DE102011016842B3

DE102011016842B3 - Anlage und Verfahren zum Erzeugen von Fortschreitenden Wasserwellen

Info

Publication number: DE102011016842B3
Application number: DE201110016842
Authority: DE
Inventors: Martin Müller; Falko Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-04-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage und ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, fortschreitenden Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken (19), wobei die Anlage einen Verdrängerkörper (1) umfasst, der ausgelegt ist, aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche (20) befindet, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse (24) in eine Endposition, in der er sich teilweise unterhalb der Wasseroberfläche (20) befindet, derart überzugehen, dass eine mit dem Übergang des Verdrängerkörpers (1) einhergehende Wasserverdrängung die fortschreitende Wasserwelle erzeugt. Dabei ist die geometrische Form des Verdrängerkörpers (1) derart ausgestaltet ist, dass die erzeugte Wasserwelle im Wesentlichen ringförmig ist. Die Anlage umfasst auch Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers (1) aus der Endposition in die Anfangsposition.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Anlagen und Verfahren zum Erzeugen von Wellen und insbesondere auf eine Anlage und ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten fortschreitenden Ringwellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemein sind Wellengeneratoren bekannt, z. B. aus Forschungseinrichtungen, um das Strömungsverhalten von Wasserfahrzeugen zu testen oder Uferbefestigungen zu untersuchen. Derartige Tests erfolgen häufig im verkleinerten Modellmaßstab. Wellengeneratoren kommen zudem in Schwimmbädern zum Einsatz.
Das Prinzip der Wellenerzeugung beruht auf der Verdrängung von Wasser. Z. B. werden Pumpen verwendet, die mithilfe einer starken Wasserströmung unter ständigem Energieaufwand eine ortsfeste Welle erzeugen. Alternativ werden Paddel bzw. Klappen im Wasser auf und nieder bewegt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Translation eines Verdrängungskörpers im Wasser. Auch Anlagen mit komplexem Aufbau sind bekannt, die im Zeitabstand von Minuten Einzelwellen erzeugen. Herstellung und Betrieb solcher Anlagen sind jedoch entsprechend kostspielig.
Grundsätzlich sind beliebige Wellenformen möglich. Für den Wassersport sind insbesondere hohe Wellen gewünscht, die sich in den oberen Wasserschichten ausbreiten und brechen.
In Anbetracht steigender Energiepreise und im Sinne eines wachsenden Umweltbewusstseins, sollte der Energiebedarf für eine Wellenerzeugungsanlage reduziert werden. Unter Rentabilitätsbetrachtungen sollte eine Wellenerzeugungsanlage zudem billig in der Herstellung, langlebig und einfach zu warten sein.
Die US-amerikanische Patentschrift US 4,810,129 A zeigt eine Anordnung zur Erzeugung künstlicher Wellen in einem Wassercontainer mit einem Schwimmkörper, der ständig horizontal im Wasser hin- und her bewegt wird, um Wellen zu erzeugen. Durch die besondere Form des Schwimmkörpers werden Resonanzeffekte begünstigt.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 98/45553 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von stehenden Wellen bekannt, die einen schalenförmigen Verdrängungskörper umfasst, der in einem Wasserbassin angeordnet ist und durch ein Hubelement vertikal im Wasser auf und nieder bewegt wird. Um Resonanzeffekte auszunutzen, wird die Bewegungsfrequenz an die Wellenfrequenz im Wasserbassin empirisch angeglichen.
Darüber hinaus zeigt die deutsche Patentanmeldung DE 25 51 052 A1 einen Generator zur Erzeugung von Wellen in einem Wasserbecken, mit einem im Querschnitt prismenförmigen Verdrängungskörper, der zur Erzeugung von periodischen, im Wesentlichen symmetrischen Wellen entlang einer Böschung im Wasser ebenfalls hin- und her bewegt wird.
Eine Vorrichtung, um eine Flüssigkeit, insbesondere deren Oberfläche, in Bewegung zu versetzen, welche eine schwimmende oder eingetauchte Einheit umfasst, ist aus der DE 691 26 608 T2 bekannt. Die Einheit umfasst zwei Körper, welche durch mindestens ein Mittel miteinander verbunden sind. Dabei dient das Mittel der Verlagerung der Körper zueinander, so dass eine Bewegung innerhalb der Flüssigkeit, insbesondere an ihrer Oberfläche hervorgerufen wird.
Aus der DE 600 36 947 T2 ist eine Wellensimulationsvorrichtung bekannt, welche Mittel zum Ausstoßen eines Fluids umfasst.
Aus der FR 2 465 849 A1 ist ein Schwimmbecken zum gemischten Betrieb bekannt, in welchem Welleneffekte erzeugt werden können.
Eine Wellenanlage mit einem zylindrischen Verdränger zur Erzeugung von für den Wassersport geeigneten Linearwellen unter Ausnutzung der Schwerkraft ist in der vom Anmelder stammenden nachveröffentlichten DE 10 2010 035 117 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von ringförmigen, für den Wassersport geeigneten Wellen bereit zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Anlage zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, einzelnen fortschreitenden Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken bereit. Die Anlage umfasst einen Verdrängerkörper. Der Verdrängerkörper ist derart ausgelegt, dass er aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche in Ruhe befindet, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse in eine Endposition, in der er sich teilweise unterhalb der Wasseroberfläche befindet, übergeht. Dabei erzeugt die mit dem Übergang des Verdrängerkörpers bzw. dessen Aufprall auf die Wasseroberfläche einhergehende Wasserverdrängung die einzelne fortschreitende Wasserwelle, Die geometrische Form des Verdrängerkörpers ist derart ausgestaltet, dass die erzeugte Welle im Wesentlichen ringförmig ist. Die Anlage umfasst auch ein Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers von der Endposition in die Anfangsposition.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, einzelnen fortschreitenden Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken bereit, bei dem ein Verdrängerkörper aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche in Ruhe befindet, in eine Endposition, in der er sich teilweise unterhalb der Wasseroberfläche befindet, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse derart übergeht, dass die mit dem Übergang des Verdrängerkörpers einhergehende Wasserverdrängung die einzelne fortschreitende Wasserwelle erzeugt und der Verdrängerkörper anschließend von der Endposition in die Anfangsposition zurückgeführt wird, wobei die geometrische Form des Verdrängerkörpers bewirkt, dass die erzeugte Welle im Wesentlichen ringförmig ist.
Weitere Ausführungen und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. So zeigt
1a eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Erzeugung von ringförmigen Wellen, mit einem Verdrängerkörper, der sich in seiner Endposition befindet;
1b zeigt eine Seitenansicht der Wellenerzeugungsanlage gemäß 1a mit dem Verdrängerkörper in Anfangsposition;
2 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Koppelvorrichtung für eine Anlage zur Erzeugung von ringförmigen Wellen;
3a eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Koppelvorrichtung einer Wellenerzeugungsanlage;
3b eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Koppelvorrichtung einer Wellenerzeugungsanlage;
4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Erzeugung von ringförmigen Wellen, die eine Hebevorrichtung für Montagezwecke aufweist;
5a eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines ellipsenförmigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit einem zentral angeordneten Verdrängerkörper; und
5b eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines runden Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit einem dezentral angeordneten Verdrängerkörper.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Vor einer detaillierten Beschreibung der Wellenerzeugungsanlage folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile.
Wie eingangs erwähnt, ist es Ziel der Erfindung, eine Anlage und ein Verfahren zur Wellenerzeugung bereit zu stellen, die möglichst wenig Energie verbrauchen, wobei die erzeugten Wellen für den Wassersport geeignet sein sollen. Ferner soll eine Wellenerzeugungsanlage bereit gestellt werden, die über einen kompakten und einfachen Aufbau verfügt, sodass sie in beliebigen Gewässern einsetzbar und kostengünstig ist.
Aus den oben genannten Druckschriften DE 25 51 052 A1 und US 4,810,129 A sind Vorrichtungen bekannt, die einen Verdrängungskörper permanent in einer Hin- und Her-Bewegung (sog. ”rocking motion”) antreiben. Dies erfordert eine ständige Energiezufuhr, um den Verdrängungskörper im Wasser zu bewegen. Zudem wird durch die Ausnutzung von Resonanzeffekten eine stehende Welle erzeugt. Die in der Druckschrift WO 98/45553 A1 gezeigte Anlage weist neben einem Verdrängungskörper eine Hubanlage auf, die oberhalb des Beckens angeordnet ist, sodass entweder ein Dach oder eine aufwändige Brückenkonstruktion über dem Wasserbecken vorgesehen sein muss. Darüber hinaus wird die Bewegung des Verdrängungskörpers in Abhängigkeit der Größe des Wasserbeckens abgestimmt, um stehende Wellen zu erzeugen. Die Wellenerzeugungsanlage aus der DE 10 2010 035 117 A1 ist zum Erzeugen von sich linear ausbreitenden Wellen geeignet.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass für den Wassersport geeignete, einzelne, translatorische, ringförmige Wellen von beträchtlicher Höhe mit einer Wellenerzeugungsanlage wiederholbar und kostengünstig erzeugt werden können.
Zu diesem Zweck umfasst die Wellenerzeugungsanlage einen Verdrängerkörper, der bei Aufprall auf eine Wasseroberfläche und/oder beim Eintauchen ins Wasser durch die damit einhergehende Wasserverdrängung eine einzelne Wasserwelle erzeugt. Der Verdrängerkörper geht durch eine Bewegung, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse aus einer Anfangsposition in eine Endposition über. Die Vertikalachse des Verdrängerkörpers steht senkrecht auf dem Boden des Beckens. In manchen Ausführungsbeispielen bewegt sich der Verdrängerkörper beim Übergang entlang seiner Vertikalachse, also im 90°-Winkel zum Untergrund, bei anderen Ausführungsbeispielen bewegt sich der Verdrängerkörper beim Übergang entlang einer zur Vertikalachse geneigten Richtung.
Bei manchen Ausführungsbeispielen befindet sich der Verdrängerkörper in der Anfangsposition wenigstens teilweise außerhalb des Wassers, d. h. er befindet sich entweder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche oder ist teilweise eingetaucht. Die Endposition liegt unterhalb der Wasseroberfläche, sodass der Verdrängerkörper in Endposition vollständig oder teilweise unterhalb der Wasseroberfläche ist. Bevorzugt ist der Verdrängerkörper in der Endposition weitgehend ins Wasser getaucht.
Die geometrische Form des Verdrängerkörpers ist derart ausgestaltet, dass die erzeugten, fortschreitenden Wasserwellen im Wesentlichen ringförmig sind. Davon umfasst sind bspw. Wellen, die sich über 360° erstrecken, also geschlossene Wellen, als auch Wellen, die sich über einen Winkel kleiner 360° erstrecken. Umfasst sind auch bspw. kreisförmige Wellen, aber auch von der idealen Kreisform abweichende Wellen. Die Form der Wellen wird auch durch die Form des Beckens bestimmt, wie weiter unten ausführlich dargelegt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Verdrängerkörper als um seine Vertikalachse rotationssymmetrischer Körper, ggf. mit entlang der Vertikalachse veränderlichem Umfang ausgestaltet, insbesondere als kugelförmiger Körper. Möglich sind auch ellipsoidförmige Körper in Form eines Eis oder einer Linse. Dies ermöglicht es, die Form bzw. die Ausbreitungscharakteristik der erzeugten Welle zu beeinflussen. Alternativ ist der Verdrängerkörper im horizontalen Querschnitt nicht rotationssymmetrisch, sondern bspw. ellipsenförmig oder er weist im horizontalen Querschnitt eine Vieleck-Form auf.
Bei den Ausführungsbeispielen, in denen der Verdrängerkörper vollständig zur Wellenerzeugung in das Wasser eintaucht, weist bevorzugt der gesamte Verdrängerkörper die beschriebene Form auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen, in denen der Verdrängerkörper nur teilweise in das Wasser eintaucht, kann der obere Bereich, der nicht mit dem Wasser in Berührung kommt, eine davon abweichende, beliebige Form aufweisen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Verdrängerkörper eine Kugel. Durchmesser und Breite des Verdrängerkörpers sind entsprechend der gewünschten Wellenform und/oder den vorherrschenden Umgebungsbedingungen anpassbar, besonders bevorzugt beträgt der Durchmesser des Verdrängerkörpers acht bis zwölf Meter.
Befindet sich der Verdrängerkörper in der Anfangsposition vollständig außerhalb des Wassers, dann wird eine Welle wie folgt erzeugt:
In der Anfangsposition befindet sich der Verdrängerkörper in Ruhe. Er wird, wie weiter unten beschrieben, durch das Mittel zum Zurückführen oder durch seine Schwerkraft entlang der Vertikalachse beschleunigt und prallt mit einer Geschwindigkeit ν, die von der Anfangshöhe abhängt, auf die Wasseroberfläche auf. Bei Eintritt ins Wasser überträgt der Verdrängerkörper impulsartig seine Bewegungsenergie auf das Wasser, wodurch das Wasser verdrängt und der Verdrängerkörper abgebremst wird. Da der Verdrängerkörper lotrecht in das Wasser eintaucht, türmen sich die verdrängten Wassermassen rings um den Verdrängerkörper zu einer ringförmigen Welle auf, die sich aufgrund des übertragenen Impulses p entlang der Wasseroberfläche vom Verdrängerkörper entfernt und im Becken ausbreitet.
Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle werden maßgeblich durch den Impuls p des Verdrängerkörpers bei Aufprall auf das Wasser bestimmt. Je größer Masse m und Geschwindigkeit ν des Verdrängerkörpers, desto größer auch der Impulsübertrag Δp.
Befindet sich der Verdrängerkörper in Anfangsposition nur teilweise außerhalb des Wassers, erfolgt die Wasserverdrängung dadurch, dass der Verdrängerkörper mit einer definierten Geschwindigkeit weiter in das Wasser eintaucht.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass die Höhe h der Welle über die Masse m des Verdrängerkörpers variiert werden kann. Dazu ist der Verdrängerkörper bei manchen Ausführungsbeispielen als Hohlkörper ausgebildet, der zur Gewichtstrimmung ganz oder zum Teil mit Wasser befüllbar ist, um seine Masse m anzupassen. Andere Füllstoffe als Wasser sind ebenfalls möglich, z. B. Bentonit-Wasser-Suspensionen, deren Materialdichte ca. doppelt so groß wie die von Wasser ist. Dies spart Materialkosten für die Hülle des Verdrängers. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Verdränger gerade so gefüllt, dass er in der Endposition nicht absinkt, sondern schwimmt. Das Füllmaterial wird in einem im Inneren des Verdrängerkörpers vorgesehenen Trimm-Tank eingebracht, bspw. mittels Pumpen. Alternativ können im unteren Bereich des Verdrängers Flut- bzw. Lenzventile vorgesehen sein, sodass beim Eintauchen des Verdrängers nach Bedarf Wasser einströmt und beim Anheben des Verdrängers nach Bedarf Wasser ausströmt. Der Trimmwasser-Tank kann als separater Tank aufgebaut sein oder durch die Hülle des Verdrängerkörpers gebildet werden. Der Tank ist bei manchen Ausführungsbeispielen ebenfalls rotationssymmetrisch zur Vertikalachse angeordnet. Darüber hinaus kann auch die Höhe der Anfangsposition des Verdrängerkörpers variiert werden, um die Geschwindigkeit ν des Verdrängerkörpers beim Übergang aus der Anfangsposition in die Endposition zu verändern.
Bei manchen Ausführungsbeispielen besteht der Verdrängerkörper, d. h. dessen Hülle, aus Beton, Stahl oder Kunststoff. Andere Stoffe oder Stoffgemische sind möglich. Insbesondere eignen sich die verwendeten Materialien für den Einsatz in Wasser und sind korrosionsbeständig gegen Wasser, Salz und/oder UV-Strahlung. Der Verdrängerkörper ist bei einigen Ausführungsbeispielen vor Ort leicht montierbar, z. B. aus modularen Teilsegmenten aus Stahl oder Beton, bspw. in Form von „Apfelsinenschalen”. Betonsegmente werden z. B. mittels außen umlaufender Spannbänder zusammengepresst, sodass der Verdrängerkörper großen Belastungen, z. B. bei Aufprall auf das Wasser, stand hält. Alternativ werden Stahlelemente vor Ort verschweißt oder Kunststoffelemente nach bekannten Verfahren verklebt.
Die Erfinder haben erkannt, dass die erzeugte Welle geformt werden kann. Dazu steigt bei manchen Ausführungsbeispielen der Boden des Beckens bzw. des Gewässers radial um den Verdrängerkörper an und ist derart geformt, dass die Welle die gewünschte Form erhält. Bei manchen Ausführungsbeispielen befindet sich am Schnittpunkt der Vertikalachse mit dem Boden, was der Endposition des Verdrängers entspricht, die tiefste Stelle des Beckens. Die Abflachung des Bodens in Richtung des Ufers bzw. des Beckenrandes kann linear oder entlang einer beliebigen Kurvenform erfolgen. Bei machen Ausführungsbeispielen steigt der Boden in allen Richtungen gleichmäßig an. Alternativ können umfänglich flachere und tiefere Bereiche errichtet werden, indem bspw. Winkelsektoren mit unterschiedlichen Neigungswinkeln rund um die Endposition des Verdrängers vorgesehen sind, sodass sich aus den daraus resultierenden unterschiedlichen Wellenkonturen der Welle eine vielfältige Wellenlandschaft ergibt. Die Form des Bodens bildet eine feststehende Leitkontur für das verdrängte Wasser. Zwischen Verdrängerkörper und Boden wird ein ringförmiger Strömungskanal gebildet, wodurch die Wasserverdrängung verstärkt nach schräg oben und außen gerichtet wird. Die Geschwindigkeit des Wassers in diese Richtung nimmt zu, sodass ein hoher Wellenberg entsteht.
Diese ringförmige Bodenkontur besteht bei einigen Ausführungsbeispielen aus erosionsbeständigem Material, z. B. Gestein, Beton, Stahl oder Kunststoff-Folie.
Wie eingangs erwähnt, sind für Wassersportler insbesondere hohe Wellen mit langen Laufweiten attraktiv, die zudem brechen. In einigen Ausführungsbeispielen ist es daher vorgesehen, dass das Becken im Randbereich in Ausbreitungsrichtung der Welle kontinuierlich abflacht. Die Abflachung bewirkt zudem eine Aufsteilung der Wellenflanke, bis diese bricht. Ein Anstieg des Bodens kann natürlich bestehen, angepasst werden und/oder künstlich entsprechend den gewünschten Welleneigenschaften in einem Becken angelegt sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Boden im Randbereich ebenfalls in Winkelsektoren eingeteilt, in denen der Anstieg des Bodens unterschiedlich ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist eine Kombination von verschiedenen Winkelsektoren im Randbereich des Beckens und in direkter Nähe zur Endposition des Verdrängers vorgesehen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können am Boden des Beckens lokale Erhöhungen vorgesehen sein, die die Form der Welle beeinflussen, z. B. in Form von flachen, stufenförmigen quer oder schräg am Boden angeordneten Störkörpern. Diese bestehen bevorzugt ebenfalls aus erosionsbeständigem Material, z. B. Gestein, Beton, Stahl oder Kunststoff-Folie.
Zur weiteren Formung der Welle kann das Becken verschiedenartig ausgestaltet sein, z. B. kreisförmig oder ellipsenförmig. Auch die Nutzung von natürlich vorhandenen Gegebenheiten ist möglich. Die Wellenerzeugungsanlage kann im Zentrum eines Beckens angeordnet sein, dann erreichen die Wellen den Strand bzw. Rand des Beckens annähernd gleichzeitig. Die Anlage kann aber auch exzentrisch, also abseits vom Zentrum in einem Becken oder Gewässer angeordnet sein, um unterschiedliche Laufzeiten der Welle in unterschiedlicher Richtung zu erzielen. Möglich ist auch, dass die Wellenerzeugungsanlage an einer Landzunge, die in das Becken bzw. Gewässer hineinragt angeordnet ist und über diese erreichbar ist. Alternativ ist die Wellenerzeugungsanlage am Rand des Beckens angeordnet. Alle beschriebenen Maßnahmen ermöglichen die Errichtung einer variantenreichen Wasserlandschaft im Becken, z. B. mit einem Surf-Bereich für Wassersportler mit hohen, brechenden Wellen und langer Laufzeit und einem Bade-Bereich für Familien und Kinder mit flacheren Wellen, der bevorzugt im Randbereich des Beckens angeordnet ist. Der kompakte Aufbau der Wellenerzeugungsanlage ermöglicht, dass die Anlage in verschiedensten Umgebungen leicht und ohne Hilfskonstruktionen errichtet und betrieben werden kann.
Wenn die Anlage eine Welle erzeugt hat, muss für eine erneute Wellenerzeugung der Verdrängerkörper aus der Endposition zurück in die Anfangsposition befördert werden. Zu diesem Zweck umfasst die Wellenerzeugungsanlage ein Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers von der Endposition in die Anfangsposition, die den Verdrängerkörper unter Überwindung seiner Schwerkraft in die Anfangsposition bringt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers eine Hubeinrichtung zum Verstellen des Verdrängers und eine Koppelvorrichtung zur Verbindung von Hubeinrichtung und Verdrängerkörper.
Die Koppelvorrichtung dient dazu, Hubeinrichtung und Verdrängerkörper mit einander zu verbinden. Dies ist bspw. erforderlich, wenn der Verdrängerkörper aus der Endposition in die Anfangsposition gebracht werden soll. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Hubeinrichtung auch den Übergang des Verdrängerkörpers aus der Anfangsposition in die Endposition zusätzlich zur Schwerkraft unterstützt. Dann muss die Verbindung zwischen Hubeinrichtung und Verdrängerkörper bestehen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen geht der Verdrängerkörper durch Wirkung seiner Schwerkraft in die Endposition über. Dazu muss die Verbindung zwischen Verdrängerkörper und Hubeinrichtung trennbar sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Hubeinrichtung eine elektrisch-mechanische Hubspindel. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst die Hubeinrichtung einen einfach oder doppelt wirkenden Hydraulikzylinder. Diesel- ist durch geringe Abmessungen und einen einfachen Aufbau gekennzeichnet. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die hydraulische Hubeinrichtung auch mehrere Hydraulikzylinder. Im Folgenden wird ein Hydraulikzylinder exemplarisch beschrieben.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Hubeinrichtung ein im Wesentlichen entlang der Vertikalachse des Verdrängerkörpers angeordneter Hydraulikzylinder mit darin geführter Kolbenstange. Daran ist die Koppelvorrichtung befestigt, bevorzugt am oberen Ende der Kolbenstange. Bei geschlossener Koppelvorrichtung wirkt die Kolbenstange zwischen dem Boden des Beckens und dem Verdrängerkörper.
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind Verdrängerkörper und Kolbenstange mittels eines elastischen Zwischenelements fest verbunden. Das Zwischenelement toleriert kleinere Achswinkelfehler. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem elastischen Zwischenelement um eine Elastomer-Platte oder ein Federelement. Andere Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen greift die im Inneren des Verdrängers angeordnete Koppelvorrichtung am Innenrand der oberen Verdrängeröffnung an. Eine ringförmige Randverstärkung leitet die Kräfte in den Verdrängerkörper. Andere Ausgestaltungen, bei denen die Koppelvorrichtung bspw. außenseitig am Verdrängerkörper angreift, sind ebenfalls möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst den Hydraulikzylinder ein weiterer Mantelzylinder, der der Aufnahme des Rücklauföls dient. Auch nimmt der Mantelzylinder die vom Wasser auf den Verdränger ausgeübten Querkräfte auf. Der Mantelzylinder besteht bevorzugt aus korrosionsbeständigem Material oder ist an der Oberfläche korosionsbeständig. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Öl-Reservoir im Mantelzylinder angeordnet und umgibt den Hydraulikzylinder. Bei manchen Ausführungsbeispielen, in denen das Hydraulikaggregat auch eine Öl-Kühlung umfasst, dient der Mantelzylinder auch oder ausschließlich der Kühlung des Rücklauföls aus dem Hydraulikzylinder. Bevorzugt gibt die Wand des Mantelzylinders die thermische Energie des Öls an das in den Zwischenraum von Mantelzylinder und Trimmwasser-Tank eingedrungene Wasser ab. Ein Kühlaggregat kann alternativ an anderer Stelle im Inneren des Verdrängers angeordnet sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen dient der Mantelzylinder der Aufnahme von elektrischen und/oder hydraulischen Leitungen, bspw. die zur Versorgung des Hydraulikzylinders erforderlichen Saug- und Druckrohre.
Wie eingangs erwähnt, haben die Erfinder erkannt, dass der Verdrängerkörper allein durch die Wirkung seines Gewichtes zur Erzeugung von hohen ringförmigen Wellen verwendet werden kann. Dies reduziert die Sinkgeschwindigkeit des Hydraulikkolbens und dient der Schonung von Zylinderdichtungen. Dazu wird der Verdrängerkörper bei machen Ausführungsbeispielen mittels Koppelvorrichtung, von der Kolbenstange getrennt, wenn sich der Verdränger in der Anfangsposition befindet. Der Verdränger, sofern er sich über der Wasseroberfläche befand, vollzieht dann bspw. einen freien Fall entlang seiner Vertikalachse, bis er auf das Wasser auftrifft und sinkt danach im Kräftespiel von Schwerkraft und zunehmendem Auftrieb ab, bspw. bis er schwimmt.
Zu diesem Zweck umfasst die Koppelvorrichtung einen an der Kolbenstange angeordneten Sockel, wenigstens zwei, bevorzugt zwölf zwischen einer ersten und einer zweiten Position verstellbare Hebelelemente. In erster Position der Hebelelemente sind Hubeinrichtung und Koppelvorrichtung miteinander verbunden. In zweiter Position der Hebelelemente sind Hubeinrichtung und Koppelvorrichtung voneinander getrennt. Bei manchen Ausführungsbeispielen liegt der Verdrängerkörper auf den Hebelelementen in erster Position auf oder die Hebelelemente greifen an den Verdrängerkörper an. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Hebelelemente über ein Gelenk drehbar an der Kolbenstange oder dem umlaufenden und fest mit der Kolbenstange verbundenen Sockel angeordnet und der Wechsel von erster in die zweite Position erfolgt über eine Drehung der Hebelelemente um das Gelenk. Die Koppelvorrichtung umfasst auch wenigstens zwei Kolbenelemente zum synchronen Verstellen je eines Hebelelements. Die Kolbenelemente verstellen die Hebelelemente aus der zweiten in die erste Position, bspw. indem sie sie in Drehung versetzen. Die Kolbenelemente dienen bei manchen Ausführungsbeispielen auch dazu, die Hebelelemente in der ersten Position zu halten. Die Kolbenelemente sind bei manchen Ausführungsbeispielen an einer gemeinsamen Öldruckkammer zur Öldruckbeaufschlagung angeordnet. Dabei kommt wenigstens eine Ölpumpe zum Einsatz, die das Öl aus einem Öl-Tank in die gemeinsame Öldruckkammer befördert. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Koppelvorrichtung wenigstens ein zwischen den Hebelelementen und dem Verdrängerkörper wirkendes erstes Federelement, das durch das Gewicht des Verdrängerkörpers vorgespannt wird, wenn die Hubeinrichtung und der Verdrängerkörper verbunden sind. Ferner umfasst die Koppelvorrichtung auch wenigstens ein auf die Hebelelemente wirkendes zweites Federelement. Dabei sind die Kolbenelemente derart ausgestaltet, dass sie bei Öldruckbeaufschlagung je ein Hebelelement entgegen der Kraftwirkung des zweiten Federelementes in die erste Position verstellen. Das wenigstens erste und zweite Federelement sind derart ausgestaltet, dass sie die Hebelelemente ohne Öldruckbeaufschlagung der Kolbenelemente in die zweite Position verstellen. Die Federelemente dienen zum Trennen der Koppelvorrichtung von der Hubeinrichtung. Das zweite Federelement wirkt antagonistisch zu den Kolbenelementen. Die Federelemente können einstückig ausgebildet sein, oder eine Mehrzahl von Federn umfassen. Das zweite Federelement ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass es die Hebelelemente in der zweiten Position hält. Die Kraftwirkung der Federelemente wird durch Drehung, Verbiegung und/oder Zusammenpressen der Federelemente aufgebaut, insbesondere wird die Kraftwirkung des zweiten Federelementes aufgebaut, wenn die Kolbenelemente bei Öldruckbeaufschlagung die Hebelelemente in die erste Position verstellen.
Für den gesamten Hubvorgang des Verdrängerkörpers aus der Endposition in die Anfangsposition werden die Hebelelemente in der ersten Position gehalten. Wenn der Verdrängerkörper die Anfangsposition erreicht hat und eine weitere ringförmige Welle erzeugt werden soll, werden die Ventile der Öldruckkammer geöffnet. Instantan entfaltet sich die Wirkung des ersten Federelements auf die Hebelelemente. Diese werden dadurch aus der ersten Position zurück in die zweite Position beschleunigt, die Kolbenelemente werden dabei bspw. durch die Hebelelemente in den eingangs genannten Sockel hinein verschoben. Bevorzugt sind die Kolbenelemente mit einer herkömmlichen Endlagedämpfung versehen, sodass eine Abbremsung der Kolben ohne Prellschlag erfolgt. Der Verdrängerkörper kann nun frei fallen und eine neue Welle erzeugen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird gleichzeitig mit den Ventilen der Öldruckkammer auch wenigstens ein Ventil des unteren Kolbenraums des Hydraulikzylinders geöffnet, um ein Nachschieben der Kolbenstange infolge der Ölelastizität zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann der obere Kolbenraum des Hydraulikzylinders vor einer Trennung von Kolbenstange und Verdränger mittels wenigstens eines Ventils verschlossen werden. Damit ist eine Bewegung der Kolbenstange während des Verdrängerabwurfs blockiert.
Das wenigstens eine erste Federelement umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen eine oder mehrere Tellerfedern, Torsionsfedern, Schraubenfedern und/oder Biegefedern oder Mischformen daraus. Das erste Federelement ist bevorzugt derart ausgestaltet, die Hebelelemente stärker als die auf den Verdränger wirkende Erdbeschleunigung zu beschleunigen, sodass unerwünschte Reibeffekte zwischen Verdrängerkörper und den Hebelelementen im Wesentlichen vermieden werden. Dies verringert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer bei gleichzeitiger Verringerung des Wartungsbedarfs der Anlage. Pro Hebelelement kann ein Federelement, bspw. in Form einer Feder vorgesehen sein, alternativ ist die Anzahl der Federelemente kleiner als die Anzahl der Hebelelemente.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das wenigstens eine erste Federelement vorgespannt. Das erste Federelement kann derart angeordnet sein, dass es leicht bspw. gegen andere Federn mit veränderter Federhärte ausgetauscht und damit seine Wirkung an die Erfordernisse der Wellenerzeugungsanlage angepasst werden kann. Federn sind zudem billige Standardbauteile, die die Wartung der Anlage erleichtern.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist, wie eingangs erwähnt, wenigstens ein zweites Federelement vorgesehen, das die Bewegung der Hebelelemente in die zweite Position fortsetzt, die durch das wenigstens erste Federelement initiiert wurde. Das zweite Federelement umfasst bspw. einen elastischen Ring aus Gummi, welcher alle Hebelelemente umfänglich umgreift, oder eine Schraubenzugfeder pro Hebelelement, die bspw. zwischen Sockel der Koppelvorrichtung und Hebelelement wirkt. Sofern ein Hebelelement und/oder ein dazugehöriges Kolbenelement verklemmt, sorgt bspw. das zweite, als elastischer Ring ausgestaltete Federelement dafür, dass alle Hebelelemente synchron in die zweite Position übergehen. So erfahren Nachzügler unter den Hebeln eine höhere Rückstellkraft und kommen gleichzeitig mit den übrigen Hebeln in der zweiten Position an.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Kolbenstange, nachdem der Verdränger zur Wellenerzeugung abgeworfen wurde und in der freien Absenkung eine Welle erzeugt hat, durch ihr Eigengewicht oder durch Druck auf die obere Hubkolbenseite mittels der hydraulischen Hubeinrichtung und mit in zweiter Position befindlichen Hebelelementen nachträglich abgesenkt, um in der Endposition mit dem Verdrängerkörper wieder gekoppelt zu werden und den Verdrängerkörper, wie beschrieben, aus der Endposition in die Anfangsposition zu befördern. Sobald die Kolbenstange die Endposition erreicht hat, werden die Kolbenelemente erneut mittels Öldruckbeaufschlagung betätigt, die die Hebelelemente aus der zweiten Position in die erste Position verstellen. Die Hebelelemente greifen erneut bspw. an die Auflagefläche des Verdrängers ein. Die Kolbenstange kann nun den Verdränger in die Anfangsposition heben.
Die Koppelvorrichtung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass alle Hebelelemente und dazugehörige Kolbenelemente die gleiche Last tragen. Kleinere Bauungenauigkeiten werden durch das hydrostatische Stützsystem „weggebügelt”.
Die für die Koppelvorrichtung verwendeten Bauelemente sind einfach konzipiert und in ihrer Anzahl gering gehalten. So wird ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und ein Minimum an Wartungsaufwand erzielt. Das Konzept der Koppelvorrichtung verzichtet auf Schläuche, Zu- bzw. Ableitungen und/oder Rohre oder anderer Verbindungselemente, da diese für gewöhnlich Störungen und Ausfallzeiten der Anlage verursachen.
Andere Ausgestaltungen der Koppelvorrichtung sind möglich. Insbesondere sind andere Verstellmechanismen für die Hebelelemente denkbar.
Der Energiebedarf der Koppelvorrichtung kann in manchen Ausführungsbeispielen mittels Batterie gedeckt werden, die bspw. an der Koppelstange angeordnet ist. Alternativ erfolgt die Energieversorgung über eine elektrische Kontaktverbindung am oberen Ende des Hydraulikzylinders, deren Kabel durch den Mantelzylinder geführt werden. Alternativ kann die Energieübertragung berührungslos durch Induktion erfolgen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Verdrängerkörper der Anlage wenigstens ein am Hydraulikzylinder angreifendes Führungselement, das derart ausgestaltet ist, dass es den Übergang des Verdrängerkörpers aus der Anfangsposition in die Endposition führt, insbesondere dann, wenn sich der Verdränger bei gelöster Koppelvorrichtung im freien Fall befindet. Bei manchen Ausführungsbeispielen dienen der Mantelzylinder bzw. der Hydraulikzylinder und die Kolbenstange selbst der Führung des Verdrängerkörpers. Dazu umfasst der Verdrängerkörper eine Mehrzahl von Führungselementen, die bspw. als Führungsrollen ausgestaltet sind, die entweder auf der Außenseite des Mantelzylinders oder auf der Außenseite der Kolbenstange abrollen, wenn sich der Verdränger aus der Anfangs- in die Endposition bewegt. Die Führungsrollen können bspw. direkt an der Hülle des Verdrängerkörpers angeordnet sein oder der Verdränger umfasst eine Mehrzahl von von seiner Hülle nach innen ragenden Stützstreben, an deren Ende jeweils eine Führungsrolle angeordnet ist. Die Führungsrollen können außerhalb des Verdrängers und/oder in seinem Inneren angeordnet sein. Alternative Führungsmechanismen, bspw. Führungsschienen auf den genannten Außenseiten, oder Kombinationen von Führungsmechanismen sind ebenfalls denkbar.
Bei machen Ausführungsbeispielen ist der Verdrängerkörper um die Vertikalachse drehbar gelagert. Dies ermöglicht es, die große, glatte und runde Oberfläche des Verdrängerkörpers als Werbe- bzw. Präsentationsfläche zu nutzen. Bspw. kann die Oberfläche entsprechend der Erdoberfläche gestaltet werden, sodass der Verdrängerkörper einen Globus repräsentiert, der wiederholt im Wasser versinkt und wieder auftaucht. Durch die Drehbewegung kann Zuschauern im Verlauf eines Tages eine ständig wechselnde Ansicht dargeboten werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Verdrängerkörper geringfügig schrittweise gedreht. Zu diesem Zweck sind im unteren Bereich des Verdrängers feste Steuerflächen in einem festen oder einstellbaren Anstellwinkel angebracht, die bei jedem Eintauchen des Verdrängerkörpers einen Drehimpuls bewirken, sodass sich der Verdränger dreht. Diese Steuerflächen sind ähnlich den Rückenflossen großer Fische. Das eingangs genannte Führungselement ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass es eine Drehung des Verdrängers relativ zum Mantelzylinder und/oder der Kolbenstange ermöglicht.
Der beschriebene Hubmechanismus ist äußerst robust und wenig störanfällig. Die Komponenten des Hydraulikaggregats sind bei manchen Ausführungsbeispielen über eine Öffnung im oberen Bereich des Verdrängerkörpers gut erreichbar und nach Ablauf ihrer Betriebszyklen in einfacher Weise auszutauschen. Die Komponenten der Koppelvorrichtung sind bei manchen Ausführungsbeispielen ebenfalls leicht und vor Ort austauschbar. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die gesamte Koppelvorrichtung als Einheit montiert und demontiert werden kann, bspw. mittels Schrauben.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist zu diesem Zweck eine abnehmbare Hebeanordnung vorgesehen, die über der oberen Verdrängerkörperöffnung angeordnet werden kann und mit deren Hilfe die Koppelvorrichtung als Ganzes bzw. deren Komponenten, wie bspw. Pumpen, Ventile oder Filter, und auch die Komponenten der Hubeinrichtung angehoben werden können. Die Hebeanordnung kann bspw. dreibeinig oder vierbeinig ausgestaltet sein, wobei die Beine jeweils auf einer Konsole auf der Außenseite des Verdrängerkörpers fest verankert sind. Andere Ausgestaltungen der Hebeanordnung sind ebenfalls möglich. Als Hebevorrichtung dient bei manchen Ausführungsbeispielen eine Seilwinde, andere Hebemechanismen sind auch möglich. Bei manchen Ausführungsbeispielen dient die Hebeanordnung auch dem Zweck, die Kolbenstange aus dem Hydraulikzylinder zu heben, bspw., um Dichtungen im Hydraulikzylinder zu prüfen und ggf. zu erneuern.
Die beschriebene, erfindungsgemäße Wellenanlage erlaubt, mit großen Abmessungen und einer großen Masse des Verdrängerkörpers bevorzugt hohe Wellen zu erzeugen. Zudem erzeugt die Wellenanlage einzelne translatorische, ringförmige Wasserwellen. Diese Betriebsweise ermöglicht es, die dafür erforderliche Energie über eine bestimmte Zeitdauer während des Hubvorgangs, z. B. einige Minuten, zu kumulieren, während der Verdrängerkörper in die Anfangsposition zurückgeführt wird. Die so dem Verdrängerkörper zugeführte potentielle Energie wird anschließend in wenigen Sekunden unter Erzeugung einer Welle auf das Wasser übertragen. Antriebsleistung und damit einhergehender Energieverbrauch der Wellenanlage können so im Vergleich zu Permanentwellengeneratoren gering gehalten werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen beträgt die Dauer zum Anheben des Verdrängerkörpers in die Anfangsposition ca. drei Minuten, wohingegen die Umsetzung der dabei kumulierten potentiellen Energie in kinetische Energie des Wassers nur ca. zwei Sekunden dauert. Derart kann eine Leistungsverstärkung um den Faktor 100 erreicht werden. Der benötigte Energieaufwand zur Wellenerzeugung ist entsprechend niedrig.
Die mit der Wellenerzeugungsanlage erzeugten Wellen haben von Beginn an einen hohen Wellenkamm und flachen bei ihrer Ausbreitung ab. Um den Wassersportlern ein Aufspringen auf die Wellen zu erleichtern, umfasst die Anlage bei manchen Ausführungsbeispielen kleine Startpositionen für Wassersportler, die oberhalb der Wasseroberfläche in der Nähe der Endposition des Verdrängerkörpers im Becken angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Startpositionen höhenverstellbar und an die Höhe der erzeugten Welle anpassbar, z. B. mittels einer Hydraulikanlage. Alternativ ist sie stufenförmig ausgebildet, sodass ein Wassersportler die für ihn ideale Starthöhe selbst wählen kann.
Die Startpositionen sind bei manchen Ausführungsbeispielen vom Ufer erreichbar, bspw. schwimmend oder über einen Steg oder eine Brücke. Bei manchen Ausführungsbeispielen können die Startpositionen aus Sicherheitsgründen zusätzlich Absperrvorrichtungen vorsehen, z. B. Geländer, Gitter oder Netze, die an den Außenseiten der Startpositionen angeordnet sind und diese zumindest teilweise absperren. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Startpositionen an einem Absperrgitter angeordnet. Das Absperrgitter erstreckt sich bevorzugt vom Boden des Beckens bis über die Wasseroberfläche und ist ringförmig in einem Sicherheitsabstand um den Verdrängerkörper angeordnet. Dies schützt vor Kollisionen von Surfern oder Schwimmern mit dem Verdrängerkörper.
Neben Surfern, Schwimmern und Badegästen können bei manchen Ausführungsbeispielen auch nicht aktive Zuschauer daran teilhaben, wenn der überdimensionale Verdrängerkörper zunächst über dem Wasser schwebt und plötzlich fällt, dann ganz oder teilweise hinter der aufsteigenden Welle verschwindet und langsam wieder aufsteigt. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist zu diesem Zweck eine Zuschauerplattform am Verdrängerkörper vorgesehen, die bspw. im oberen Bereich des Verdrängers umlaufend angeordnet ist. Die Zuschauerplattform ist geeignet, mehrere Personen gleichzeitig aufzunehmen, die das Absinken und Anheben des Verdrängerkörpers körperlich miterleben und die dabei entstehende Wasserlandschaft aus nächster Nähe ansehen können. Die Zuschauerplattform ist bei einigen Ausführungsbeispielen vom Rand des Beckens mittels eines verfahrbaren Stegs erreichbar. Alternativ können Zuschauer mittels einer Fähre in regelmäßigen Abständen vom Rand des Beckens zur Zuschauerplattform und umgekehrt transportiert werden. Die Zuschauerplattform ist bei manchen Ausführungsbeispielen als wasserdurchlässiges Gitter ausgestaltet. Aus Sicherheitsgründen weist sie ein Geländer oder vergleichbare Sicherheitsvorrichtungen auf. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Zuschauerplattform derart ausgestaltet, dass die Zuschauer stehen können, bei alternativen Ausführungsbeispielen sind auf der Zuschauerplattform Sitze mit Sicherheitsgurten angebracht.
Der Begriff ”Becken” umfasst künstlich angelegte, mit Wasser gefüllte Gewässer, aber auch natürliche Gewässer. Er umfasst auch teils künstlich angelegte und teils natürlich bestehende Gewässer. Die beschriebene Anlage umfasst Becken wie natürliche Gewässer wie Seen, dem Meer bzw. Flüssen und künstliche Gewässer wie Baggerseen, Steinbrüche, Stauseen oder eigens dafür angelegten Becken und ist jeweils für einen Betrieb darin ausgestaltet. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Anlage als Indooranlage ausgestaltet, z. B. in einer Halle, oder sie wird im Outdoorbetrieb oder wenigstens teilweise unter permanenter Bedachung genutzt. Die Wellenerzeugungsanlage ist somit unabhängig von vorherrschenden Wetter-, Klima- bzw. Windbedingungen. Sie ist insbesondere unabhängig von einem natürlichen Wellengang. Die Anlage eignet sich für den Einsatz in Urlaubsregionen und Touristikzentren, z. B. dem Mittelmeerraum, oder in regionalen Freizeitparks mit weiteren Freizeitangeboten. Sie kann auch als lokal angesiedelte Einzelattraktion, bspw. im Bereich von Großstädten, dienen. Dies kann den Reisebedarf von Wassersportlern reduzieren, die nicht mehr, z. B. in südliche Touristenregionen mit Wasser und natürlichem Wellenaufkommen reisen müssen. Das spart Ressourcen. Für die Benutzer ergibt sich gleichzeitig eine Kosten- und Zeitersparnis aufgrund verkürzter Reisezeiten.
In 1a ist eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Erzeugung von ringförmigen Wellen gezeigt, bei der z. B. die dargestellten Größenverhältnisse und/oder Winkel von den tatsächlichen abweichen können. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele haben gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen.
Die Wellenerzeugungsanlage in 1a umfasst ein mit Wasser gefülltes Becken 19. Das Becken 19 kann eine beliebige Grundfläche aufweisen, bspw. kann es ellipsenförmig oder rund sein, wie in den 5a und 5b gezeigt. Die Wellenerzeugungsanlage umfasst einen Verdrängerkörper 1, der als Kugel ausgestaltet ist. Die Kugel hat einen Durchmesser von acht bis zwölf, bspw. zehn Metern. Sie befindet sich in 1a in der Endposition, in der sie zu ca. drei Vierteln unterhalb der Wasseroberfläche 20 schwimmt. Der in 1a gezeigte, als Kugel ausgestaltete Verdrängerkörper 1 ist aus Stahl oder Beton hergestellt, wobei die Kugel in ihrem Inneren einen Hohlraum aufweist. In dem Hohlraum ist ein Wassertank 3 angeordnet, der eine um die Vertikalachse 24 rotationssymmetrische Form aufweist. Der Wassertank 3 ist ca. zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllt, um die Masse m der Kugel zu trimmen. Das verdrängte Wasservolumen verleiht der Kugel ihren Auftrieb. Im Zentrum des Verdrängerkörpers 1 befindet sich eine hydraulische Hubeinrichtung umfassend einen Hydraulikzylinder 6, der sich entlang der Vertikalachse 24 der Kugel erstreckt und die Hülle des Verdrängerkörpers 1 durch die Öffnung 11 am Boden der Kugel durchstößt. Der Hydraulikzylinder 6 ist in ein Betonfundament 8 am Baden 9 des Beckens 19 eingelassen und darin fest verankert. Im Hydraulikzylinder 6 ist eine Kolbenstange 7 angeordnet, die entlang der Vertikalachse 24 verschoben werden kann. Der Hydraulikzylinder 6 ist in 1a von einem Mantelzylinder 4 umgeben, der in diesem Ausführungsbeispiel als Öl-Reservoir des Hydraulikaggregats 17 fungiert, welches sich im oberen Bereich des Hydraulikzylinders 6 befindet und wenigstens eine Ölpumpe sowie Ventile und andere hydraulische Komponenten umfasst.
Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Kolbenstange 7 und Verdrängerkörper 1 wird in der in 1a gezeigten Anlage über eine Koppelvorrichtung 14 hergestellt, die in 2 im Detail abgebildet ist. Die Koppelvorrichtung 14 ist am oberen Ende der Kolbenstange 7 angeordnet und ragt durch die Öffnung 12 des Verdrängerkörpers 1 teilweise nach draußen. Die Öffnung 12 eignet sich vorteilhaft für Inspektionen und Wartungsarbeiten an der Koppelvorrichtung 14 und/oder der hydraulischen Hubeinrichtung. Zu diesem Zweck ist in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wellenerzeugungsanlage auf dem ebenfalls kugelförmigen Verdrängerkörper 1 eine Hebevorrichtung 37 angebracht, mit der Komponenten der Koppelvorrichtung 14, die gesamte Koppelvorrichtung 14 oder die Kolbenstange 7 einfach aus der Kugel gehoben werden können. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Hebevorrichtung 37 vier Beine (wovon zwei aufgrund der Seitenansicht verdeckt sind) auf, die auf Konsolen 36 der Kugelaußenseite aufstehen und daran befestigt sind, bspw. mittels Schrauben. Auf der Hebevorrichtung 37 kann eine Seilwinde bzw. ein vergleichbarer Hebemechanismus (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Wie in 2 dargestellt, umfasst die Koppelvorrichtung 14 einen Sockel 25, der fest mit der Kolbenstange 7 verbunden ist und der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Druckölkammer 30 beherbergt, die auf horizontal in den Sockel 25 eingelassene und in ihren Führungen verschiebbare als Hydraulikkolben 32 ausgestaltete Kolbenelemente wirkt. Die Druckölkammer 30 wird mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) aus einem Öl-Tank 18 gespeist, der das obere Ende der Kolbenstange 7 bildet. Bei Öldruckbeaufschlagung der Öldruckkammer 30 werden die Hydraulikkolben 32 nach außen, also aus dem Sockel 25 heraus gedrängt. Die Außenseite der Hydraulikkolben 32 stößt dabei an jeweils ein als Auflagehebel 28 ausgestaltetes Hebelelement an und bewirkt eine Drehung des Hebels 28 um eine Achse 29, die im gezeigten Ausführungsbeispiel an einem radial sich verjüngenden Überstand des Sockels 25 angeordnet ist und als Befestigungsachse für den einzelnen Auflagehebel 28 dient. Die Befestigung erfolgt vorliegend mittels eines Bolzens, der den Auflagehebel 28 sowie den Überstand des Sockels 25 durchsetzt. Andere Befestigungsvorrichtungen sind ebenfalls denkbar, sofern sie die Drehbarkeit der Auflagehebel 28 gewährleisten.
Die Hydraulikkolben 32 pressen bei Öldruckbeaufschlagung die Auflagehebel 28 in eine erste Position, in der sie im Wesentlichen aufgerichtet sind und an eine Auflagefläche 42 auf dem Sockel 25 der Koppelvorrichtung 14 angreifen. In diesem Zustand der Koppelvorrichtung 14 kann die die hydraulische Hubeinrichtung den Verdrängerkörper 1 aus der in 1a dargestellten Endposition in die in 1b dargestellte Anfangsposition anheben. Dieser Zustand der Koppelvorrichtung 14 eignet sich aber auch, um den Verdrängerkörper 1 unter Ausnutzung seiner Schwerkraft zur Erzeugung einer ringförmigen Welle aus der Anfangsposition in die Endposition zu bringen. Die in 2 gezeigte Koppelvorrichtung 14 kann aber auch eingesetzt werden, wenn der Verdrängerkörper 1 allein durch Wirkung ihres Gewichtes zur Erzeugung einer Welle aus der Anfangs- in die Endposition übergehen soll. Dazu ist ein erstes Federelement vorgesehen, welches bspw. als Biegetellerfeder 26a oder als starker Biegedraht ausgestaltet sein kann. Die Biegetellerfeder 26a entspricht einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten Federelements. Sie ist in einer Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig um verläuft entlang und unterhalb der ebenfalls kreisförmig am unteren Rand der Öffnung 12 angeordneten Randverstärkung 15 des Verdrängerkörpers 1. Die Biegetellerfeder 26a wirkt demnach auf alle Auflagehebel 28 gleichzeitig. Der Biegedraht entspricht einer alternativen Ausgestaltung des ersten Federelements und ist am Befestigungsbolzen eines Auflagehebels 28 verankert und wirkt lediglich auf den dazugehörigen Auflagehebel 28. Sobald die Auflagehebel 28 von unten an die Randverstärkung 15 des Verdrängerkörpers 1 angreifen, wird die zwischen Auflagehebel 28 und Randverstärkung 15 angeordnete Biegetellerfeder 26a oder der Biegedraht gespannt.
Sowohl bei der Biegetellerfeder 26a als auch bei dem Biegedraht erfolgt die Spannung durch Verbiegen des Federelements. In alternativen Ausgestaltungen der Koppelvorrichtung 14 umfasst das Federelement eine Tellerfeder 26c, wie in 3a gezeigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Koppelvorrichtung 14 ist in 3b dargestellt, welches als erstes Federelement einen unterhalb der Randverstärkung 15 verlaufenden Ring 33 vorsieht, in den pro Auflagehebel 28 ein Einlass 34 vorgesehen ist, in dem jeweils eine Schraubenfeder 26d eingebracht ist, die sich zwischen Auflagefläche 15 und Einlassboden abstützt. Der Ring 33 besteht vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material. Die Befestigung des Rings 33, der Biegetellerfeder 26a oder der Tellerfeder 26c erfolgt im bspw. mit Schrauben 35 in der Hülle der Verdrängerkugel 1. Gleichwirkende Befestigungsmittel sind ebenfalls möglich.
In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das erste Federelement derart ausgestaltet, dass eine instantane Drehung der Auflagehebel 28 erfolgt, sodass Reibeffekte verringert werden können.
Um die Drehung der Auflagehebel 28 fortzuführen und zu stabilisieren, umfasst die in 2 dargestellte Koppelvorrichtung 14 wenigstens ein zweites Federelement, das bspw. als alle Auflagehebel 28 unterhalb des Drehpunktes 29 umgreifendes elastisches Seil bzw. Ring 27b ausgestaltet ist oder für jeden Auflagehebel 28 eine zwischen Sockel 25 und Auflagehebel 28 wirkende Schraubenfeder 27a umfasst. Das zweite Federelement unterstützt die Drehung der Auflagehebel 28 in die zweite Position insbesondere bei Verklemmungen der Auflagehebel 28 oder der Hydraulikkolben 32. Das zweite Federelement wird dann beaufschlagt, wenn die Hydraulikkolben 32 durch den in der Druckölkammer 30 vorherrschenden Öldruck die Auflagehebel 28 in die erste Position verschieben bzw. drehen.
Die Gemeinsamkeit aller beschriebenen Ausführungsbeispiele des wenigstens einen ersten und zweiten Federelements besteht darin, dass sie eine Kraftwirkung auf die Auflagehebel 28 ausüben, das zweite Federelement wirkt dabei entgegen der Wirkung der Hydraulikkolben 32. Sobald das Öl 5 aus der Druckölkammer 30 gepumpt wird, entfalten die Federelemente ihre Kraftwirkung und verursachen eine schnelle Drehung der Auflagehebel 28 in die zweite Position, in der die Öffnung 12 der Kugel an der Koppelvorrichtung 14 im freien Fall und insbesondere ohne Reibeffekte zur Erzeugung einer Welle entlang gleiten kann.
Die oben beschriebenen Schritte Anheben und Absenken bzw. Fallenlassen des Verdrängerkörpers 1 können beliebig oft wiederholt werden, sodass eine Wellenabfolge in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen erzeugt werden kann.
Bei einer Wellenperiode von drei Minuten, einer Wellenamplitude von 3 Meter und den Ausmaßen des Verdrängerkörpers 1 von ca. zehn Meter beträgt die Antriebsleistung der hydraulischen Hubeinrichtung ca. 100 KiloWatt, der Energiebedarf für die Erzeugung einer Welle beläuft sich auf ca. sechs kWh. Die Kosten für die Erzeugung einer Welle belaufen sich damit ca. auf ein bis zwei Euro.
Die in 1a gezeigte Anlage zur Erzeugung von ringförmigen Wellen umfasst auch an dem Verdrängerkörper 1 angebrachte und als Führungsrollen 10 und 10' ausgestaltete Führungselemente, mit denen die Kugel bei ihrer Bewegung entlang der Vertikalachse 24 geführt und gestützt wird. Die mindestens drei Führungsrollen 10 sind außenseitig und unterhalb der Öffnung 11 an der Kugel angebracht und rollen auf der Außenseite des Mantelzylinders 4 ab. Die mindestens drei Führungsrollen 10' hingegen befinden sich im Inneren der Kugel 1, sind über Stützstreben 13 befestigt und rollen bei Bewegung der Kugel an der Außenseite der Kolbenstange 7 ab.
Gemäß der in 1a gezeigten Ausführungsvariante der Wellenerzeugungsanlage ist ein Sicherheitsgitter 21 vorgesehen, welches rund um den Verdrängerkörper 1 angeordnet ist. Es soll Zusammenstöße von Surfern oder Wassersportlern mit der Kugel vermeiden. An dem Sicherheitsgitter 21 sind in verschiedenen Höhen Startpositionen in Form von Startplattformen 22 für Wassersportler, z. B. Surfer und Bodyboarder angeordnet. Jeder Surfer kann sich aufgrund der unterschiedlichen Höhen die für ihn ideale Startplattform 22 aussuchen bzw. diese Wahl an die aktuelle Wellenhöhe anpassen. Die als Metallgitter ausgestaltete Startplattform 22 kann von den Wassersportlern bequem in den Wellenpausen, in denen die Kugel in die Anfangsposition gehoben wird, erreicht werden. Um Wartezeiten zu verkürzen, kann eine Startplattform 22 mehrere Personen tragen.
Im oberen Teil des Verdrängerkörpers 1 aus 1a, 1b und 4 ist eine ringförmige Zuschauerplattform 2 angeordnet. Auf ihr können Zuschauer das Spektakel der Wellenerzeugung, also das schnelle Absinken der Kugel als auch ihr Anheben in die Anfangsposition zurück, miterleben. Die Zuschauerplattform 2 kann eine große Menge von Personen gleichzeitig aufnehmen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Zuschauerplattform 2 bevorzugt in einer Höhe an der Kugel angebracht, in der sie bei Eintauchen der Kugel ins Wasser nicht direkt mit dem Wasser in Berührung kommt.
Ausgehend vom in 1a gezeigten Betonfundament 8 verläuft der Boden 9 des Beckens 19 nach oben, sodass das Becken 19 in Ausbreitungsrichtung der Welle, also zu den Rändern hin, kontinuierlich abflacht. Die Erhöhungen 16 des Bodens 9 sind bspw. aus Schüttgut gebildet, das auf den Untergrund aufgetragen wurde. Dies ermöglicht während der Inbetriebnahme der Anlage, leicht die optimale Konfiguration der Erhöhungen 16 zu finden und später Korrekturen in einfacher Weise vorzunehmen. Das Schüttgut wird bevorzugt mit einer schweren Kunststoffplane bedeckt, um einen Wasserabfluss, eine damit einhergehende Erosion des Untergrunds sowie eine Verlagerung des Schüttguts durch die erzeugten Wellen zu vermeiden.
Der in 1a gezeigte kugelförmige Verdrängerkörper 1 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5a im Zentrum des ellipsenförmigen Beckens 19 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5b befindet sich die Kugel in einer seitlich zum Zentrum des runden Beckens 19 versetzten Position. In beiden Fällen erreicht die erzeugte Welle den Rand zu unterschiedlichen Zeiten. Eine Unterteilung des Beckens 19 in Sektoren mit verschiedenen Welleneigenschaften erhöht die Sicherheit für die Wassersportler und ermöglicht zum anderen die gleichzeitige Nutzbarkeit des Beckens 19 von verschiedenen Interessengruppen. Die unterschiedlichen Welleneigenschaften werden bevorzugt dadurch erzielt, dass die Erhöhungen 16 in den einzelnen Sektoren unterschiedlich stark ansteigen. Derart werden bei einer Wellenerzeugung in jedem Sektor unterschiedlich enge Strömungskanäle 23 zwischen Kugel und Erhöhung 16 erzeugt, was zu unterschiedlichen Ausbreitungscharakteristiken der Welle führt. Zurückkommend zu den 5a und 5b können bspw. in den Sektoren 38 Erhöhungen 16 mit steilem Anstieg und entsprechend hohen Wellen vorgesehen sein. Diese Bereiche eignen sich dann besonders für erfahrene Surfer. Die Sektoren 39 und 41 sind durch einen moderaten Anstieg der Erhöhungen 16 gekennzeichnet und eignen sich daher mit mittlerer Wellenhöhe besonders für ambitionierte Schwimmer, Surfanfänger oder Bodysurfer. In den daran angrenzenden Sektoren 40 ist die Neigung der Erhöhung 16 gering, sodass hier eher flache Wellen vorherrschen. Die Sektoren 40 eignen sich daher als Badebereich, insbesondere für Familien mit Kinder und Nichtschwimmer. Bereiche mit hohen Wellen werden für Wassersportler angelegt.
Am Rand des Beckens 19 kann ein gastronomischer Betrieb eingerichtet sein, mit bester Position für die Beobachtung der kühnen Surfakrobaten und für das Fotoshooting. Diese Wellenerzeugungsanlage würde schon bald ihr begeistertes Publikum finden. Darüber hinaus können die Zuschauer auf der Zuschauerplattform 2 das gewaltige Elementarerlebnis der Wellenerzeugung hautnah und auch körperlich miterleben. Damit wird auch den Nicht-Wassersportlern ein kribbelndes Erlebnis geboten. Der Aufenthalt auf den Zuschauerplattformen 2 kann den Zuschauern gegen ein Eintrittsgeld gewährt werden, welches zum Gesamtbetrag der Anlagen beiträgt und/oder als Sponsoring der Surfakrobaten eingesetzt werden kann.

Claims

Anlage zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, einzelnen, fortschreitenden Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken (19), wobei die Anlage umfasst: einen Verdrängerkörper (1), der ausgelegt ist, aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche (20) in Ruhe befindet, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse (24) in eine Endposition, in der er sich teilweise unterhalb der Wasseroberfläche (20) befindet, derart überzugehen, dass eine mit dem Übergang des Verdrängerkörpers (1) einhergehende Wasserverdrängung die einzelne, fortschreitende Wasserwelle erzeugt, und Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers (1) aus der Endposition in die Anfangsposition, wobei die geometrische Form des Verdrängerkörpers (1) derart ausgestaltet ist, dass die erzeugte Wasserwelle im Wesentlichen ringförmig ist.
Anlage gemäß Anspruch 1, bei der der Boden (9) des Beckens (19) im Wesentlichen radial um den Verdrängerkörper (1) ansteigt und/oder im weiteren flacheren Anstieg am Boden (9) des Beckens (19) lokale Erhöhungen vorgesehen sind, die geeignet sind, die Form der Welle zu beeinflussen.
Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, die im Zentrum oder abseits von diesem in einem im Wesentlichen runden oder ellipsenförmigen Becken (19) angeordnet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verdrängerkörper (1) als befüllbarer, insbesondere mit Wasser befüllbarer Hohlkörper aus Stahl oder Beton ausgebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Zuschauerplattform (2) umfasst, die am Verdrängerkörper (1) angeordnet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Mittel zum Zurückführen des Verdrängerkörpers (1) eine Hubeinrichtung zum Verstellen des Verdrängerkörpers (1) und eine Koppelvorrichtung (14) zur Verbindung von Hubeinrichtung und Verdrängerkörper (1) umfasst, wobei die Koppelvorrichtung (14) umfasst: einen an der Kolbenstange angeordneten Sockel (25), wenigstens zwei Hebelelemente, die zwischen einer ersten Position, in der Hubeinrichtung und Koppelvorrichtung (14) verbunden sind, und einer zweiten Position, in der Hubeinrichtung und Koppelvorrichtung (14) getrennt sind, verstellbar sind, wenigstens zwei Kolbenelemente zum synchronen Verstellen je eines Hebelelements, die an einer gemeinsamen Öldruckkammer zur Öldruckbeaufschlagung der Kolbenelemente angeordnet sind, wenigstens ein zwischen den Hebelelementen und dem Verdrängerkörper (1) wirkendes erstes Federelement (26a, 26c, 26d), das durch das Gewicht des Verdrängerkörpers (1) vorgespannt wird, wenn Hubeinrichtung und Verdrängerkörper (1) verbunden sind, und wenigstens ein auf die Hebelelemente wirkendes zweites Federelement (27a, 27b), wobei die Kolbenelemente derart ausgestaltet sind, dass sie bei Öldruckbeaufschlagung je ein Hebelelement entgegen der Kraftwirkung des zweiten Federelementes (27a, 27b) in die erste Position verstellen, und das erste und das zweite Federelement derart ausgestaltet sind, dass sie die Hebelelemente ohne Öldruckbeaufschlagung der Kolbenelemente in die zweite Position verstellen.
Anlage gemäß Anspruch 2, bei der die Hubeinrichtung einen Hydraulikzylinder (6) mit einer darin geführter Kolbenstange (7) umfasst, wobei die Koppelvorrichtung (14) an der Kolbenstange (7) befestigt ist.
Anlage gemäß Anspruch 3, bei der der Verdrängerkörper (1) wenigstens ein am Hydraulikzylinder (6) angreifendes Führungselement, insbesondere eine Führungsrolle (10, 10'), aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass es den Übergang des Verdrängerkörpers (1) aus der Anfangsposition in die Endposition entlang der Vertikalachse (24) führt.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verdrängerkörper (1) durch die Wirkung seiner Schwerkraft oder durch die Wirkung der Hubeinrichtung aus der Anfangsposition in die Endposition übergeht.
Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, einzelnen, fortschreitenden Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken (19), bei dem ein Verdrängerkörper (1) aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche (20) in Ruhe befindet, in eine Endposition, in der er sich teilweise unterhalb der Wasseroberfläche (20) befindet, im Wesentlichen entlang seiner Vertikalachse (24) derart übergeht, dass die mit dem Übergang des Verdrängerkörpers (1) einhergehende Wasserverdrängung die einzelne fortschreitende Wasserwelle erzeugt und der Verdrängerkörper (1) anschließend von der Endposition in die Anfangsposition zurückgeführt wird, wobei die geometrische Form des Verdrängerkörpers (1) bewirkt, dass die erzeugte Welle im Wesentlichen ringförmig ist.