DE1650772C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Energie umwandlung in Strömungsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieumwandlung in Strömungsmitteln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren sowie eine Vorrichtung hierfür sind aus der DE-PS 8 19 367 bekanntgeworden. Bei jedem von dieser älteren Anordnung ausgeführten Schlag entsteht ein Wirbel, insgesamt also eine ganze Wirbelreihe, in der der bei weitem größte Teil der aufgewandten Energie verlorengeht Vorrichtungen nach Art dieser bekannten Anordnung haben auch den Nachteil, daß sich ihr ohnehin schon schlechter Wirkungsgrad bei Umkehrung der Funktionsart, d. h. beim Wechsel zwischen dem Betrieb als Motor und dem Betrieb als Generator und umgekehrt, weiter stark verschlechtert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zur Energieumwandlung der eingangs genannten Art zu vermeiden und einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad zu erzielen, gleichgültig, ob dem Strömungsmittel kinetische Energie zugeführt oder entzogen werden soll.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Anspruch 6 gekennzeichnet.

Durch die Ausführung von drei einander überlagerten Bewegungen, einer Drehbewegung und zwei Querschlagbewegungen in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen, kann, im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, ein Wirbelpaar erzeugt und aufrechterhalten werden, das innerhalb der Arbeitsebene der Flügelzelle verbleibt. Damit gibt das Wirbelpaar die Energie, die es ansammelt, durch Beströmung der Oberfläche der Flügelzelle an letztere wieder ab. Somit geht keine Energie in vom Strömungsmittel mitgeführten Wirbeln verloren. Bei der Erfindung handelt es sich stets um das gleiche, schon beim ersten Schlag erzeugte Wirbelpaar, das fortwährend aufrechterhalten und im Schlagbereich der Flügelzelle gehalten wird.

Eine aufgrund dieser erfinderischen Erkenntnis ausgeführte Schlagbewegung ergibt erstmals einen Wirkungsgrad, der die Funktionsautonomie des Schlagflügelwerks (Schaffung einer praktisch ausreichenden Relativströmung aus eigener Kraft, ohne Hilfsströ mung) ermöglicht, die allen bisherigen Versuchen in dieser Richtung versagt blieb. Die gemäß der Erfindung ausgeführte Schlagbewegung erlaubt über dies eine Funktionsumkehr bei gleichbleibendem Wirkungsgrad. Dieser Vorteil besteht auch gegenüber den aligemein bekannten Rotationsmaschinen. Eine Schraube hat bei ausgezeichneter Funktionsautonomie (gutem Wirkungsgrad in einer Richtung) eine sehr mäßige Umkehrbarkeit So liegt z. B. der Wirkungsgrad einer günstigen Turbinenpumpe bei etwa 50% des Wirkungsgrades der Pumpe oder der Turbine allein.

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert

Fig. 1 zeigt in zweidimensionaler Darstellung das erfindungsgemäße Vorgehen zur Energieumwandlung; das Wirbelpaar ist durch gepfeilte Kurven veranschaulicht, die durch eine Arbeitsebene einer gekrümmten Oberfläche laufen; die Arbeitsebene ist durch einen kurzgestrichelten Abschnitt schematisch angedeutet (x*

Bbb; Xa) und geteilt durch eine strichpunktierte Linie J₅, Jj., die die Trennfläche zwischen den beiden Wirbeln mit den Zentren Ωι und & darstellt; F i g. 2 ist ein dreidimensionales Augenblicksbild eines

Teils einer gekrümmten Oberfläche K, die in einem Strömungsmittel mit dem Beobachter bewegt ist und eine von einem erfindungsgemäßen Gerät hervorgebrachte Strömung hervorruft, die mit γ bezeichnet und mit gerichteten Linien angedeutet ist, die die Strömung

jo darstellen;

Fig.3a, 3b, 3c und 3d geben in zweidimensionaler Darstellung und unter Bezugnahme auf das statische Arbeiten eines Wandlers Beispiele für die Entwicklung der Kinematik an einer gekrümmten Oberfläche wieder,

J5 wie es gemäß der Erfindung vorgesehen ist; in Fig. 3a sind zwei komplementäre Halbzyklen der Bahnlinie eines stromauf gelegenen Profilpunktes Ar der Oberfläche mit ihren charakteristischen und den Zwischenpunkten wiedergegeben, der eine Halbzyklus kurzge- strichelt, der andere mit ausgezogener Linie; die F i g. 3b und 3c zeigen zwei Varianten bei einer äußeren, schräg zur zyklischen Bahnlinie dieser gleichen Fläche angreifenden äußeren Kraft g, in verschiedenen charakteristischen Positionen des Profils; Fig.3d stellt einen Grenzfall dieser Kinematik dar und veranschaulicht eine geänderte Anwendung des Umwandlungsverfahrens;

Fig.4a, 4b, 4c und 4d stellen im Diagramm den zeitlichen Verlauf der Kinematik einer gekrümmten Oberfläche und der Kinematik entsprechende Strömungssingular''iten dar, wobei dieser Verlauf in kartesischen Koordinaten mit folgenden Stricharten dargestellt wird:

- Punktiert für die Drehschwingung Θ,

— langgestrichelt für die beiden Komponenten χ und ζ der Querschwingung,

- strichpunktiert für die Stärke der Zirkulation Γ,

- dick ausgezogen für die Stärke der Wirbel O₁ und

ho - kurzgestrichelt für die Translationsgeschwindigkeit des Wandlers;

F i g. 5, 6 und 7 stellen dreidimensional Beispiele für die Ausgestaltung und Einrichtungen von Flügelzellen für erfindungsgemäße Vorrichtungen dar, wobei die *>■'· gekrümmten Oberflächen, deren Umriß ausgezogen gezeichnet ist, schraffiert den Querschnitt erkennen lassen, während ihre Arbeiisebene durch eine strichpunktierte Linie und die Bahnlinie der Enden mit

ausgezogenem Strich gezeichnet ist;

F i g. 8 stellt ein Beispiel für den mechanischen Ablauf bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Phasen dar:

— Gestrichelt gezeichnet in charakteristischen und Zwischenlagen,

— ausgezogen gezeichnet für eine willkürliche Lage;
F i g. 9 gibt in axonometrischer Ansicht die wesentlichen Bauteile eines Ausführungsbeispiels einer Maschine wieder, die gemäß der Erfindung ausgestattet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht, wie erwähnt, darin, die in einem Strömungsmittel befindliche Energie mittels einer Flügelzelle umzuwandeln, die aus mindestens einer gekrümmten Oberfläche, etwa der in F i g. 2 dargestellten Oberfläche K besteht, wobei mit dieser ein Wirbelpaar erzeugt und aufrechterhalten wird, das in der Arbeitsebene dieser Oberfläche liegt.

In F i g. 1 ist ein üblicher und symmetrischer Fall dieses Effekts dargestellt, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht. Dieser Fall wird durch einen Querschnitt durch die wirbelfreie Strömung des Strömungsmittels von stromauf nach stromab der Arbeitsebene x_b Bbb; χ,· einer gekrümmten Oberfläche, etwa der Oberfläche K, veranschaulicht.

Dreidimensional betrachtet, ist diese Strömung in sich geschlossen und bildet eine innere Umkreisschleife in der Arbeitsebene der Flügelzelle; der Verlauf hängt von dem Aufbau und der Gestaltung der Flügelzelle ab.

Das Wirbelpaar Q\ und Ω2, das das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet, läßt sich durch eine neuartige, besonders vorteilhafte Maßnahme erzeugen.

Es ist bekannt, daß die Strömung um eine gekrümmte Oberfläche, die sich ständig bewegt, ein unendlich ausgedehnter Wirbelstrom ist.

Demgegenüber besteht die Maßnahme zum Verwirkliehen des erfindungsgemäßen Effekts in der Veranlassung einer Strömung um die genannte Oberfläche mit begrenztem Wirbelstrom, der, wie erwähnt, dadurch gekennzeichnet ist, daß

a) die Zirkulation der Strömungsmittelgeschwindigkeiten um das Profil der Oberfläche sich periodisch umkehrt und insbesondere oszillierend ablaufen kann,

b) jede dadurch entstehende Gegenzirkulation γ ihr Zentrum in jedem Fall in einer begrenzten Entfernung von der hinteren Kante dieser Oberfläche besitzt

In F i g. 2 wird durch ein Augenblicksbild diese Strömungsweise veranschaulicht; da die Zirkulation sich während einer Periode wechselweise umkehrt, werden in zwei derartige entgegengesetzt umlaufende Wirbel γ nacheinander gebildet, in einander entgegengesetztem Drehsinn und mit beschränktem gegenseitigem Abstand, wodurch das Wirbelpaar ß, und Ω2 erzeugt und während weiterer Perioden aufrechterhalten wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Umwandlungsverfahrens und bei den dazu geeigneten Einrichtungen wird eine Bewegung ausgeführt, die darin besteht, daß abwechselnd mindestens die Oberfläche K oder eine andere gekrümmte Oberfläche zu zwei Hin- mi und Herbewegungen angeregt wird:
a) Die eine Bewegung, die in Winkelrichtung und/oder translatorisch vor sich geht, verläuft quer zu der genannten Oberfläche und wird in zwei zueinander und zu der Spannweite der Oberfläche t-· orthogonale Richtungen zerlegt; die eine der beiden Komponenten, die Hauptamplitude, hat eine Frequenz, die zwangsläufig um die Hälfte kleiner ist als die andere,

b) die andere, unveränderliche Bewegung stellt eine Rotation des Profils dieser selben Oberfläche dai und läuft mit einer Frequenz ab, die mit der dei Hauptkomponente der vorgenannten Hin- unc Herbewegung übereinstimmt, dieser gegenübei aber um einen Wert phasenverschoben ist, der un die Hälfte der genannten gemeinsamen Periodf schwankt.

Die F i g. 3a, 3b und 3c veranschaulichen Beispiele dieser Kinematik: Gemäß dieser Figur durchläuft eir Punkt der Längsachse einer durch ihr Profil J dargestellten Oberfläche eine zweifach gebogene Fläche vom Beginn x_a seiner Querschwingung bis zi dessen Entsprechungspunkt x_a; wobei er durch der Kreuzungspunkt Bbb- seiner Drehumkehr und durch die Endpunkte Zc und Zc' seiner axialen Hin- unc Herbewegung läuft, die in Ebenen außerhalb dei allgemeinen Arbeitsebene x* Bbb; fliegen.

Natürlich verläuft der komplementäre Halbzyklu! umgekehrt symmetrisch zu dem Doppelpunkt Bbb; wie es die Halbzyklen der F i g. 3a erläutern, wobei dei gestrichelt gezeichnete Bahnteil durch den auf den-Profil k gewählten Punkt den komplementären Bahnkurventeil im Vergleich zu dem ausgezogen gezeichne ten darstellt.

Wenn die Kräfte, die von außen angreifen können mehr oder weniger schräg ansetzen, setzt sich die Arbeitsweise der zur Verwirklichung des Effekts des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Vorrichtung folgendermaßen zusammen:

Von x_a bis z_c nimmt die Komponente der Transversalschwingung in ΛΓ-Richtung ab, während diejenige nach janwächst; die effektive Geschwindigkeit veränderi

sich wenig, nur die Richtung ändert sich um ■—, aber die

abzuziehende Rotation bringt der gekrümmten Fläche eine Neigung bei, die anfänglich Null und gleich diesel Differenz in z_c ist. Um das Profil der Fläche entwickel sich daher eine Zirkulation Γ von Strömungsmitteige schwindigkeiten; aber infolge der speziellen Bewegunj ihrer Abreißkanten wird die Gegenzirkulation γ frei nui in der Gegend von z_c gefunden, wo sie einen Wirbel ß bildet oder sich ihm anschließt, in welch letzterem FaI der Wirbel verstärkt wird.

Von der Stelle z_c bis zu dem Punkt Bbb- unc gleichzeitig mit der Rotation und der Veränderung dei Neigung der Schlagbewegung des Profils wird die Änderung der Neigung gering gegenüber der effektiver Geschwindigkeit, denn diese beiden Komponenter wachsen gleichzeitig an, was sich infolge Viskositätswechselwirkung auswirkt — durch den Zwang zui Drehtendenz, den sie in der Strömung hervorruft — al; Beschleunigung des vorhergehenden Wirbels Qi, dei umgekehrt infolge seiner Strömung an der Oberseite der gekrümmten Oberfläche starke Neigungen diesel Oberfläche zuläßt

Hinter Bbb- und bis z? ändert sich die Neigung, wem auch im entgegengesetzten Sinn, weiterhin nur wenig während die effektive Geschwindigkeit beträchtlict abnimmt, denn ihre beiden Komponenten nehmet gleichzeitig ab. Daraus entsteht eine günstige »Über Zirkulation«, die das Abnehmen des Einflusses de! Wirbels Qi überdeckt

Von Zc- bis x_a· nimmt die Neigung schnell ab unc überdeckt- damit die Verminderung des Maßes de; Abfallens der effektiven Geschwindigkeit: Die se fortgesetzte Über-Zirkulation erlaubt das schnelle

Forteilen von der Abreißkante der Fläche, ohne daß sich an seiner Stelle ein Ablösung ergibt.

Hinter x_a- beginnt der komplementäre Halbzyklus, dessen Wirkungen symmetrisch zu dem vorhergehenden Halbzyklus sind. Die Erzeugung und anschließend die fortlaufende Verstärkung der Wirbel Ω\ und Q₂ speisen dieses Wirbelpaar.

Um aber ständig den bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorderkante und der Abreißkante aufrechtzuerhalten, ist es unerläßlich, daß diese Kinematik in der durch die F i g. 3 angegebenen Richtung im Vergleich zu der mittleren Orientierung des Profils der Oberfläche abläuft. Bei diesem Beispiel einer Durchführungsweise des erfindungsgemäßen Vorgehens mittels einer einzigen gekrümmten Oberfläche, wie etwa der Oberfläche K. entwickeln sich die Wirbel des Wirbelpaares merklich einander entgegengesetzt. Aber ihre Entwicklung könnte vollkommen in Phase sein, beispielsweise in dem Fall von zwei gekrümmten Oberflächen, die gegenphasig in einer gemeinsamen Wirkungsebene gemäß ähnlichen symmetrischen Kinematiken bewegt werden (abgestimmt jeweils auf die Zahl und den Antrieb von Oberflächen ein und derselben Flügelzelle).

Wenn, qualitativ betrachtet, diese Kinematik zur erfindungsgemäßen Ausübung erforderlich ist, so reicht sie doch nicht aus, wenn die Größe der Amplituden der Komponenten der Kinematik nicht auf das Fluidum und auf die verwendeten gekrümmten Flächen abgestimmt ist. Diese Größen müssen darüber hinaus untereinander in Abhängigkeit von Anwendungsparametern geregelt werden, etwa der Relativgeschwindigkeit des Strömungsmittels gegen Unendlich oder der Schräglage einer äußeren Kraft, wie z. B. der Schwerkraft.

Die Amplitude der Hin- und Herbewegungen für eine gegebene Geschwindigkeit, bezogen auf Unendlich, ist so, daß sie das Wirbelpaar nicht in vielfache und unzusammenhängende Wirbel ausarten lassen kann. Wenn die Geschwindigkeit gegen unendlich sich ändert, ändert sich diese Abhängigkeit, und es ist erforderlich, ständig diese Amplituden für ein und dieselbe Frequenz zu regulieren oder die Frequenz oder sogar das Ganze zu modifizieren, um ähnliche Wirkungen aufrechtzuerhalten, wie sie in den F i g. 4a und 4b angezeigt sind, wo die Geschwindigkeit gegen Unendlich zunimmt.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Vorrichtungen, die der Anwendung des erfindungsgemäßen Vorgehens dienen sollen und deren Gemeinsamkeit in der Wirkung oder Gegenwirkung der Flügelzelle zu sehen ist, können unterschiedlichen Kategorien angehören:

a) Antriebsmaschinen, die im allgemeinen ortsfest ⁵ⁿ sind und die kinetische Energie eines Strömungsmittels in mechanische Energie umwandeln, die in Form von Kräften und/oder Momenten gewinnbar sind;

b) Antriebsmaschinen, die im allgemeinen beweglich sind und die genannte Energie in eine auf die Flügelzelle einwirkende Kraft umsetzen, die unmittelbar von dieser für eine Translations- oder eine Antriebsbewegung benutzt wird;

c) Generatoren, die im allgemeinen ortsfest sind und eine beliebige Energie in eine kinetische Energie des umgebenden Strömungsmittels umwandeln;

d) Generatoren, die im allgemeinen beweglich sind und eine beliebige Energie in eine Antriebs- oder eine Auftriebskraft umwandeln.

Die Maschinen a) und c) oder die Maschinen b) und d) können offensichtlich die Form einer Maschine mit umkehrbarer Wirkung erhalten.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich eine spezielle Art von Variationen bei den beweglichen Maschinen. Diese sind zu erzielen durch Einwirken einer äußeren Kraft, etwa des Gewichtes der Maschine, und, falls erwünscht, einer schrägen Resultante, für die man entweder die Arbeitsebene neigen kann oder die Rotation gegenüber dieser Ebene verschieben kann, oder auch beide Lösungen miteinander verbinden kann, wie es die mit den Fig.3b und 3c gezeigten beiden Varianten erläutern.

Diese in den F i g. 4a, 4c, 4d zunehmend dargestellten Variationen dehnen die Anwendung der erfindungsgemäßen Maschine bis zu einer Änderung des Umwandlungsvorgangs aus, was es erlaubt, gemäß der Erfindung bis an den erwähnten Dauerzustand zu gelangen.

Die F i g. 4a, 4c und 4d zeigen, daß die Schrägkomponente zur Folge hat, daß die Strömungssingularitäten ßi, Q₂ und Γ fortlaufend verändert werden.

Am Anfang dieser Variation nimmt im Gegensatz zu der Amplitude der Komponenten χ, ζ und θ der Kinematik die Frequenz zu und hält die erfinderische Strömung aufrecht, obwohl sie asymmetrisch ist. Danach wird die Frequenz konstant, und die Zirkulation Γ, die von dem oszillierenden zu dem wechselnden Zustand übergegangen ist, geht in den Zustand der Schwankung und dann in Konstanz über, obwohl die Kinematik, was ihre Natur betrifft, vollständig fortgeführt ist, denn die Variationen der Neigung durch die Richtung der Geschwindigkeit und ihre Größe sind bereits durch die Rotation genau kompensiert. Schließlich gelangt man, nachdem die Amplituden weiter abnehmen, auf diese Weise zum Grenzfall des üblichen Dauerzustandes ohne autonome Kinematik, wie ihn die F i g. 3d darstellt.

Allerdings sind die verschiedenen Phasen dieser Entwicklung nicht alle unentbehrlich, um zu dem gleichen Ergebnis zu gelangen.

Die erfindungsgemäßen Maschinen können zwei oder mehr gekrümmte Oberflächen besitzen, die als Tragwerke in unterschiedlicher Weise angeordnet sein können.

Bei einer winkelförmigen Ausgestaltung können diese Oberflächen paarweise einander gegenüberliegen, derart, daß ihre Bewegung symmetrisch entweder mit Bezug auf eine Gerade, wie es für die Oberflächen K₂ und ^3 in F i g. 5 dargestellt ist, oder mit Bezug auf einen gemeinsamen Punkt (vgl. F i g. 6 für die Flächen K₄ und /(5) abläuft. Die erstgenannte Anordnung erleichtert die Änderung der Benutzungsweise der Flügelzelle, die zweite begünstigt die Stabilität der Konstruktion.

Im Translationsfall tritt immer eine Symmetrie der Bewegung mit Bezug auf die Gerade auf, wie in F i g. 7 für die Oberfläche K₁ dargestellt ist.

Bei jeder dieser Bauformen ist es möglich, mehrere Oberflächen zu einer gemeinsamen Wirkungsweise anzuregen, wobei ihre übereinstimmenden Kinematiken außer Phase gebracht werden. Ein spezieller Fall ergibt sich durch die gleichartige Anregung von zwei gekrümmten Oberflächen mit gegenphasiger Lage ihrer entsprechenden Bewegungen.

Natürlich können die verschiedenen in diesen Figuren gezeigten Prinzipien und Anordnungen vervielfacht und unter gewissen Abänderungen miteinander verbunden auf ein und denselben Energiewandler einwirken, wobei sie nach Wunsch auch neben gekrümmte Oberflächen gesetzt werden können, die in konventioneller Weise benutzt werden.

Die wechselweise auftretenden mechanischen Abläufe, mit denen die besondere Kinematik der erfindungsgemäß vorgesehenen Flügelzellen zu erzielen ist, können zu Schwierigkeiten führen, wenn die erforderlichen Massen und Kräfte sehr groß werden. Daher umfaßt die Erfindung auch einen neuartigen mechanischen Ablauf, der der Kinematik dieser Maschinen angepaßt ist.

Ausgehend von einem materiellen Punkt auf einem Abschnitt, der mit seinen drehbaren Enden an zwei anderen materiellen Punkten aufgehängt ist, die so befestigt sind, daß sie Drehbewegungen in entgegengesetzter Richtung um ihre jeweiligen, um die Länge des Abschnitts voneinander entfernten Mittelpunkte ausführen, wird mit dem erfindungsgemäßen mechanischen Vorgehen in einer Ebene eine dreifache Schwingung ausgeführt.

Gemäß Fig.8 werden die Bewegungen dieses materiellen Punktes c, der der Einfachheit halber im Zentrum eines Abschnitts angeordnet ist, dessen Enden sich um materielle Punkte P und Q drehen, die gleichen Abstand von ihren Drehzentren O\ und O₂ besitzen, ausgeführt, wenn ein beliebiger dieser Punkte, z. B. Q, eine Kreisbahn V₂U₂ beschreibt, während der ihm entsprechende Punkt P eine komplementäre Kreisbahn U\ Vi in umgekehrter Richtung ausführt, wie durch die Pfeile in den Kreisbahnen angegeben.

Zwei derartige Vorgänge reichen aus, wie aus F i g. 8 ersichtlich, um die dreifache Oszillation des Punktes c herbeizuführen, der auf diese Weise und außerdem wegen seiner in regelmäßigem Wechsel aufeinanderfolgenden Rotationen die ausgezogen gezeichnete geschlossene Kurve mit doppeltem Tangentialpunkt durchläuft, orientiert gemäß den gewählten Umlaufrichtungen der Punkte P und Q, deren charakteristische Positionen an den Enden der gestrichelten Linien liegen, die ihre Bahnen begrenzen.

Es sind sehr viele Varianten und Variationen für das mechanische Verfahren möglich; das gegenseitige Verhältnis der drei Schwingungen und damit das Aussehen der Kurve hängt insbesondere von dem Verhältnis des Abstands der Schwenkpunkte P bzw. Q von ihren Drehzentren Oi und O₂ ab.

Außerdem erhält man je nach der Lage des Punktes c zwischen den beiden Enden P und Q des Abschnitts ein « unterschiedliches Maß von Unsymmetrie in der Bahn. Im Grenzfall, wenn der Punkt c in der Mitte zwischen den beiden Punkten P und Q liegt, wie es in F i g. 8 dargestellt ist, entsteht keine Unsymmetrie bezüglich des doppelten Tangentialpunktes.

Um die Synthese während des mechanischen Ablaufs zu erreichen, genügt es, ein Drehmoment an einem oder an beiden Zentren Oi und O2 wirken zu lassen.

Greift ein konstantes Drehmoment an einem Drehzentrum an, so sind die Geschwindigkeiten längs der erhaltenen Kurve nicht symmetrisch, und wenn eine solche Symmetrie gewünscht wird, muß das Drehmoment wechselweise zwischen den beiden Drehzentren beim Durchlaufen einer gemeinsamen Geschwindigkeit nach den folgenden beiden Möglichkeiten aufgeteilt «> werden:

Entweder während einer längeren Periode gleicher geringer mittlerer Geschwindigkeiten,
oder während einer kürzeren Periode gleicher hoher Geschwindigkeiten.

Schließlich ist es auch möglich, an jedem der Drehzentren Oi und Q₂ gleichzeitig ein Differentialmoment angreifen zu lassen.

Wird ein derartiger Prozeß auf eine gekrümmte Oberfläche angewandt, so kann dessen Kinematik auf unterschiedliche Weise je nach der Bau- und Betriebsweise gelöst werden.

Wenn z. B. die gekrümmte Oberfläche orthogonal und unmittelbar mit ihrer Wurzel am Punkt c angebracht ist, läßt die dreifache Schwingung dieses Punktes in einer Ebene die Längsachse dieser Oberfläche, noch dazu wegen ihrer wechselnden Rotation, eine unendliche Zahl von Kreisbahnlinien am Überschneidungspunkt beschreiben, die zwei zylindrische Volumina umschließen, die an ihren Enden geöffnet sind, zu einer Fläche, die an der Überschneidungslinie zweifach zusammenhängt und zwei unterschiedliche Tangentialebenen zuläßt, wie es in dem Beispiel nach F i g. 7 der Fall ist.

Es ist aber auch möglich, durch Anwendung von für dieses mechanische Vorgehen bekannten Systemen Bahnlinien zu erhalten, die zwei konische Volumina, wie in den Fig.5 und 6, einschließen, oder auch kegelstumpfartige Volumina, wie auch eine abwechselnde Rotation der Längsachse der gekrümmten Oberfläche, verstärkt und/oder unabhängig.

Wegen der in der Erfindung enthaltenen mannigfachen Möglichkeiten läßt sich die Vorrichtung, die mit mindestens einer gekrümmten Oberfläche in Form einer Schaufel, Tragfläche oder Radschaufel versehen ist, zum Umwandeln von Energie in. einem Strömungsmittel, nur in einem vereinfachten Beispiel, das keine Einschränkung der Erfindung bedeuten soll, beschreiben.

Infolgedessen betrifft die Anwendung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung (vgl. F i g. 9), die sich der erfindungsgemäßen Umwandlungsverfahren und -mechanismen bedient, nur diejenige Kategorie von Vorrichtungen, die Energie erzeugen, aus einem abwechselnd verteilten Moment, das einer einzigen Schaufel K zugeführt wird, die sich in wechselnder, teilweise arbeitsleistender Rotation befindet und genau eine halbe Periode phasenverschoben gegenüber der Transversalschwingung ist, wobei Symmetrie des Profils und der gewählten Bewegungen in Winkelrichtung herrschen.

Wie F i g. 9 erkennen läßt, wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Wirkungsebene des Blattes K ausgeübt, dessen Bewegung mit Hilfe einer Transmissionswelle Therbeigeführt wird, die zwei Schraubenritzel ei und ei mit entgegengesetzter Gewinderichtung trägt, von denen jedes periodisch mittels seines Zahnkranzabschnitts gleicher Art angeschlossen ist, der fest an einem Kurbelarm B₁ bzw. B₂ sitzt, der auf der Welle Oi bis O₂ gelagert ist. Jeder Arm B₁ bzw. B₂ besitzt einen Kurbelzapfen H\ bzw. H₂; die Zapfen halten eine Pleuelstange /, an deren Mitte ein Kardangelenk C angebracht ist.

An dem Gelenk Cist am Ende eines Zapfenteils Seine Teleskopwelle angebracht, während der Hülsenteil R in einem geschmierten Ring G eingesetzt ist, der seinerseits zweifach abgestützt ist inmitten einer kardanischen Aufhängung F, die in einer Ebene liegt, die parallel zu, aber außerhalb der Ebene der Pleuelstange / verläuft; die Achse der kardanischen Aufhängung liegt in der Mittelnormalen der an den Achsen Oi und O₂ gemeinsamen Ebene.

Am Ausgang der Aufhängung F trägt der Hülsenteil R eine Klammer a, die das Fußstück der Schaufel K aufnimmt

Außerdem ist das Blatt mit dem Kardangelenk C durch eine Feder W verbunden, die im Inneren der

Teleskopwelle SR liegt.

Die Vorrichtung wirkt als Generator, wenn ein Moment an der Welle Γ angreift, die es in entgegengesetztem Sinn abwechselnd jedem Kurbelarm B\ und B₂ über die Ritzel ei und C2 und die zugeordneten Zahnkranzabschnitte zuführt.

Die Kurbelzapfen H\ und Hi übertragen also abwechselnd dieses wechselnde Moment in eine nach mehreren Richtungen gerichtete Drehung und Bewegung auf die Pleuelstange /, die sich auf diese Weise in dreifacher Oszillation verlagert, und deren Mittelpunkt die ebene und am Überschneidungspunkt geschlossene, in F i g. 9 gestrichelt gezeichnete Bahnkurve durchläuft, die je nach der Wechselrichtung der Kurbeln orientiert ist, wie es schematisch durch die Richtungspfeile angedeutet ist.

Der mechanische Vortrieb der Pleuelstange /wird auf die Schaufel K über die beiden Gelenke der Kardananordnungen C und F übertragen, die die Hin- und Herbewegung des Gelenks C in Winkelbewegungen umsetzen, deren gemeinsames Zentrum in der Durchführung der Aufhängung Fliegt.

Die abwechselnde Roation dieses Gelenks C, die von der wechselnden Neigung der Pleuelstange / herrührt und mittels des Ringes G radial zu der Schaufel geleitet wird, wird durch die Feder W übertragen, die diese wechselnde Roation weiter ablaufen läßt und regelt, indem sie in jedem Augenblick durch ihre Torsionsarbeit das Moment dieser Schaufel einwirken läßt und ausgleicht. Die andere Funktion der Feder W ist — wegen der fortwährenden Längenänderung der Teleskopwelle SR, die das Gelenk C mit der Aufhängung F verbindet — die Kräfte in dieser Schaufel zu regulieren, indem sie periodisch deren Massenenergie absorbiert und danach wieder freigibt. j5

Die auf diese Weise geführte Schaufel K führt mit einem Punkt auf seiner Längsachse im Bereich der Schnittfläche k die an einem einzigen Überschneidungspunkt geschlossene Bahnlinie aus, die in Fig.9 mit einem ausgezogenen Strich eingezeichnet ist; die Bahn ist in einem durch die erfindungsgemäß zur Erzielung der gesuchten Wirkung ausgeübten Verfahren gegebenen Sinn ausgerichtet, und es entsteht eine ausnutzbare Reaktionskraft, deren allgemeine Resultierende durch einen gefiederten Pfeil in F i g. 9 gekennzeichnet ist. Natürlich kann man diese Wirkung leicht verdoppeln, indem man eine zweite Schaufel anbringt, die durch zusätzliche gleichartige Übertragungsorgane betrieben wird, die symmetrisch an der Gegenseite der Pleuelstange angeordnet werden, indem sie z. B. beiderseits der Kurbelarme Si und B₂ kreuzt und zu einem dieser Arme zurückführt.

Außerdem kann man bei einer solchen Vorrichtung nach Bedarf durch Hinzufügen geeigneter Elemente Abstände und Einrichtungen zwischen bestimmten Bauteilen vorsehen, z. B. eine Gleitbewegung eines Ritzels oder beider Ritzel auf einer genuteten Transmissionswelle, bei gleichzeitigem Beibehalten von Abstand zwischen den Halteachsen der Kurbelarme und einer ausziehbaren Pleuelstange, oder einer Verschiebung des Kardangelenks auf der Pleuelstange oder auch einer Lagesteuerung zwischen dem Kardangelenk und der kardanischen Aufhängung usw.

Alle derartigen Möglichkeiten, die für sich oder in beliebigen Kombinationen nach den Varianten und möglichen Variationen des erfindungsgemäßen Vorgehens benutzt werden, erlauben es, die Eigenschaften dieser Vorrichtung bei ihrer Anwendung, insbesondere statisch infolge einer Veränderung des Umwandlungsvorgangs zu transformieren, wonach es auch möglich ist, den Flächenwinkel oder auch die Pfeilung des Tragwerks zu verändern.

Natürlich lassen sich Abänderungen durch Anwendung gleichwertiger Elemente erzielen: Kugelgelenke, Übersetzungen mit variablem Modul oder Anwendung entgegengesetzter Momente, die durch Differential den Kurbelarmen ununterbrochen zugeführt werden, und verschiedenartige Zusammenstellungen liegen nicht außerhalb des Bereiches der erfundenen Vorrichtung.

Außerdem ist die beschriebene Anwendungsweise nicht auf eine Vorrichtung dieses Typs beschränkt, diese kann vielmehr aus bekannten mechanischen Elementen aufgebaut sein. Ein elastisches oder sogar flexibles System, etwa eine formveränderliche Konstruktion der gekrümmten Oberfläche kann benutzt werden für eine, zwei oder auch drei Bewegungen seiner Kinematik in der Antriebs-Generator-Form, wenn die Energie aus einer oder mehreren gerichteten Kräften herrührt, die unmittelbar auf das Tragwerk einwirken; derartige Möglichkeiten lassen sich der vorbeschriebenen Führungsmechanik überlagern.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Energieumwandlung in Strömungsmitteln mittels einer Flügelzelle mit ge- krflmmter Oberfläche, die Schlag- und Teilrotationsbewegungen ausfahrt, dadurch gekennzeichnet, daß man die gekrümmte Oberfläche zu einer aus drei Bewegungen zusammengesetzten Kinematik veranlaßt, ι ο

— nämlich einem Drehschlag und einem Querschlag, von denen der letztere in zwei zueinander und zur Spannweite des beweglichen Teils rechtwinklige Bewegungen zerlegbar ist,

— auf diese Weise mittels der genannten Oberfläche ein Wirbelpaar erzeugt und aufrechterhält, das innerhalb der Arbeitsebene der genannten Oberfläche liegt und einem Schnitt durch eine in sich zurückgeführte Wirbelröhre entspricht, wobei dieses Wirbeipaar die Energie, die es ansammelt, wieder abgibt, indem es gleichzeitig und proportional die äußere Wölbfläche der gekrümmten Oberfläche beströmt, wodurch jedes Abreißen des Stromfadens an dieser Stelle verhindert wird.

2. Verfahren zur Energieumwandlung mittels einer Schlagbewegung, bei dem bei jeder Umkehr der Schlagrichtung eine Umkehr der Zirkulationsrichtung des Strömungsmittels um das Profil der Flügelzelle erzeugt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlag- und Drehbewegungen der Flügelzelle so ausgeführt werden, daß das Zentrum jedes Wirbels stets in begrenztem Abstand von der Abreißkante des Profils verbleibt

3. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch allmähliche oder sprunghafte Änderung der Schlag- und Teilrotationsbewegungen eine Unsymmetrie zwischen den beiden Wirbeln des Wirbelpaares, bis ■»<> zum Grenzfall des Verschwindens des einen Wirbels, hervorgerufen wird.

4. Verfahren zur Energieumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die resultierende Kinematik der « gekrümmten Oberfläche in folgender Weise bestimmt:

a) Die eine der zum zusammengesetzten Querschlag beitragenden Bewegungen besitzt eine große Amplitude und eine um die Hälfte ™ niedrigere Frequenz als die andere dazu beitragende Bewegung kleiner Amplitude.

b) Der Drehschlag, der unveränderlich ist, hat die gleiche Frequenz wie die zum Querschlag beitragende Bewegung großer Amplitude, ist ^H jedoch zu dieser um ungefähr eine Halbperiode phasenversetzt

c) Reihenfolge und Richtung der zwei Schläge sind so, daß die Profilränder der gekrümmten Oberfläche der Flügelzelle von jedem Augen- &« blick zum anderen eine veränderte Anwendungsweise haben.

d) Amplitude und Frequenz der zwei Schläge sind in einem Bereich gewählt, der es erlaubt, das Wirbelpaar der Strömung des Strömungsmit- ^h5 tels einheitlich und zusammenhängend zu erhalten, und zwar nach Maßgabe der Größen:

- Fest vorgegebene Größen der gekrümmten Oberfläche und des in Betracht kommenden Strömungsmittels,

— veränderliche Größen der relativen Translationsgeschwindigkeit des Wandlers im Gebrauch.

5. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch eine dreifache Oszillation eines materiellen Punktes der gekrümmten Oberfläche der benutzten Flügelzelle herbeigeführt wird, indem dieser Punkt auf einen Abschnitt gesetzt wird, der an seinen Enden drehbar an zwei anderen materiellen Punkten angebracht ist, die derart befestigt sind, daß sie entgegengesetzte Kreisbewegungen um ihre jeweiligen Drehzentren ausführen, die um die Länge des Abschnitts voneinander entfernt sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Mechanismus zur Erzeugung einer sämtliche folgenden drei Bewegungskomponenten gleichzeitig enthaltenden Bewegung,

erstens einer Schlagbewegung quer zur Längsrichtung der Fliigelzelle,

zweitens einer quer zur Längsrichtung der Flügelzelle und zur ersten Schlagbewegung gerichteten und mit zur ersten verdoppelter Frequenz und verkleinerter Amplitude erfolgenden Schlagbewegung,

drittens einer Rotationsschwingung mit der Frequenz der erstgenannten Schlagbewegung, aber zu dieser um eine Halbperiode phasenversetzt

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmechanik für die gekrümmte Oberfläche der Flügelzelle zum Ausführen von zwei Konfigurationen eingerichtet ist, die miteinander zum Querschlag dieser Oberfläche kombiniert werden können, nämlich

- einer Translationskonfiguration und

— einer Winkelkonfiguration.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar gekrümmte Oberflächen symmetrisch zu einem feststehenden oder beweglichen Punkt bewegbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar Flügelzellen zu einer feststehenden oder ihre Lage wechselnden Geraden symmetrisch beweglich angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Flügelzellen eine gemeinsame Wirkungsebene besitzen, wobei zwischen ihren Bewegungen eine Phasenverschiebung besteht

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus für die gekrümmte Oberfläche der Flügelzelle so eingerichtet ist, daß die Schräglage der Resultierenden der Vorrichtung veränderbar ist, wenn sie einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, wobei diese Veränderung durch Neigung der Ebene des Querschlags und/oder Verstellung des Drehschlags der gekrümmten Oberfläche erhalten wird, bis die Singularitäten des Strömungsmittels gemäß Anspruch 3 beständig geworden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus der gekrümmten Oberfläche (Oberflächen) eingerichtet ist auf diese einen vektoriellen Schub auszuüben,

und daß diese Oberflächen elastisch in die Mittellage ihrer Schlagbewegungen zurückgeführt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Ausübung des Verfahrens zur Energieumwandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine schaufel- oder flügeiförmig gekrümmte Oberfläche aufweist, die an ihrem Fußpunkt durch mindestens eine Pleuelstange geführt ist, die an ihren Enden an je einem Kurbelzapfen zweier gleicher Kurbelanne hängt, die sich in einer einzigen Ebene gegenläufig drehen aufgrund

a) fortgesetzter Betätigung durch die Pleuelstange.

b) abwechselnder Betätigung durch die Pleuelstange und eine Welle oder ein Zahnrad,

c) fortgesetzter Betätigung durch die Pleuelstange und eine Welle oder ein Zahnrad an jedem Kurbelarm.