DE19548637C2 - Vorrichtung zur partiellen Konzentration und energetischen Nutzung von Strömungsenergie in Parallelströmungen - Google Patents
Vorrichtung zur partiellen Konzentration und energetischen Nutzung von Strömungsenergie in ParallelströmungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentration und zur energetischen
Nutzung von Strömungsenergie in Parallelströmungen, insbesondere in von
einer Parallelströmung angeströmten Strömungsmodulen, in welchen Wirbel
generiert und Wirbelströmungen hergestellt und in parallele Hauptströmungen
eingeleitet und zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt werden,
beispielsweise in parallelen und/oder spiraligen Drehströmungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise die partielle
Konzentration von Strömungsenergie einer Parallelströmung in einem Raum in
dieser Parallelströmung und damit eine teilweise Umlenkung der
Parallelströmung außerhalb des Raumes zu den Konzentrationsräumen. Die
über einer projizierten Anströmfläche nutzbare Strömungsenergie wird in ihrer
Energiedichte erhöht. Die Erzeugung nutzbarer Energie kann mit wesentlich
geringerem Bauaufwand erfolgen.
Eine freie Anströmung der Vorrichtung durch die Hauptströmung sollte
gewährleistet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vielfach in
Parallelströmungen einsetzbar. Die Anzahl hängt von der Baugröße und dem
zur Verfügung stehenden Bauraum ab.
Baugröße und Anzahl der angeordneten Vorrichtungen bestimmen im
wesentlichen die erreichbare Strömungsenergiekonzentration, die für die
Erzeugung nutzbarer Energie durch ein oder mehrere Wandler einsetzbar ist.
Technisch werden Wirbel hergestellt, um beispielsweise zur Konzentration von
Windenergie Wirbelspulen in einer Windströmung zu erzeugen. Die DE-33 30
899 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Wirbeln, welche in Strömungs
richtung abreißen und durch Eigeninduktion stromab eine Wirbelspule herstel
len. Die von tragflügelartigen Elementen abreißenden Wirbel sind aber bereits
Sekundärenergie, die Strömungsenergie der Parallelströmung wird nur zu ei
nem Teil erfaßt. Die durch die Konzentration der kinetischen Energie in diesen
Wirbeln erreichbaren induzierten Zusatzgeschwindigkeiten einer Wirbelspule
betragen bereits das Doppelte der Anströmgeschwindigkeit des Konzentrators
auf einer inneren Kreisfläche. Der resultierende Volumenstrom hat das
achtfache Leistungsdargebot, so daß schnell laufende Propeller ohne Getriebe
einsetzbar wurden. Eine wirtschaftliche Nutzung ist nicht bekannt. Der
Konzentrator mußte im Durchmesser etwa 1,7-fach größer ausgeführt werden
als eine Turbine gleicher Leistung.
Nach der EP-0 591 467 ist ein Verfahren bekannt, nachdem die Konzentration
von Strömungsenergie in Strömungsmodulen erfolgt. Dazu ist ein
innendruckgesteuertes, Einströmöffnungen bildendes Klappensystem und
mindestens einer Ausströmöffnung eines Strömungsmodules erforderlich.
In den inneren Drehströmungen sind Wirbelerzeuger auf konzentrischen
Kreisen angeordnet, wobei die Wirbelerzeuger nach verschiedenen
Anströmungen Wirbelfäden generieren und Kanten- oder Schlauchwirbel
herstellen. Diese werden dann durch die parallele Drehströmung zu
Wirbelspulen in den Strömungsmodulen aufgewickelt, welche eine axiale
Zusatzgeschwindigkeit induzieren. Es resultiert eine Verstärkung des
Axialstromes und eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit in den
Strömungsmodulen. Dabei wird ein innerer Hohlkörper angeströmt, in den eine
Vielzahl von Wirbelströmungen eingesaugt und zu einer induzierenden
Wirbelspule aufgewickelt werden, so daß im Wirkungsbereich des
Potentialwirbels eine Turbine angeordnet oder der Hohlkörper direkt als
Turbine genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad dieser Einrichtungen hängt im
wesentlichen von der Zirkulation der Wirbel erzeugenden Elemente ab.
Pulsationen der Parallelströmung sowie hohe Anströmgeschwindigkeiten
werden im Betrieb dieser Einrichtungen ohne Probleme aufgenommen.
Nachteilig ist, daß die erzeugten Wirbelströmungen auch eine
Sekundärenergie repräsentieren und die Strömungsenergie der
Parallelströmung nicht vollständig erfaßt wird.
Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Erhöhung der Zirkulation von
Wirbelströmungen den inneren Hohlkörper mit mehreren Einströmöffnungen zu
versehen und Wirbelerzeuger direkt am Umfang des Hohlkörpers anzuordnen
und als Turbine zu nutzen. Die erzielten Wirkungen bestehen in der
Herstellung einer dynamischen Wirbelspule sowie der Erhöhung der
Umfangsgeschwindigkeit der parallelen Drehströmung bei Energieentzug durch
diese Turbine und gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades einer
derartigen Turbine.
Weiterhin wurde vorgeschlagen, Wirbel erzeugende Elemente außerhalb der
Strömungsmodule anzuordnen, so daß die Parallelströmung direkt Wirbel ge
neriert und Wirbelströmungen durch Leitungen unter Überdruck aus der Paral
lelströmung sowie Unterdruck aus der inneren Drehströmung eines Strö
mungsmoduls in das Innere des Strömungsmoduls transportiert und in den
Wirbelkern dieser Drehströmung eingelagert sowie zu einer induzierenden
Wirbelspule aufgewickelt werden. Auf diese Weise wurde der erforderliche,
strömungsmechanische Staudruckkegel vor der Einrichtung vergrößert. Zwi
schen den Wirbel erzeugenden Elementen entstehen Übergeschwindigkeiten,
welche die Anströmverhältnisse des innen angeordneten Strömungsmoduls
verbessern. Damit wurde es möglich, direkt Strömungsenergie aus einer Paral
lelströmung in Wirbelströmungen zu konzentrieren, fortzuleiten und auf kleinen
rotationssymmetrischen Räumen zur Induktion einer axialen Zusatzgeschwin
digkeit zu nutzen. Diese Zusatzgeschwindigkeit evakuiert eine Turbine und
beschleunigt so eine die Turbine antreibende Drehströmung. Der Turbinenan
trieb wird prinzipiell von Strömungsdruck- auf Saugzugantrieb umgestellt.
Damit verändern sich die strömungsmechanischen Widerstände der Turbine
wesentlich.
Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, einen über einer größeren Fläche
anströmenden Volumenstrom in zwei Teilströmen in unterschiedlich erzeugte
Wirbel zu wandeln und diese Wirbel als Wirbelströmungen auf einer
Drehachse zu konzentrieren. Auf einer Drehachse wird ein Potentialkernwirbel
hergestellt, welcher in einer kegelförmigen Abströmphase auf eine
Ausströmöffnung konzentriert und in einen Unterdruckkern eines, auf gleicher
Drehachse generierten Schlauchwirbels eingesaugt wird. Beide Wirbel werden
mit ihren Zirkulationen zu einem konzentrierten Wirbel auf einer Drehachse
vereinigt, so daß bei gleichem Bauraum die Massenkonzentration in
komprimierbaren Fluiden entsprechend erhöht werden kann. Es resultieren
stabilere Wirbelströmungen mit konzentriertem Unterdruckkern, welche zu
leistungsstärkeren, induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt werden können.
Der ansaugende Schlauchwirbel wird aber nach natürlichen Verhältnissen
durch Fliehkräfte in seinem Unterdruckkern bestimmt, wodurch der
Massenkonzentration Grenzen gesetzt sind.
Diese Grenzen wurden mit dem Vorschlag überschritten, in Potentialwirbel
erzeugenden Elementen Potentialwirbel zu generieren und diese durch Aus- bzw.
Durchströmöffnungen derart in Fließrichtung zu schichten, daß
hochkonzentrierte Potentialkernwirbelströmungen hergestellt und fortgeleitet
werden können. Danach sind die Gesamtzirkulationen als Addition der
Einzelzirkulation annehmbar. Es resultieren danach höhere Zirkulationen in
Wirbelspulen und somit höhere Zusatzgeschwindigkeiten.
Alle Vorschläge haben den Nachteil, daß die anströmende Strömungsenergie
der auszunutzenden Parallelströmung nicht vollständig erfaßt werden kann.
Der vorbeiströmende Teil der Parallelströmung ist nicht nutzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, welche
die Herstellung von Energiekonzentrationen auf eine Anströmfläche der
Parallelströmung bezogen derart ermöglicht, daß Strömungsenergie dieser
Parallelströmung in projizierten Anströmflächen von Energiewandlern
annähernd vollständig in Strömungsenergie kleiner Wirkungsbereiche
konzentriert und zur energetischen Nutzung fortgeleitet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des
Hauptanspruches gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen enthalten.
Eine Parallelströmung wird an projizierten Anströmflächen auf einer oder
mehreren Ebenen strömungsmechanisch zeitbezogen gleichzeitig und in
Strömungsrichtung in Durchströmräumen an geschichteten, projizierten
Anströmflächen nachfolgend Energiewandlungsprozessen unterworfen. Durch
die geschichteten, projizierten Anströmflächen wird eine strömungsmechanisch
wirkende Anströmfläche hergestellt, deren Größe ungeschichteten, projizierten
Anströmflächen entspricht. Damit wird eine vollständige Erfassung der
anströmenden Energie dieser Ebenen in diesem Durchströmraum möglich. In
derart durchströmten und/oder umströmten Durchströmräumen entstehen durch
die Energiewandlung strömungsmechanische Senken. Eine Vielzahl dieser
Senken bewirkt eine partielle Konzentration der Parallelströmung auf die
Durchströmräume dieser Ebenen und in den Durchströmräumen partielle
Beschleunigungen der Durchströmungen. Es entsteht eine
Beschleunigungszone, welche durch die Druckdifferenz zwischen Staudruck
der Anströmung und Unterdruck in der Durchströmung sowie leeseitigem
Unterdruck gebildet wird. Es resultieren strömungsmechanisch eingestellte, mit
wechselnden Anströmrichtungen wechselnde, projizierte Anströmflächen.
Die durch die geschichteten und ungeschichteten, projizierten Anströmflächen
fließenden Volumenströme generieren Wirbel. In den Durchströmräumen
werden Wirbelströmungen hergestellt. Diese Wirbelströmungen, vorzugsweise
Potentialkernwirbelströmungen, werden zur Erzeugung nutzbarer Energie
fortgeleitet und in Drehströmungen konzentriert. Die Konzentration erfolgt
derart, daß die Wirbelströmungen in innere Unterdruckgebiete von
Drehströmungen gleicher und/oder anderer Ebenen geleitet sowie stirnseitig in
Drehströmungen gezogen werden. An inneren, in Fließrichtung öffnenden
strömungsmechanischen Mantelflächen in diesen Drehströmungen werden die
Potentialkernwirbelströmungen strömungsmechanisch, mindestens bis zur
Beschreibung eines Kreises über der Drehachse, abgestützt und in diese
Mantelflächen eingelagert zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt. Es
resultiert die Induktion einer axialen Zusatzgeschwindigkeit, axiale
Strömungsfelder von Drehströmungen in diesen Bereichen werden stabil
verstärkt, wobei die Wirbelströmungen danach ohne Abstützung in den
Drehströmungen weiterfließen und in die Parallelströmungen abgeführt
werden.
Die Potentialkernwirbelströmungen weisen hohe Umfangsgeschwindigkeiten
und damit eine große Eigenstabilität auf. Sie können auch direkt in die
Parallelströmung auf einem Grundkreis eingeleitet werden. Stromab bilden sie
dann durch Eigeninduktion eine an sich bekannte Wirbelspule, welche jedoch
Primärenergie der Parallelströmung in den Potentialkernwirbelströmungen
konzentriert nutzt. Es resultieren entsprechend höhere
Zusatzgeschwindigkeiten.
Die neue Wirkung entsteht durch die Schritte in einer Parallelströmung eine
räumliche Anordnung von einer Vielzahl von Energiewandlern zu einer strö
mungsmechanisch projizierten Anströmfläche wirksam zu machen, die über
dieser Fläche in einem Durchströmraum anströmende Energie vollständig zu
erfassen, den Volumenstrom partiell im Durchströmraum zu beschleunigen, in
Drehströmungen zu wandeln und die aus diesem Durchströmraum der Paral
lelströmung entzogenen Primärenergie in einer Wirbelspule in einem wesent
lich kleineren Raum zu konzentrieren. Da die Entropie des fluides gestört ist,
muß die Parallelströmung die im kleineren Raum einer anderen Ebene des
Fluids geschwindigkeitskonzentrierten Massen im Durchströmraum, in welchen
sie entzogen wurden, ersetzen. Die Parallelströmung wird dadurch auf diesen
Durchströmraum partiell konzentriert. Anströmrichtungen können über 360°
wechseln. Es ist möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung in Modulbauweise
herzustellen und in verschiedenen Ebenen mit bekannten Strömungsmodulen
zur Erzeugung nutzbarer Energie zu kombinieren. Eine anströmende Parallel
strömung kann auf kleinen Grundflächen für erfindungsgemäße Vorrichtungen
zur Herstellung hoher Energiekonzentrationen und Wandlung in nutzbare
Energie ausgenutzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Anordnung von Wirbel
erzeugenden Elementen über der Grundfläche eines Strömungsraumes zur
Erzeugung von Wirbelströmungen auf. Alle Wirbel erzeugenden Elemente sind
frei umströmbar, der gesamte Raum über der Grundfläche ist durchströmbar.
Als Wirbelmodule ausgebildet können sie auf gleichen Ebenen parallel oder
auf verschiedenen Ebenen angeordnet und mit anderen Strömungsmodulen
kombiniert werden. Vorzugsweise werden Potentialkernwirbelströmungen
hergestellt, welche höhere Geschwindigkeitskonzentrationen, bei
kompressiblen Fluiden zusätzlich Massenkonzentrationen, aufweisen und
damit die erforderliche Stabilität erhalten. Dazu ist ein Düsenkegel mit einer
Ausströmöffnung angeordnet, welche das Radienverhältnis zwischen Einström- und
Ausströmradius bestimmt. Durch den Ausströmradius wird der Wirbelkern
der Potentialkernwirbelströmung festgelegt, so daß hohe Konzentrationen mit
der hergestellten Zirkulation erreichbar sind. Auch in zylindrischen Elementen
mit einer kleinen Ausströmöffnung ist der Wirbelkern einer
Potentialkernwirbelströmung durch die Ausströmöffnung einstellbar.
Zur Fortleitung dieser Wirbelströmungen sind Rohre angeordnet. Sie erfüllen
zugleich die Funktion eines Schwellraumes für die Wirbelströmungen, da sie
unter Überdruck aus dem Staudruck der Parallelströmung an den Wirbelerzeu
gern durch die Rohre strömen. Es ist bekannt, daß sich der strömungsmecha
nische Widerstand der Rohre bei rotierenden Rohrströmungen gegenüber
normalen Fließen verringert. Die Wirbelströmungen können dadurch längere
Strecken fortgeleitet werden.
Die Rohre können in der Parallelströmung enden, indem sie einen Kreis am
Ende des Raumes oder neben dem Raum bilden. Die austretenden Wirbel
strömungen stellen dann in der Parallelströmung eine stromab durch Eigen
induktion der Wirbel gebildete Wirbelspule her, welche mittig eine Zusatz
geschwindigkeit erzeugt. Sie kann in Verbindung mit weiteren Leiteinrichtun
gen, beispielsweise zur Förderung von Wasser aus tieferen Schichten zur
Sauerstoffanreicherung genutzt werden.
Zur Nutzung von Windenergie werden Strömungsmodule auf verschiedenen
Ebenen der Strömung angeordnet. Die Strömungsmodule weisen ein
innendruckgesteuertes, Einströmöffnungen bildendes Klappensystem zur
selbsttätigen Einstellung auf wechselnde Anströmrichtungen und mindestens
eine Ausströmöffnung auf. Auch die Wirbel erzeugenden Elemente sind aus
derartigen Strömungsmodulen gebildet, wobei sie auf einer Stirnseite
geschlossen sind und auf der anderen Stirnseite einen Düsenkegel mit einer
kleinen Ausströmöffnung aufweisen. Sie können als durchströmbare
Wirbelmodule ausgebildet und als selbständige Baueinheiten mit anderen
Strömungsmodulen kombiniert werden. Oder sie sind auf der Deckfläche eines
Strömungsmodules angeordnet, in welchem sich eine Turbine zur Erzeugung
nutzbarer Energie befindet. Die Düsenkegel ragen in dieses Strömungsmodul
hinein und sind mit Rohren verbunden, die durch den Innenraum des
Strömungsmoduls in ein zweites Strömungsmodul führen. Dort sind sie auf
einem Kreis innen an einem Spulenkörper angeordnet, so daß die
austretenden Wirbelströmungen mit minimal möglicher Steigerung im
Spulenkörper geführt werden. Der Spulenkörper ist aus einem
fluiddurchlässigen, in Fließrichtung konisch öffnenden Körper gebildet, welcher
drehbar gelagert sein kann. Die Rohre umschließen einen
Durchströmquerschnitt, welcher strömungsmechanisch mit der
Ausströmöffnung der Turbine verbunden ist. In allen Strömungsmodulen
werden durch die Parallelströmung Wirbelströmungen hergestellt. In dem
Strömungsmodul, in dem sich der Spulenkörper befindet, wird eine
spiralförmige Drehströmung hergestellt, welche einen Unterdruckkern ausbildet
und durch eine Ausströmöffnung in die Parallelströmung abfließen kann.
In dem Strömungsmodul, in dem sich die Turbine befindet, wird ein
Potentialwirbel mit nach innen ansteigenden Umfangsgeschwindigkeiten
erzeugt. Ein durch den Potentialwirbel geleiteter Massenstrom kann nur durch
die Ausströmöffnung der Turbine abfließen. In der Vielzahl der
Strömungsmodule, die in dieses Strömungsmodul mit Düsenkegeln
hineinragen, werden im durchströmten Raum Potentialkernwirbelströmungen
hergestellt und durch die Rohre in den Spulenkörper geleitet. Die
Potentialkernwirbelströmungen sind konstruktiv in ihrer
Geschwindigkeitskonzentration einstellbar, so daß sie die erforderliche
Stabilität für die Fortleitung aufweisen. Aufgrund der in der Luft möglichen
Massen- und Geschwindigkeitskonzentrationen können
Potentialkernwirbelströmungen geringer Durchmesser mit sehr großen
Umfangsgeschwindigkeiten erzeugt werden, die eine hohe Eigenstabilität und
eine hohe Zirkulation aufweisen. Sie werden in die Drehströmung eingeleitet,
welche im Spulenkörper durch die Turbine und außerhalb des Spulenkörpers
durch die spiralförmige Drehströmung hergestellt ist. Im Spulenkörper fließen
sie strömungsmechanisch abgestützt, bis sie über der Schraubenlinie
mindestens einen Kreis beschrieben haben. Rotiert der Spulenkörper in den
Drehströmungen, fließen die Wirbelströmungen praktisch an der Wand
abgestützt und ein Teil der Rotationsenergie der Potentialkernwirbelströmungen
wird in kinetische Energie der spiralförmigen Drehströmung umgesetzt.
Während der Energieabgabe kann die Umfangsgeschwindigkeit sinken und
eine Durchmesservergrößerung eintreten. Diesem Prozeß wird durch eine
konische Öffnung des Spulenkörpers Rechnung getragen, so daß der
induzierte Axialstrom nicht durch Querschnittsverringerungen abgebremst wird.
Es ist bekannt, daß Wirbel an einer geraden Wand nicht existieren können,
sondern aufgrund ihrer Induktionswirkungen eine Kraft entsteht, welche sie in
Abhängigkeit vom Abstand zur Wand in die zur Kraftrichtung entgegengesetzte
Richtung an der Wand beschleunigt. Es ist deshalb zweckmäßig, den
Spulenkörper auszuformen und auf mehrgängigen Schraubenlinien
Führungsbahnen einzuarbeiten, welche den Existenzerfordernissen der
Potentialkernwirbelströmungen entsprechen. Die Führungsbahnen sind so
ausgebildet, daß die den Wirbel an der Wand beschleunigenden Kräfte nicht
mehr wirken oder vernachlässigbar klein sind.
Nach Austritt aus dem Spulenkörper fließen die energieärmeren
Potentialkernwirbelströmungen ohne Abstützung in der spiralförmigen
Drehströmung in die Parallelströmung ab. Die derart hergestellte Wirbelspule
induziert ein Strömungsfeld, welches einen Volumenstrom aus der Turbine zieht
und somit die Umfangsgeschwindigkeit des die Turbine antreibenden
Potentialwirbels erhöht. Die Strömungsenergie des Teilstromes der
Parallelströmung, der den Raum mit einer Vielzahl angeordneter
Strömungsmodule durchströmt, ist vollständig erfaßt und mit hohem
Wirkungsgrad im Spulenkörper konzentriert zur Erzeugung nutzbarer Energie
einsetzbar. Die Baugrößen derartiger Vorrichtungen können bei gleicher oder
ansteigender Leistungsfähigkeit klein gehalten werden. Derartige
Windenergieanlagen lassen sich gut in ein Orts- oder Landschaftsbild
einfügen. Die Voraussetzungen für einen hohen Standardisierungsgrad bei der
Herstellung von Strömungsmodulen sind damit weiter verbessert worden,
wodurch eine wirtschaftliche günstigere Serienfertigung solcher Elemente
möglich wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in allen Strömungen
eingesetzt werden, in denen Energiekonzentrationen hergestellt werden sollen,
wodurch die Wirtschaftlichkeit in großem Umfang verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht einer Kombination von Strömungsmodulen zu
einer Windenergieanlage in schematischer Darstellung
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Wirbelmodul nach Fig. 1
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Durchströmung eines
Wirbelmoduls
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Leistungsmodul sowie ein Verstärker
modul einer Windenergieanlage in schematischer Darstellung
Fig. 5 einen Schnitt A-A durch ein Verstärkermodul nach Fig. 3.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Kombination eines oberen Wirbelmoduls 1 mit einem Leistungsmodul 2
und einem Verstärkermodul 3 zu einer Windenergieanlage dargestellt. Das
Tragwerk ist nicht näher dargestellt. Das Wirbelmodul ist aus gleichartigen
Strömungsmodulen 4 aufgebaut, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Die äußeren
Mantelflächen der Strömungsmodule 4 sind aus Klappen 5 gebildet, welche bei
Auftreten von Staudruck Einströmöffnungen 6 bilden, leeseitig schließen und
so eine selbsttätige Windnachführung gewährleisten. Die Anströmung kann
auch im Durchströmraum 7 des Wirbelmoduls 1 beliebig erfolgen, auf der Linie
des höchsten Staudruckes öffnen die Klappen tangential und bestimmen die
Drehrichtung des herzustellenden Potentialkernwirbels. Die Einströmöffnungen
stellen sich mit etwa 30° in Drehrichtung ab der max. Staudrucklinie ein, so daß
der einströmende Volumenstrom fest eingestellt ist. Ein Teil der
Anströmgeschwindigkeit wird in Überdruck gewandelt, welcher für den
Transport der Potentialkernwirbelströmung durch die Rohre 8 erforderlich ist.
Die Startgeschwindigkeit des herzustellenden Potentialwirbels liegt dann
unterhalb der halben Anströmgeschwindigkeit. Um eine hohe Zirkulation des
Potentialwirbels zu erreichen, sind entsprechend große Radienverhältnisse
zwischen äußerem Anströmradius und innerem Ausströmradius erforderlich. Im
Inneren des Potentialwirbels bildet sich dann eine Potentialkernwirbelströmung
aus, welche durch die Ausströmöffnung determiniert ist. Die in dieser
Potentialkernwirbelströmung konzentrierten Massen werden in Translation
durch die Rohre 8 transportiert und über die Potentialwirbel nachgeliefert. Auf
diese Weise läßt sich der Massenstrom über der projizierten Anströmfläche
des Wirbelmoduls 1 in geschichtete, projizierte Anströmflächen auflösen, so
daß nach Durchströmen des Wirbelmoduls die gesamte angeströmte Masse in
einer Vielzahl von Potentialwirbeln geschwindigkeitskonzentriert ist. Der
Transport der gespeicherten kinetischen Energie in das Verstärkermodul 3
durch die Rohre 8 erfolgt durch den Staudruck und durch den in den
Strömungsmodulen 4 herrschenden Überdruck. Die Pulsationen des
anströmenden Windes werden in Wellenenergie gewandelt.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, erfolgt die Durchströmung des
Wirbelmoduls 1 und die partielle Entnahme von Massenströmen aus der
anströmenden Parallelströmung in zeitlicher Folge in wechselnden
Strömungsabschnitten. Leeseitig wird ein relativ großes Unterdruckgebiet
erzeugt, welches einen Beschleunigungsbereich im Wirbelmodul ausbildet. Die
Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Strömungsmodulen 4 wird dadurch
erhöht, es resultiert eine partielle Konzentration von Strömungsenergie im
Wirbelmodul. Die hinter den Strömungsmodulen entstehenden Karman′schen
Wirbelstraßen werden in die Strömungsmodule 4 gezogen, sofern sie im
Bereich der max. Staudrucklinien fließen. Durch die Anordnung der
Strömungsmodule 4 auf konzentrischen Kreisen oder mit Abweichungen zu
diesen ist gewährleistet, daß alle Strömungsmodule 4 einzeln angeströmt
werden und eine strömungsmechanische Reihenanordnung nicht eintreten
kann.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ragen die Düsenkegel 9 mit Ausströmöffnungen 10 durch
die Deckplatte 11 des Leistungsmoduls 2 in den Strömungsraum 12 und sind
mit Rohren 8 zur Fortleitung der Potentialkernwirbelströmungen verbunden.
Leistungsmodul 2 und Verstärkermodul 3 sind in den äußeren Mantelflächen
ebenfalls mit den bereits beschriebenen Klappen 5 ausgerüstet.
Düsenkegel 9 und Rohre 8 können als Baugruppen gleichzeitig in das
Tragwerk integriert sein. Mittig ist eine Turbine 13 zur Erzeugung nutzbarer
Energie angeordnet, welche nicht näher erläutert wird. Die Ausströmöffnung 14
der Turbine 13 ist mit einem Durchströmrohr 15 verbunden, welches in der
Grundplatte 16 des Leistungsmoduls 2 angeordnet ist. Die Rohre 8 sind, wie in
Fig. 5 dargestellt, tangential zum Durchströmrohr 15 geführt und enden mit
Ausströmöffnungen 17 im konischen Spulenkörper 18. Der Spulenkörper 18
kann auf mehrgängigen Schraubenlinien nicht näher erläuterte Ausformungen
zur Wirbelführung erhalten. Die einströmenden Potentialkernwirbelströmungen
werden im Spulenkörper 18 geführt, bis mindestens ein Kreis über den
Schraubenlinien beschrieben ist. Die Potentialkernwirbelströmungen stützen
sich an der Mantelfläche 19 des Spulenkörpers strömungsmechanisch ab. Der
Spulenkörper 18 kann drehbar gelagert sein, so daß zwischen der
Mantelfläche 19 und den Potentialkernwirbelströmungen nur geringe
Geschwindigkeitsunterschiede auftreten. Die Induktion einer axialen
Zusatzgeschwindigkeit ist in der so hergestellten Wirbelspule
strömungsmechanisch und räumlich determiniert. Es sind je nach Zirkulationen
der Potentialkernwirbelströmungen hohe Zusatzgeschwindigkeiten erreichbar.
Potentialkernwirbelströmungen und beschleunigter Axialstrom können sich in
der spiralförmigen Drehströmung des Verstärkermoduls ausdehnen und durch
die Ausströmöffnung in die Windströmung abfließen. Durch die Konzentration
der im Wirbelmodul aufgenommenen kinetischen Energie in der Wirbelspule
des Spulenkörpers im Verstärkermodul entsteht ein Kraftfeld im Spulenkörper,
welches den Innenraum Turbine 21 der Turbine 13 evakuiert. Es resultiert im
Potentialwirbel des Leistungsmoduls ein Unterdruck, welcher eine Be
schleunigung der Umfangsgeschwindigkeit des Potentialwirbels hervorruft. Die
Turbinenleistung kann über das so hergestellte Drehfeld der Turbine 13 einge
stellt werden. Sie hängt im Wesentlichen von der im Spulenkörper 18 induzier
ten Zusatzgeschwindigkeit ab. Werden in der Turbine 13 Wirbel generiert, wird
zusätzlich eine dynamische Wirbelspule in den Axialstrom eingelagert, welche
bei Energieentzug durch die Turbine 13 eine Verstärkung des Kraftfeldes be
wirkt.
Die ausströmenden, energieärmeren Massen füllen das
Unterdruckgebiet im Lee des Leistungsmoduls 2 sowie des Verstärkermoduls 3
auf. Die hinter der Windenergieanlage mit den Modulen 1; 2; 3 vorhandene
Strömung ist wieder laminar, es treten keinerlei Störungen der Umwelt ein.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur partiellen Konzentration und energetischen Nutzung von
Strömungsenergie in Parallelströmungen, wobei eine Parallelströmung
teilweise in Rotationen überführt und Strömungsmodule angeströmt
werden, welche zur selbsttätigen Nachführung wechselnder
Anströmrichtungen ein innendruckgesteuertes, Einströmöffnungen
bildendes und leeseitig schließendes Klappensystem sowie mindestens
eine Ausströmöffnung sowie Einrichtungen zur Energiewandlung
aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer oder mehreren von einer Parallelströmung mit wechselnden
Anströmrichtungen angeströmten Ebenen Strömungsmodule (4)
angeordnet sind, in welchen Wirbel generiert sowie hoch konzentrierte
Wirbelströmungen hergestellt werden, wobei zwischen den
Strömungsmodulen (4) ein Durchströmraum (7) gebildet wird und die
Strömungsmodule (4) mit Baugruppen aus Düsenkegeln (9) und Rohren
(8) verbunden sind, welche außerhalb des Durchströmraumes (7) enden
und die Wirbelströmungen zur Konzentration von kinetischer Energie
die Düsenkegel (9) und Rohre (8) durchströmen und eine Beschleunigung
eines Volumenstromes in diesen Durchströmräumen hervorrufen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Strömungsmodule (4) und Durchströmräume (7) als Wirbelmodule (1)
ausgebildet sind und mit Leistungsmodulen (2) sowie Verstärkermodulen
(3) kombiniert turmartig übereinandergestapelt angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Strömungsmodulen (4) Düsenkegel (9) angeordnet sind und
an den Düsenkegeln (9) Rohre (8) angeordnet und durch einen
Strömungsraum (12) eines Leistungsmoduls (2) geführt sind und die
Rohre (8) in einem Verstärkermodul (3) konzentrisch in einem
Spulenkörper (18) angeordnet und mit einem Durchströmrohr (15)
verbunden sind.
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