachse 4 entfernt angeordnet Längskante,
stützt sich in bestimmten Stellungen der Druckflächen 3 gegenüber
Anschlägen 5 ab, die ebenfalls an den Tragscheiben 2 ausgebildet
oder befestigt sind.
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Strömt
das Wasser, wie durch den rechten Pfeil angedeutet, von rechts gegen
die Vorrichtung 1, legen sich die oberhalb der Drehachse 6 befindlichen Druckflächen 3 gegen
die Anschläge 5 an und übertragen die
auf die Druckflächen 5 wirkenden Druckkräfte über
die Schwenkachsen 4 und die entsprechenden Lagerungen und
die Anschläge 5 auf die Tragscheiben 2,
von denen das dadurch entstehende Drehmoment auf die Welle 7 übertragen
wird. Die unterhalb der Drehachse 6 angeordneten Druckflächen 3 legen
sich in die Strömung, so dass nur ein geringer Widerstand
der unterhalb der Drehachse 6 befindlichen Druckflächen 3 dem
Antriebsmoment entgegenwirkt. Dadurch erfolgt eine Drehung entgegen dem
Uhrzeigersinn um die Drehachse 6. Sobald die in Strömungsrichtung
des Mediums gesehen hintere Druckfläche 3 mit
der Schwenkachse 4 unterhalb der Drehachse 6 liegt,
ergibt sich eine Kraftkomponente aufgrund der Anströmung,
die eine Schwenkbewegung der Druckfläche 3 um
die Schwenkachse 4 bewirkt, so dass die Druckfläche 3 umklappt,
was durch den gestrichelten Pfeil angedeutet wird. Die hintere Druckfläche 3 bietet
dann keinen oder nur einen geringen Widerstand gegenüber
der Fluidströmung. Dreht sich die Strömungsrichtung
um, legen sich die Druckflächen 3 von der anderen
Seite gegen die Anschläge 5 und die Drehrichtung
der Vorrichtung 1 wird umgekehrt.
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In
der 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 1 gezeigt,
an der zu erkennen ist, dass die beiden Tragscheiben 2 im
Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Tragscheiben 2 können
entweder als massive Scheiben oder als Hohlkörper ausgebildet
sein, um einen gegebenenfalls benötigten Auftrieb bereitzustellen.
Die Druckflächen 3 sind um Schwenkzapfen 8 an
den Tragscheiben 2 gelagert. Die Anschläge 5 sind
als Vorsprünge oder Zapfen ausgebildet, die sich nur so
weit in Richtung auf die Stirnseiten der Tragflächen 3 erstrecken,
dass die Druckflächen 3 sich sicher abstützen
können. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Vorsprünge 5 als Zapfen ausgebildet,
die in unmittelbarer Nähe zu der Welle 7 konzentrisch
zu der Drehachse 6 angeordnet sind. Zwischen zwei einander
gegenüberliegenden Anschlägen 5 ist ein
Freiraum ausgebildet, so dass das anströmende Medium im Wesentlichen
frei zwischen den Tragscheiben 2 hindurchströmen
kann. In der 2 sind nicht sämtliche Druckflächen 3 eingezeichnet,
sondern nur die obere und untere Druckfläche 3 im
Stillstand der Vorrichtung. Strömt ein Fluid in Richtung
aus der Blattebene heraus, wird die obere Druckfläche 3 gegen
die Anschläge 5 gedrückt, während
die untere Druckfläche 3 mit dem hinteren Ende
angehoben und um die Schwenkachse 4 verschwenkt wird, da
kein Widerlager vorhanden ist, das die Schwenkbewegung um die Lagerzapfen 8 verhindern
würde.
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In
der 3 ist eine schematische Darstellung einer Druckfläche 3 in
Draufsicht gezeigt. Die Druckfläche 3 weist an
ihren Stirnseiten zwei Abschlussleisten 31 auf, zwischen
denen Oberflächenprofile 32 angeordnet sind. In
der Draufsicht gemäß der 3 ist nur
ein Oberflächenprofil 32 dargestellt, der Querschnitt
der Druckflächen 3 wird in der 4 näher
erläutert werden. Zwischen den beiden Abschlussleisten 31 erstreckt
sich ein Versteifungselement 33, das sich im Wesentlichen
parallel zu der Schwenkachse 4 erstreckt. Das Versteifungselement 33 dient
dazu, eine Durchbiegung der Oberflächenprofile 32 aufgrund
des Flächendruckes durch das anströmende Medium,
zum Beispiel Wasser, zu verringern oder zu vermeiden. An den Außenseiten
der Abschlussleisten 31 sind Ausnehmungen 311, 312, 313 für
die Lagerzapfen 8 vorgesehen, damit die Druckflächen 3 über
die Abschlussleisten 31 schwenkbar zwischen den Tragscheiben 2 gelagert werden
können. Die Ausnehmungen 311, 312, 313 liegen
in Längserstreckung der Abschlussleisten 31 hintereinander,
damit die Lagerzapfen 8 an unterschiedlichen Orten innerhalb
der Abschlussleisten 31 eingeführt werden können.
Dadurch verschiebt sich die Schwenkachse 4 von der Vorderkante
der Druckfläche 3 in Richtung auf die Mitte der
Druckfläche 3.
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In
der 4 ist eine Querschnittsdarstellung der Druckfläche 3 dargestellt.
Die stirnseitige Abschlussleiste 31 ist an den Oberflächenprofilen 32, 34 dauerhaft
befestigt, insbesondere angeschweißt. Der Querschnitt der
Druckfläche 3 ist zu einer Mittelebene 30 spiegelsymmetrisch,
damit die Drehrichtungsumkehr der Vorrichtung 1 problemlos
realisiert werden kann. An der Vorderkante der Oberflächenprofile 32, 34 ist
ein Kantenelement 35 angeordnet, das als Rundstab ausgebildet
ist. Die Vorderkanten der Oberflächenprofile 32, 34 sind
an dem Kantenelement 35 angeschweißt. Die hinteren
Kanten der Oberflächenprofile 32, 34 sind
miteinander verschweißt. Zwischen den Oberflächenprofilen 32, 34 ist
ein Hohlraum ausgebildet, in dem ein Versteifungselement 33,
vorliegend in Gestalt eines Rohres, angeordnet ist. Die Oberflächenprofile 32, 34 überspannen
das Versteifungselement 33 und können mit diesem
fest verbunden sein, beispielsweise verschweißt. Neben
dem dargestellten Rohrprofil kann das Versteifungselement 33 auch
als ein andersartig ausgestaltetes Profil ausgebildet sein, beispielsweise als
ein H-Träger oder so genannter Doppel-T-Träger. Durch
das Versteifungselement 33, das zwischen den Abschlussleisten 31 angeordnet
ist und mit den Abschlussleisten 31 kraftübertragend
verbunden ist, wird die Steifigkeit der Druckflächen 3 signifikant
erhöht. Als zweiter Versteifungsfaktor ist das Kantenelement 35 vorgesehen,
das ebenfalls eine Versteifung gegenüber den wirksamen
Druckkräften bereitstellt und einer Verformung der Druckflächen 3 entgegenwirkt,
die durch den Flächendruck auf den Oberflächenprofilen 32, 34 erzeugt
wird. Das Versteifungselement 33 ist an der größten
Dicke der Oberfläche 3 angeordnet, also im Scheitelpunkt
der Wölbung der Oberflächenprofile 32, 34.
Sollten weitere Versteifungen notwendig sein, können weitere
Versteifungselemente innerhalb der Druckfläche 3 angeordnet
werden. Die Wölbung der Oberflächenprofile 32, 34 dient
zur weiteren Versteifung der Druckfläche 3.
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In
der dargestellten Ausführungsform ist das Versteifungselement 33 außermittig
an der Druckfläche 3 angeordnet, das heißt,
dass das Versteifungselement 33 aus der Mitte in Richtung
auf die Vorderkante oder das Kantenelement 34 verschoben
angeordnet ist. Dadurch wird ein besonders geringer Strömungswiderstand
erreicht, wenn die Druckflächen 3 in der Strömung
liegen und sich nicht gegenüber den Anschlägen 5 abstützen.
Das runde Kantenelement 34 verringert den Strömungswiderstand
zusätzlich.
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In
der 5 ist eine Seitenansicht einer Abschlussleiste 31 gezeigt,
in der zu erkennen ist, dass entlang der Mittelebene 30 der
Abschlussleiste 31 und damit auch in der Mittelebene der
Druckfläche 3 mehrere Ausnehmungen 311, 312, 313 hintereinander
angeordnet sind, die als Aufnahme für die Drehzapfen und
Lagerzapfen 8 dienen.
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Da
die Druckflächen 3 als Hohlprofile ausgebildet
sind, können diese auch gegenüber dem Eintritt
des strömenden Mediums abgelichtet sein, so dass sich ein
Auftrieb der Druckflächen 3 realisieren lässt,
so dass diese leichter in der Strömung liegen, wenn diese
nicht als Druck übertragende Widerstandsflächen
eingesetzt werden.
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Neben
einem Einsatz der Vorrichtung als Antriebseinrichtung für
einen Generator oder eine Arbeitsmaschine kann sie umgekehrt auch
selbst von einem Motor angetrieben werden, um eine Fluidströmung
zu erzeugen. Aufgrund der steifen Konstruktion der Druckflächen
und dem hohen Wirkungsgrad aufgrund des Wegfalls der Anschlagstangen
können hohe Drücke, Strömungsgeschwindigkeiten
oder Förderleistungen erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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