DE19623313C2 - Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Strömungen in Parallelströmungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur partiellen Konzentration, Energietransformation und zur energetischen Nutzung von Strömungsenergie in Parallelströmungen, insbesondere mittels von einer Parallelströmung angeströmten Strömungsmodulen, in welchen Wirbel generiert, Wirbelströmungen hergestellt und zu induzierenden Wirbelspulen aufgewickelt werden, beispielsweise in parallelen und/oder spiraligen Drehströmungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht beispielsweise die partielle Konzentration und Energietransformation von Strömungsenergie einer Parallelströmung in einem Raum in dieser Parallelströmung. Die über projizierten Anströmflächen nutzbare Strömungsenergie wird in ihrer Energiedichte und im nutzbaren Potential erhöht. Die Erzeugung nutzbarer Energie kann mit wesentlich geringerem Bauaufwand erfolgen.

Eine freie Anströmung der an sich bekannten Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens durch die Hauptströmung sollte gewährleistet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielfach in Parallelströmungen reproduzierbar. Baugröße und Anzahl der angeordneten bekannten Einrichtungen 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. Nach der EP-PS 059146 = WO 92/21878 ist ein Verfahren bekannt, nachdem die Konzentration von Strömungsenergie in Strömungsmodulen erfolgt. Dazu ist ein innendruckgesteuertes, Einströmöffnungen bildendes Klappensystem und mindestens eine Ausströmöffnung eines Strömungsmodules erforderlich.

In den inneren Drehströmungen sind Wirbelerzeuger auf konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Wirbelerzeuger nach verschiedenen Anströmungen Wirbelfäden generieren, 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 Potentialwirbel 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.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Erhöhung der Zirkulation von Wirbelströmungen den inneren Hohlkörper mit mehreren Einströmöffnungen zu versehen, Wirbelerzeuger direkt am Umfang des Hohlkörpers anzuordnen und als Turbine zu nutzen. Die erzielten Wirkungen bestehen in der Herstellung einer dynamischen Wirbelspule, der Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der parallelen Drehströmung bei Energieentzug durch diese Turbine und gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades einer derartigen Turbine.

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 die 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. Durch die Ausnutzung der sich in Ausströmöffnungen bildenden Wirbelkerne können sehr genaue Umfangsgeschwindigkeitsverläufe nach der Potentialwirbeltheorie eingestellt und genutzt werden. Danach sind die Gesamtzirkulationen als Addition der Einzelzirkulationen annehmbar. Es resultieren höhere Zirkulationen in Wirbelspulen und höhere Zusatzgeschwindigkeiten.

Alle Vorschläge haben einen allgemeinen Nachteil, weil durch strömungsmechanische Widerstände bestimmte Mindestbaugrößen eingestellt werden, die nicht ohne weiteres unterschritten werden können. Weiterhin ist es nachteilig, daß nur Energiewandlungen vollzogen werden können. Energietransformationen im Sinne von Disproportionierungen oder Synproportionierungen sind in Parallelströmungen nicht bekannt.

Die Baugrößen von Anlagen zur Strömungsenergienutzung bestimmen aber ihre Einsetzbarkeit und den wirtschaftlich notwendigen Aufwand. Um eine wirtschaftliche Erzeugung nutzbarer Energie zu gewährleisten, sind die Baugrößen und ihre Einordnungsfähigkeit in eine Parallelströmung wesentliche Parameter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches, auf projizierte Anströmfläche der Parallelströmung bezogen, die Herstellung von Energiekonzentrationen und Energiewandlungen derart ermöglicht, daß Strömungsenergie dieser Parallelströmung über projizierten Anströmflächen von staudrucknutzenden Strömungsmodulen in höhere Energiedichten kleiner Wirkungsbereiche konzentriert, in höhere Potentiale transformiert, zur energetischen Nutzung eingesetzt und unmittelbar in das Strömungsfeld der erzeugenden Parallelströmung abgeleitet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches gelöst.

Erfindungsgemäß werden in einer Parallelströmung in eine oder mehrere Hauptströmungen in Form scheibenförmiger, expandierender Potentialwirbel vorzugsweise rechtwinklig zur Drehachse Wirbelströmungen in diese Hauptströmungen eingelagert, welche in der expandierenden Rotation fließen, gegenläufig Zusatzgeschwindigkeiten induzieren, die Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptströmungen erhöhen, gleichzeitig einen direkt in die Parallelströmung austretenden Massenstrom herstellen, nach dem Drehimpulserhaltungssatz ein Molekularkräftepotential im Wirbel ausbilden und mindestens eine axiale Translation geschwindigkeitserhöhen.

Auf einer Drehachse werden ein oder mehrere Potentialwirbel als Hauptströmungen mit einem gemeinsamen Axialstrom hergestellt und durch die Parallströmung angetrieben. Zwischen den Potentialwirbeln werden Kernwirbelströmungen hergestellt, so, daß Potentialdoppelwirbel ausgebildet werden, wobei Staudruck- und Unterdruckgebiete in der Parallelströmung entstehen.

In den Potentialdoppelwirbeln werden in einer Ebene expandierende Potentialwirbel mit nach außen abnehmenden Umfangsgeschwindigkeiten und durch Wirbelkernströmungen miteinander verbunden, in einer anderen Ebene tangentiale Einströmungen und nach innen ansteigende Umfangsgeschwindigkeiten hergestellt.

In diesem Potentialwirbel kann ein Vertikalachsenrotor mit Wirbel generierenden Schaufeln angeordnet sein. In einem oder mehreren Wirbeln mit gemeinsamer Drehachse zum Potentialdoppelwirbel werden Wirbelströmungen erzeugt und in die Rotationen eingelagert. Die Wirbelkernströmungen mit eingelagerten Wirbelströmungen werden in einem von der Parallelströmung frei durchströmbaren, zur gemeinsamen Drehachse rotationssymmetrischen Expansionsraum umgelenkt und ein expandierender Potentialwirbel hergestellt., die eingelagerten Wirbelströmungen fließen beispielsweise parallel zu scheibenförmigen Begrenzungen des Expansionsraumes in der neuen Hauptströmung, es resultieren Erhöhungen der Drehgeschwindigkeit der neuen Hauptströmung durch Induktion, eine geschichtete Strömung aus der gegenläufigen Induktion, ein direkt in die Parallelströmung induzierter Massenstrom und eine Erhöhung der Translation der Strömungen über der gemeinsamen Drehachse.

Dazu wird eine Parallelströmung an projizierten Anströmflächen von an sich bekannten, staudrucknutzenden, mit einem selbsttätig arbeitenden Klappensystem versehenen Strömungsmodulen auf einer oder mehreren Ebenen strömungsmechanisch zeitbezogen gleichzeitig über einer Drehachse in Doppelpotentialwirbel gewandelt und, bezogen auf eine gemeinsame Drehachse, in Strömungsrichtung in Staudruck- und in Durchströmgebiete aufgeteilt. Im Anfahrzustand werden in den Strömungsmodulen Potentialwirbel mit nach innen ansteigenden Umfangsgeschwindigkeiten als Hauptströmungen erzeugt und die Durchströmgebiete von der Parallelströmung durchströmt wodurch über Ausströmöffnungen der Strömungsmodule Unterdruck hergestellt und die Fließrichtung der Wirbelkerne der Potentialwirbel eingestellt wird.

Durch die Ausströmquerschnitten werden die Wirbelkerne als Potentialkernwirbelströmungen über der gemeinsamen Drehachse in Translation versetzt, eingelagerte Wirbelströmungen induzieren eine axiale Zusatzgeschwindigkeit. Die Potentialkernwirbelströmungen werden in den Durchströmgebieten in einem zur gemeinsamen Drehachse rotationssymmetrischen Expansionsraum umgelenkt und zu einer neuen rotierenden Hauptströmung umgeformt. Die in die Potentialkernwirbelströmungen eingelagerten Wirbelströmungen fließen vorzugsweise rechtwinklig zur Drehachse weiter. Es können auch zusätzlich direkt in diese neue Hauptströmung Wirbelströmungen eingeleitet werden.

In dieser Rotationslage erfolgen die Induktionen von Zusatzgeschwindigkeiten gegenläufig. Einerseits wird die Drehgeschwindigkeit der neuen Hauptströmung erhöht und die Fliehkraftwirkung verstärkt. Gegenläufig wird durch Induktion eine geschichtete Strömung erzeugt, welche ebenfalls die Axialströmung ansaugt und eine direkt in die Parallelströmung gerichteten Massenstrom hervorruft. Beide Induktionsrichtungen werden derart wirksam daß aus Gründen der Energieerhaltung ein Molekularkräftepotential im Wirbel hergestellt und aufrechterhalten wird. Es wird eine Energietransformation zu einem höheren Potential realisiert. Das Verfahren ist reproduzierbar.

Die Verfahrensschritte können auf einer Ebene angewendet und in verschiedenen Ebenen wiederholt werden. Bei über der gemeinsamen Drehachse zu einer axialen Mittengeschwindigkeit summierend wirkender Induktion sind die Abströmflächen der Durchströmräume parallel zum Windfeld wirksam.

Es resultiert die neue Wirkung einer rotierenden strömungsmechanischen Induktion von Wirbelströmungen in einer dem Trägheitsmoment der rotierenden Massen der Hauptströmungen doppelt adäquaten Wirkrichtung.

Die gegenläufige Induktion einer Zusatzgeschwindigkeit bewirkt die Initiierung eines aus dem expandierenden Potentialwirbel direkt in die Parallelströmung gerichteten Massenstromes, d. h., je nach Lage der betrachteten Wirbelströmung in der rotierenden Hauptströmung initiieren mal die ein, dann die andere Induktionsrichtung direkt in das Unterdruckgebiet der Parallelströmung gerichtete Massenströme. Dabei wechseln die Induktionsebenen entsprechend des Durchmessers der induzierenden Wirbelströmungen. Es können bei größeren Durchmessern geschichtete Strömungen im expandierenden Potentialwirbel entstehen. Die Wirbelströmungen induzieren ohne Einwirkungen durch andere Wirbelströmungen. Die Feldlinien aller Wirbelströmungen sind in der jeweiligen Induktionsrichtung gleichgerichtet und schließen sich in der Wirbelströmungsebene.

Reaktionswirkungen beschränken sich auf die Abströmung, insbesondere auf Änderungen des Geschwindigkeitsfeldes der Abströmung im Durchströmraum, welche für die Induktionsvorgänge im Wirbelsystem ohne negativen Einfluß bleiben.

Im doppelten Potentialwirbel entsteht ein treibendes Potential, welches einerseits die spezielle Form des Drehimpulserhaltungssatzes über das Produkt Umfangsgeschwindigkeit Radius gleich konstant als natürliche Existenzform zur Energiespeicherung im angetriebenen Potentialwirbel wirksam macht. Die Energietransformation auf ein höheres Potential erfolgt andererseits im doppelten Potentialwirbel durch die in Strömungsrichtung der Wirbelkerne generierten und in Rotationen eingelagerten Wirbelströmungen sowie die im expandierenden Teil des doppelten Potentialwirbels aus diesen Wirbelströmungen induzierten Zusatzgeschwindigkeiten.

Die Induktionswirkungen können durch zusätzliche, direkt in den expandierenden Potentialwirbel eingeleitete Wirbelströmungen eingestellt werden. Da auch hier der Drehimpulserhaltungssatz im Doppelpotentialwirbel als ganzheitlicher Wirbel gilt, lediglich eine andere Ebene des doppelten Potentialwirbels in der gleichen Parallelströmung angetrieben und genutzt wird, gibt es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen den Strömungsebenen durch Induktionsvorgänge in der expandierenden Strömungsebene, 'welcher als senkrecht zur Strömungsrichtung über seiner Drehachse transformiertes, reproduzierbares Molekularkräftepotential von Anziehungskräften der Moleküle beschrieben werden kann.

Der in der jeweiligen Anströmfläche der Parallelströmung anströmende Massenstrom kann geschwindigkeitskonzentriert in voller Größe durchgesetzt werden, so daß die Potentialwirbelstromfunktion für die Leistung des Wirbelsystems voll ausnutzbar wird. Mit genügend großen Induktionen können Energietransformationen erfolgen, welche eine zeitweilige Nutzung der potentiellen Energie der Parallelströmung gestatten. Es ist im Fluid ein technisches Tiefdruckgebiet hergestellbar.

Es ist reproduzierbar gesichert, daß scheibenartige Potentialwirbel in Strömungsmodulen aus Gründen der Energieerhaltung bei Energieaustrag im Inneren mit Geschwindigkeitserhöhungen der äußeren Umfangsgeschwindigkeiten selbsttätig reagieren.

Eine in einem derartigen Potentialwirbel durch das Drehfeld angetriebene Turbine ist dadurch in ihrer Leistung einstellbar und weist stabile Kennlinien auf.

Weiterhin ist erfindungsgemäß die neue Wirkung erzielt, strömungsmechanische Erhöhungen der Energiedichte eines in einer Parallelströmung erzeugten Axialstromes nach Erzeugung nutzbarer Energie über einer gemeinsamen Drehachse in parallel zu dieser Drehachse wirkenden Extensionen aufzulösen. Damit wird gewährleistet, daß aus diesem Verfahren zur Energietransformation und Wandlung von Strömungsenergie in nutzbare Energie keinerlei für die Umwelt der Parallelströmungen schädigende Wirkungen oder Emissionen resultieren. Die Anwendung des Verfahrens ist damit in Parallelströmungen zur Herstellung nutzbarer Energien für alle Einsatzmöglichkeiten mechanischer oder strömungsmechanischer Energien möglich.

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. In allen Strömungsmodulen werden durch die Parallelströmung Potentialwirbel hergestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit bekannten und bereits vorgeschlagenen Einrichtungen realisiert 'werden. Besondere Anforderungen an diese Einrichtungen gehen aus dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht hervor.

Claims (2)

1. Verfahren zur Energietransformation und energetischen Nutzung von Strömungen in Parallelströmungen, wobei in einer Parallelströmung partielle Rotationen über einer gemeinsamen Drehachse durch Staudrucknutzung und tangentiale Einströmungen hergestellt und Staudruck- sowie Unterdruckgebiete in der Parallelströmung an den partiellen Rotationsgebieten ausgebildet und durch die Parallelströmung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Parallströmung in eine oder mehrere, rotierende Hauptströmungen in Form expandierender Potentialwirbelscheiben Wirbelströmungen eingeleitet werden, vorzugsweise rechtwinklig zur Drehachse in der expandierenden Rotation fließen, gegenläufig Zusatzgeschwindigkeiten induzieren und daß einerseits die Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptströmungen erhöht, gleichzeitig direkt in die Parallelströmung gerichtete Massenströme induziert werden, aus Gründen der Energieerhaltung ein Molekularkräftepotential zu Potentialwirbeln anderer Ebenen über Potentialkernwirbelströmungen hergestellt und mindestens eine axiale Translation geschwindigkeitserhöht wird.

2. Verfahren zur Energietransformation in einer Parallelströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Parallströmung eine, durch einen Doppelpotentialwirbel mit verbindender Potentialkernwirbelströmung und maximaler Umfangsgeschwindigkeit mit senkrecht zur Parallströmung eingestellter Drehachse hergestellte Hauptströmung fließt, in einer Ebene des Doppelpotentialwirbels Druck aufgebaut und in der anderen Ebene Unterdruck erzeugt und eine Disproportionierung zur energetischen Nutzung in der Parallelströmung hergestellt wird.