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| Von einem strömenden hIlediÜM angetriebener |
| elektrischer Generator |
| Die Erfindung betrifft einen von einem strömenden Medium |
| angetriebenen-elektrischen Generator, |
Bisher waren Fahrzeuge_, FlugkÖrper und Vorrichtungen9 wie z.B.
Geschosse, die sich durch die Atmosphäre der Erde bewegen, mit Bauteilen und Anlagen
zum Speichern und Li-efern oder Erzeugen der elektrischen Ener-gie versehen" die
erforderlich ist
, um zahlreiche alektrieche und elektronische Systeme zu
betreiben, die in solchen Fahrzeugen und Vorrichtungen vorhanden. sind. Zu solchen
Kom-ponenten und Anlagen gehören die üblichen elektrochem-Ischen Sammlerbatterien
oder Speicherzellen, thermische Batterign, radiGaktive Batterien sowie rotierende
elektrische Generatoren.
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Wenn sich solche Bauteile auch unter bestimmten Betriebebedingungan
als zufriedenstellend erwiesen haben, so haben doch alle diese Bauteile ihnen innewohnende
Bear,hr.änkungen" die sie für viele Anwendungszwecke unbrauchbar erscheinen laso6n.
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Die beiden Hauptnachteile von Sammlerbatterien und speicherzellen
liegen in ihrer geringen Lebensdauer und
dem exteblichen 1-eistungeabfall
an den Enden eines ganz normalen iJere;le-Iies von Betriebstemperaturen.
| Die therm'ische Batterie, die-mit einem festen Elektrolyten |
| gelagert wird und eine innere chemische Wärmequelle benutzt, |
| um den Elektrolyten zu verflüssigen, überwindet zwar die |
| Lagerunge- und Temperaturechwierigkeiten von Sammler- |
| betterien und Speicherzellen., jedoch haben thermische |
| batterien- den Nachteil, daß sie relativ-hohe Kosten verursachen |
| und ihnen benachbarte Bauteile thermisch isoliert werden |
| müssen. Außerdem wird zur Aktivierumg dieser Batterien |
| eine Zeitepanne benötigt, die einen wesentlichen Bruchteil |
| ihrer Betriebszeitim Anspruch nimmti |
| Batterien mit einem,:festen glektrolyten und radioaktive |
| tatterien haben eine gute Laser I fähigkeit und liefern
eine |
| relativ#hohe Spannung, jedoch können,aolche 'Batterien nur |
| Ströme in der Größenordnung von einigen Mikroampere oder |
| weniger liefern. Daher-ist ihre Anwendung für viele Zwecke |
| nicht Möglich. #ur Uberwindung der Schwierigkeiten, die |
| mit der-Anwendung von Batterien-verknüpft sind" wurder- |
| in weitem Umfange lu-ftbetriebene"-rotiereiide Generatoren |
| benutzt, jedoch haben auch solche Generatoren ihre Nachteile" |
| die in einem Blockieren der Propeller--,.oder Tu:#binen durch |
| YremdkÖrper, Einleiten von Vibrationent hohen Kosteng |
| einem hohen -Gewicht und der Schwier-1..gkeit'liegen, die Lager |
gegen die Steart- oder Abschußkräfte zu schützen. Sowohl-Speieherzellen
als auch the
. rmische Batterien müssen durch äußere Einwirkung in Betrieb
gesetzt werden. Während Speicherbatterten (reserve celle) gewöhnlich unmittelbar
durch die Linearbeschleunigung und/oder den Drall beim Abschießen eines Fah#ze4ges
oder Körpers in die irdische Atmosphäre aktiviert werden, benötigt die thermische
Batterie gewöhnlich die Betätigung eines pyrotechnischen Auslösers. Sofern die Aktivierung
| nicht von Hand erfolgt t muß in beiden Fällen der |
| Aktivierungs-Mechanismus zwischen den Kräften% die bei |
| der-Behandlung und den Versand der Körper auftreten, |
| und den bestimmungegemäß aktivierenden Kräften unter- |
| scheiden können, |
| Der Erfindung liegt'die Aufgabe zugrunde., einen elektrischem |
| Generator zu schaffen, der die behandelten Nachteile |
| der bekannten Generatoren und Quellen nicht aufweist. |
| Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch selbst, |
| daß der Generator einen akustischen Ossillator mit |
Dii-#;e und einem- ko-a-x:i-al zur Düs
c IM Abultänd vc-r,
ihr angecrdneten Resonanz-raumt eine 1flit der Düse verbundene Quelle des strömenden
Mediums zur Erzeugung nines auf eine Kante des-Resonanz--raumes aufprallenden Modiumstrahles
und einen piezoeleitrischen Generatorumfaßt,-der mit dem Res.onanzraum gekoppelt
ist und eine elektrische Leistung liefert, die den durch den Aufpral.1 des Mediumstrahles
auf die Kante des Resonanzraumes erzeugten akustischen Schwingungen entspricht.
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re obne weiteres ersichtlich daß der erfIndungs gemäll.ie Generator
eine imbegrenzte Lagerf äh.-i-gkei,-t hat,9 völlig -gaf ahrlos zu behandeln Ist',
die elektrische Leistung in einem sehr ausgedehnten Bereich de-- Arbeitstemperaturen
zu liefern vermag und endlich eine sehr kurz#P. Lalaufzeit hat. Ein#weiterer erheblicher
Vorteil des erfindungsgemäßen GeneratoIrs besteht darin, da 8
-er praktisch
keine beweglichen-Teile aufweistund mit geringen Abmessungen und geringem Gewicht
herstellbar ist. Weiterhin wird durch Anwendung der Erfindung das-Einkoppeln von
erzeugten- Vibration-skräften in andere-, dem
Generat"or benachbarte
Koitpozienten auf ein. Ninimum reduziert-.
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Weitere Einzelheiten, Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der
Zeichnung dargestellten-Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.wird.
Die-einzelnen ivierkmale kÖnnen bei AusfUhrungsformen der Erfindung einzeln fÜr
sich oder zu mehreren in beliebl-er Kop,binat-I.cn Anwendung cz finden.
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Es zeigen: I Fig. I#eine schematische Darst.ellung eines
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elektrischen Generators nach der Erfindung zur Veranschaulichung sein.er
Bauptelemente und ihrer Zuordnung, 2 einen it,.,ersehnitt durch einen akustischer
Oszillator in. schein-atischer Darstellung zur VeransIchaulichung des Grundprinzips
eines akustischen Schneidton-Oszillators mit Resonator,
7ig. einen
QuerL,#chnitt durch einen akustischen' Oszillator in whemaltischer Darstellung zitr
Veranschaulichung der Pmwendung des -in Fig. 2 veranschalalichten, allgemeinen
r-#r-i.nz-1..pEi bei dem Generator nach der Erfind-ung, und Fig. 14- einen Längsschnitt
durch die Spitze eines Geschosses, wie beispielsweise einer Artilleriegranateg in
die ein Generator nach der Erfindung eingebaut ist.,
Wje
aus Fig. 1 ersichtlich9 besteht der von einem strömenjen Medium angetriebene
elektrische Generator nach der Erfindung aus drei Hauptelementen. Das erste Element
wird von einem akustischen Oszillator 14 gebildet, der eine ringförmige Düse
16 und einen Resonanzraum oder eine Pfeife 18 mit einer ringfÖrmigen
Kante 20 nach Art einer Measerschneide umfaßt. Der Resonanzraum 18 ist koaxial
zur Mittelachse 21 der ringförmigen Düse 16 und in einer solchen Entfernung
von der Düse angeordnet, daß zwischen dem Ausgang der DÜse und der messerförmigen
Kante am-Resonanzraum eine akustische Kopplung besteht. Diese akustieche Kopplung
wird epbter noch im einzelnen behandelt. Das zweite Element wird von- einer Mediumquelle
22 gebildet, bei der es sich um 6ine Dru-okquelle handeln ka=" die zur Stabilisierung
der von den Mediumquellen ausgehenden Striimuntt an ein Ausgleichs-oder Druckgefäß
24 angeschlossen sein kann. Das dritte Element iat ein piezoelektrischer Generator
26, der ein Ende des Re.sonanzreumes 18 bildet und auf die ak-astischen
Schwingungen anspri(,-b,t, im sie In elektrische Energie umzuwandeln.
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BGi einer Ausführungsform der Erfindting, die später noch bebt,iLltA#i,',I.t
wird, wird die Mediumquelle von der Stauluft
die eu!' die Spitze einer. Fr#.#jektilen
auftrifft,
| wenn-das PraUektil sich durch die Atmosphäre-der Erde- |
| bewegt.-Zur Stabilisierung ihres Druckes wird die Luft |
| in die Ausgleichshanimer eingeleitet. Wenn hier auch |
| dlese spezielle des- Arbeitsmc.d-,.ums in- Verbindung |
| mi.t einem Ausgleichsgefäß dargestellt und boschrieben |
| wird, versteht es sizh - dochq# daß es sich £hier nur
um |
| -in zur der Er f i ndu ng Bei #t;-piel' |
| h,--L-delt, denn e.#-., Gowohl Nielier, a.1.:3 auch |
| lfe#(-liene,#uellei benutzt ereAen, ohne den- Rahmen |
| verlassen, |
| Bei dr-im-akustischen-Oszillator 14 haA,*i-elt. -es s1 Ch
um |
| einen Schneideton- oder Strahlkanten--Oszil'Lat-or, dessen |
| Funktion und-Verwendung-bei der Vorliegenden Erfindung |
| anhand der.Fig. 2 uid 3 im folgenden erläutert
wird. |
| FU-c eine mehr Ins einzelne gehende Beschreibung wird |
| auf- die A-u-fs,*itze in -"Jou.r'na-l of- the Acous-'t-Pie-al
Society |
| of Americall, -Vol. April 1961.. 40-9 und |
| V-i. 249 M#-ii 1952, Seiten 29# 304 hingewiesen. |
| Wl e 1 n Wig. 2 darg-e-stellt, trifft
ein FlÜssigkeitsStrahl, |
| der, durch ei-ner, ausgezogenen Pfeil- 30-dargestellt ist |
und au5 ei-ner 321 *auf eine Eitarre X=te oder Zunge 34, wau eine
Wirbelbildung in dem M-z#dii.mstrom- zur Folge hat
9 der mit der Kante y#
in Wechselwirkung tritt8 Diese "Wirbel beeinflussen 31e Bgweguxig d,-s äfiediums
Bereich der Kante und. e.«#"i-t#-ugen akustische Wellen, d')_e- äurch die gestriühel.t-en
Pfeile.
36
und
38 angedeutet siv.d. Der dia Düse
32 verl&ssctide
Strom wird voli den akustisChen Wel-16n
36 und 38 <-,.kustlsch ge-.stört
und es werUsn diese Störimgen au£ dem Vip,2;
des
Mediums zur Kante 3L-# iurch
Unztabilitäten in dem Mediumstrom verstärkt. Es ergibt sich auf diese Weise einem
gesePlossene Rückkopplungsschleife zwischen ##er Kante und der DÜse. in gleicher
Weise wie bei eintwm, elektronischen Oezillator wird das'System einen stabilen Schwingungszus-taüd
annehmen, wenn die Phas'enverschiebung in der 'ry-ilokkopplungsschlei-fe ausreichend
groß und die 'Gesamtverst#Arkung der 2t--'>-ileife gleich Eine ist.
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Wie Allen Powoll in seinem Aufsatz "Nature of Feedbück Mechaniam In
i-17ome Fluid Flows Produeing Sound", veröffentlicht in clen "liroceedinge
-of the Fourth International Couvention on Acoustics, 'Kopenheen 1962,
festgestellt
hat, ist die Phasemverschiebung oder die Zeitg die Störungon zur Bewegung von dem
Strom zur
Kante benÖtigen, eine- Funktion des Abstandes h do,-:r,
Düse 3,2
von der Kante 34 zuad cler Strömungsgeschwindigkeit dee T,'Ledi'L,.ls
zwischen der DÜza und der Kante. Die geschwindigkeit ist eine FunIktion-des Abnt,£gnde,8
h dividtert turch die Breite t de'r Düse 32- und die Reynol(ts'.,iche Zahl. Die
Rückkopplungs--Phasenverächiebung oder Laufteit zwischen der Kante 34 und der Düse
32
ist akustischer Natur und von dem Abstand li und der Schallgeschwindigkeit
auf diesem Weg abhängig..Aus diesen Beziehungen geht hervor, daß bei fest vorgegebenen
körperlichen Abmessungen die Schwingfrequenz von-,der '#xaschwindigkeit des Mediumetrahles
und der Schallgesch-efIndigkeit in dem umgebenden -%dium abhängt.
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Bei einem elektrischen Oszillator ist es zur Aufxechterhaltung einor
stabilen Oszillation daß eine NichtlInearität voz#Iia-aden ist% die die schle.ifenverstärkung
auf Eine begrenzt.,Das Gleiche gilt auch fÜr den akustischen Oäzillätär#. Wenn der
aus derDüse austretende Strahl gestört wird, erfolgt eine Querbewegubg oder Ablenkung
des-Stromes, die einen Grenz-ivert#erreicht, die von h/t iLnd der Strahlgeschwindigkeit
abhängt.
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Diese begrenzende Wirkung"bildet-die Nichtlinearität?
die
zur Erzielung einer stabilen Amplitude erforderlich ist. Um stabile Schwingungen
auf eine einzige Frequenz in einem größeren Bereich von Strahlgeschwindigkeiten
zu erzielen, ist es erforderlich, ein weiteres Element in 4e RÜckkopplungsschleife
einzuführen. Hierbei handelt es sich um ein auf die Frequenz ansprechendes Glied,
wie beispielsweise einen am Ende geschlossenen, 12J4 Resonanzhohlraum 40, der auch
als II'Leife bezeichnet werden kann. Diese Pfeife 40 bildet einen zusätzlichen Rückkopplungspfad
zwischeÜ derKante 34 und der DÜse 32.
Die Kopplung durch diese abgestimmte
Schleife ist wesentlich stärker als die oben behandelte, direkte Kopplung und bewirkt,
daß die Schwingungen nahe der Resonanzfrequenz der-Pfeife stabilisiert werden und
eine wesentlich größere Amplitude annehmen.
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Im Gegensatz zu dem' Strahlkanten-Oszillator nach Pig. 2s der eine
ebene DÜse und eine ebene Kante aufweist, -
ist der Oszilletor nach Fig. 3-mit
einer ringförmi gen DUse 42 und einer ringförmigen.Kante 46 versehen, die von dem
schneidartigen Ende einer -Resonanzpfeife 44 gebildet wird, die ihrerseits koaxial
zur Mittelachse 4
der Düse 42 angeordnet ist. 1 Wegen der
ringfo*-#.-i#,igen Gestalt des #juftstromes,' der durch den Pfeil-48 verav.-schaulicht
ist, wir"-'L der Luf tstrom dazu ver&nlaß-t, aich auszudehnen und zuspmmenzuz.#.c.ehe,.a.
anstatt -,auszuweicheng wie es bei dem Strahlkanten-Osoillator nach Fig. 2 der Fall
ist. Die Symmetrie der if02:.gä,-üge hat akustisGahe Schwingimgen zur Folgee die
durch gest*richelte-Pfeile 50
angedeutet und längs, der Mittelachne 43 ausgerichtet
sind, so daß sich eine effektive Kopplung mit der Reaonanzpfeife 44 ergibt.
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Die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehene Kammer
24 ist dazu bestimmt, die einströmende Luft' aufzufangen, zu
filtern, zu kühlen
und ihren Pluß zu regeln. Die spezielle Gestalt der Luftquelle 22 und der KamMer
24 bängt von der Geschwindigkeit des speziellen Trägerfahrzeuges-odei von. der zu
verwendenden Vorrichtung und-der gewünschten elektrischen-Ausgangsleistung des Generators
äb. Wi*e in Fig. 4 dargestellt, ist die - Luftquelle ie Palle, eines Artilleriegeschossas
die Auseleichskammer 52,_die an der Spitze des Geschosses angeordnet ist und durch
die Eingangs-Öffnungen 54 die Stauluft aufnimmt.
Das Schwergewicht
bei der Aus#-#rehl des iezoelektris#-hen-Generators 2-0 lie&el In der Notwendigkeit,
PUe Impedanz-Fehlaupassuzig zu der Luftsäule in dem Resonanzraum 18
so klWLu-wie
mÖglich zu halten, dami ist bei deia bevorzug#en AnsfÜhrungsbeispiel der Generator
am -,1-mde des ResonanzrauTues 18 augeordnet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich,
kann das piezoelektrische Element 56 aus zwei piezoelektrischen Keramikscheiben
57 und einer Metallscheibe 59
zusammengesetzt sein. Ein solches beschichtetes
Element hat sich als zufriedenstellend erwiesen, jedoch ist die £rfindung nicht
auf die Anwendung eines solchen Elementes .begrenzt. Ein solches Element kann hergestellt
werden., indem ein oder zwei piezoelektrische Scheiben mit Hilfe eines mit Silber
gefüllten Epoie--Klebers auf eine Scheibe aus Messing oder Beryllium-Bronze aufgeklebt
werden.
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i zeigt eine Ausführungsform mit nur einer piezoelektriechen Scheibe,
während in Fig.
3 ein piezoelektrisches Element mit zmei Scheiben dargestellt
ist. Das piezoelektrische Element
56 nach Fig.
3 hat einen größeren
Durchmesser als die Pfeife 44. Der Durchmesser der Pfeife ist geringer als eine-Schallwellenlänge,
um quergerichtete Schwingungstypen zu vermeiden, während der Durchmebser des Elementes
56 groß genug ist, im bei der Arbeitsfrequens
| des Systems eine mechanische Resonanz zuhaben. |
| Die Wahl des piezoelektrischen Wer'kstoffes ist von_ |
| mehreren miteinander verknÜpften Parametern abhängig.. |
| Zu diesen Parametern gehören der elektromechanische |
| Kopp).ungskoeffizient, die Dielektri..zitätskonstante, |
| die piezoelektrisc , he Konstante,- die Frequenzkonstante, |
| die mechanische Krefsgüte Q und da's Depolarisationäniveau. |
| Jedee dieser -Parameter hat einen Einfluß auf die
# Aus"hl |
| des geeigneten Materials und es--hat sich herausgestellt., |
| daß einige Bleizir-korLat-Titanat-Kriätalle die ge- |
| -Wünzchten Parametär aufweisen. Geeignete j2gndelsÜbliehe |
| Werkstoffe sind dUs fflT-41, hergestellt von'Gulton |
| Indu-stries,-Ine.. Netuchen, NiY. und das Clevitel |
| .Type-PZT-5, hergestellt von der-Piezoelectrie Divieion |
| of Clevite-Corporation-, Bedford, Ohio. |
| .Um. dem Generator nach der.Erfindung ein optimales |
| elekt,risc#hes Aus ,gangssignal zu-entnehmen und-dieses |
| Ausgangssignal einem Verbraucher zuzuführen, ki412n-, |
| mit dem piezoelektrischen Generator 18, wie in Fi&@
1 |
| veranschaulicht, ein Reeonanz-Ausgangskreis 60 ver- |
| bunden sein. Solch ein Kreis kann in typischer Weise |
eine Induktionsspule
62, beispielsweise die Primärwicklung
eines Transformators, einen üblichen Dioden-Gleichrichter 64 und einen Glättungskondensator
66 umfassen.
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In Fig. 4 ist die An wendung der Erfindung bei einer elektrischen
Leistungsquelle veranschaulicht, die dazu dient, den elektrischen Systemen eines
Geschosses, beispielaweise einer Artilleriegranate 61, elektrische Leistungen
zu liefern. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung'auch bei anderen FlugkÖrpern,-
Fahrzeugen und Vorrichtungen als Artilleriegeschossen Verwendung-finden kann, sofern
eine Relativbewegung zwischen dem erfindungsgemäßen Generator und einem strÖmenden
Medium vorhanden* ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Mediumquelle
zwei EinlaßÖffnungen 54, die Ausgleichskammer 52 und eine.Wassertasche 162"
Der akustische Oszillator besteht aus der ringförmigen DÜse 164, der schneidartigen
Y,..ante 166 und dem -Resonailzraum 68.
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Das piezoelek-trische Element
70 bildet eini Scheibe am Boden
des Resonanzraumes
68 und ist elektrisch mit dtim Verbraucher '72 gekoppelt..
beispielg-Nitz,>ise einem elektrischerl Zünder, der aaf der Innenseite-des piezoe
laktrischen
| Elementes angeordnet und mit dem Blement'in nicht |
| näher dargestellter-$ üblieher Weise elektrisch leitend |
| verbunden ist. Wie oben ausgeführt-, kann ein elektrischer |
| Verbindungskreis eine Induktionsepule, einen Gleichrichter |
| und einen Glättungskondensator enthalten. |
| Der erfindungegemäße Generator arbeitet im Prinzip |
| in folgender Weise., Der Druck In der Kammer 52, der |
| von der Stauluft erzeugt wird, die während des Pluges |
| des Geschosses durch die Luft durch die Einlagöffnungen
54 |
| 'in die Kammer 52 eindringt., preßt einen Luftstrahl |
| -durch die Ringdtise 164. Der Luftstrahl trifft auf die |
| Schneidkante 166 auf und regt die Resonanzkammer
68 an. |
| Dieser Vorgang hat die Erzeugung von akustischen' |
| Schwingungen zur Folge. Die sich durch die akustischen |
| Schwingungen ergebenden Druckschwankungen werden von |
| dem Resonanzraum auf das piezoelektriache Itlement über- |
| ,tragen, so daß das piezoelektrische Element in zügiger |
| Weise untermechanische Spannungen gesetzt wird und |
| ein Ausgangesignal in Form einer elektrischen Wechsel- |
| spanniing erzeugt-. Der sich daraus erg ebende Strom
wird |
| gleichgerichtett- gefiltert und der elektronischen Zünd- |
| vorrichtung zugeführt, |
| Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das
be. |
| schriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführunge- |
| beispiel beschränkt ist, sondern Abweichungen davon |
| möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. |