-
Wellenerzeuger für ein Schwimmbecken Die Erfindung betrifft einen
Wellenerzeuger und ein Verfahren zum Betreiben des Wellenerzeugers für ein Schwimmbecken,
das am Rande mit einer Kammer versehen ist, in der dem Wasser rhythmische Impulse
erteilt werden.
-
Wellenerzeuger sind bekannt. Die Impulse werden dem Wasser durch Druckluft,
Tauchkörper, Klappwände oder dglo erteilt0 Dem Anlagenbauer begegnen dabei erhebliche
Schwierigkeiten. Die Verwendung von Druckluft bringt schlechte Wirkungsgrade wegen
des kompressiblen, dünnen Zwischenmediums, Gebläseverluste, Ein-und Ausblasverluste
in und auf dem Wege zu den Verdrängerkammern, dazu noch eine Korrosionsbelastung
der Gesamtanlage durch die pulsierende 100 %ig feuchte, mit Chlor oder Meersalz
angereicherte Lufto Tauchkörper oder Klappwände als statische Verdränger bedingen
wegen der erforderlichen hohen Leistungen von einigen 100 Kilowatt, wegen des beschränkten
Arbeitshubes und wegen der vom Schwingverhalten des Beckens abhängigen niedrigen
Hubfrequenz von ca. 0,5 enorme Betätigungskräfte. Hieraus ergeben sich statisch
ungünstige Verhältnisse der bewegten Teile und große bewegte Massen. Die großen
Flächen dieser Elemente sind nur mit besonderem Materialaufwand vor Korrosionseinflüssen
zu schützen.
-
Die Entwicklung verläuft zu immer größeren Beckenabmessungen, d.h.
zu größeren Beckentiefen und Wassermassen und damit auch zu noch niedrigeren Eigenfrequenzen.
Die Leistungsbilanz wird zunehmend ausschlaggebend und erfordert die regeltechnische
Beherrschung von Resonanzfällen mehrerer Eigenschwingungsarten.
-
Die Wellenmaschine muß in der Lage sein, eine ganze Anzahl von Wellenbildern
- über eine glatte Frontalwelle hinaus - als
¢berlagerung von Längs-
und Querkomponenten zu liefern, um die Forderung nach einem Resonanzbetrien mit
dem niedrig-frequenten Becken und nach höherer Energieeintragungsfrequenz miteinander
in Einklang zu bringen. Hierbei sind die bekannten Verdrängerwellenmaschinen zu
wenig anpassungsfähig.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellenerzeuger mit
direkter Kraftübertragung auf das Wasser so zu gestalten und zu betreiben, daß mit
Einrichtungen geringer benetzter Oberfläche und mit maschinentechnisch günstigen
Kraft x Weg -Faktoren bei gleichzeitig größtmöglicher steuertechnischer Flexibilität
ein hoher Energieübertragungswirkungsgrad erreicht wird, Zugrunde liegt der Gedanke,
daß Propeller mit steuerbarem Einstellwinkel, die sich nur im Anfahrzustand befinden,
keinen eingeschnürten Propellerstrahl ausbilden, sondern zunächst nur eine divergierende
Quellströmung. Dies geschieht, weil die an den Blattspitzen austretende und in die
Nabe eintretende Wirbelbelegung nicht nennenswert wegfließen kann (Startverhältnisse
eines Flügels) und daher gar nicht erst zum Aufrollen gelang, Wesentlich dabei ist
die periodische Umkehr dieses Vorgangs genau durch den Ausgangspunkt (Nullförderung).
-
Da sich die beschleunigte Wassermenge hinter dem Flügelrad ausbreitet,
erzeugt sie einen für die Wellenbildung geeigneten Berg ebenso wie das entsprechende
Wellental.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein
Aggregat, bestehend aus einem angetriebenen und drehzahlkonstant umlaufenden Flügelrad
mit rhythmisch umstellbarem Einstellwinkel der Flügel, in der Seitenkammer des Schwimmbeckens
angeordnet ist, wobei die Umsteuerung des Einstellwinkels in zeitlicher Abhängigkeit
sinusförmig verläuft und die Amplitude
der Umsteuerung der gewünschten
Größe der Wellenbewegung im Schwimmbecken eingeregelt wird.
-
Nach einem weiteren Merkmal sind-drei oder mehr Aggregate in einer
durch Blachstabgitter vom Schwimmbecken abgeschirmten Kammer entlang der Schwimmbeckenstirnseite
angeordnet.
-
Das Flügelrad besitzt zum Beispiel gegenüber einer Klappwand eine
geringe wasserbenetzte Oberfläche. Infolge der Drehzahlkonstanz reißt die Strömung
von den Flügeln des Rades nicht ab, und der tbertragungswirkungsgrad der Leistung
auf das Wasser ist gleichbleibend gut. Dabei ergeben sich aus der schraubenförmigen
Relativbewegung der Flügel zu dem Wasser günstige Kraft x Weg - Faktoren, die maschinentechnisch
durch den umstellbaren Einstellwinkel der Flügel von einem Regler leicht eingestellt
werden können. Der sinusförmige zeitliche Verlauf der Größe des Einstellwinkels
erteilt dem Wasser rhythmische Impulse mit gutem Wirkungsgrad und großer BreitenwirkungO
Die Flügel haben symmetrisches Profil, und die Blattiefe nimmt gegen die Flügelenden
konkav sich verjüngend ab. Die Blatteinstellwinkel werden zyklisch sinusförmig mit
beckenabhängiger Frequenz gesteuert, derart, daß Resonanz mit einer oder mehreren
bevorzugten Eigenschwingungszahlen des Beckenwassers eingehalten wird. Die Winkelamplitude
der Blätter wird leistungsabhängig eingeregelt, zum Beispiel über einen Leistungskonstantregler
des hydraulischen Wellenantriebs derart, daß bei konstanter Drehzahl der ebenfalls
sinusförmige Blattanstellwinkelverlauf (Profile relativ zum schwingenden Wasser)
unabhängig von der jeweiligen Einstellwinkelamplitucie ist (zum Beispiel während
der Anlaufphase des Wellenbetriebes) und damit die Antriebsleistung zyklisch streng
konstant bleiot.
-
Es ist ein Vorteil der erfinuungsgemäßen Einrichtung, daß die hnstellwinkelamplitude
und damit die max. Auftriebsbeiwerte unu die Flächenleistung des Rades sehr hoch
gefahren werden
können,-aa cias lçurzperiovische Anziehen der Winkel
die strömungstechnisch bekannte Überzieh- oder Abrißsicherheit voll nutzbar macht,
Die Beckengröße und Tiefe bestimmen das Eigenschwingungsverhalten der Wassermasse.
Bs wird eine solche Zahl von Aggregaten gewählt, daß stehende Wellen in Quer- oder
Längsrichtung als Resonanzfall betrieben werden können. Ferner wird eine höherfrequente
Überlagerung benötigt, um den Energieeintrag durch eben diese höhere Pumpfrequenz
zu verbessern.
-
Dies erreicht man durch zwei Maßnahmen: lo Die Aggregate werden phasengleich
in Gruppen betrieben, die jedoch untereinander um 1600 phasenverschoben arbeiten.
Hierdurch kann beispielsweise eine stehende Welle im Becken erzeugt werden, die
höherrequent ist als die Beckengrundschwingung und so aussieht, als ob das Becken
durch eine Längsmittelwand geteilt wäre.
-
2. Einzelne Aggregate können zusätzlich einer Modulation der Anstellwinkel-
oder Leistungsamplitucie unterzogen werden, wodurch eine Schwingungskomponente überlagert
wird, clie in resonanz zu einer Beckengrundschwingung steht.
-
Obengenannte Effekte können besonders gut dank der großen steuertechnischen
Plexibilität der erfindungsgemäßen Aggregate erreicht werden. Die Anzahl der Aggregate
ist dabei nicht bindend. Bereits mit drei Rotoren sind alle Möglichkeiten gegeben.
-
Aber auch ein Einzelaggregat in der Mitte eines breiten Becken randes
erfüllt bereits die Bedingungen unter 1., wobei die um 1800 phasenverschoben arbeitenden
Aggregate 1 und 3 sich lediglich durch ihr Fehlen auszeichnen. Letztgenannte Anordnung
stellt eine interessante Ausführungsart dar bei geringer Leistungsdichte im Becken
oder bei Bevorzugung eines einzigen großen Rotors anstelle mehrerer kleiner Motoren,
wobei die
bauliche Seite mit nur einer Einbuchtung als Kammer in
der ca.
-
fünfmal längeren Beckenseite räumlich vorteilhaft ist0 Es können die
Einzelaggregate zwar mit gleicher Pumpfrequenz, jedoch untereinander phasenverschoben
arbeiten, und zwar mit 180° Phasenverschiebung im Gruppentakt 1/2/5/6 - 3/4 bei
6 Aggregaten oder 1/6 - 2/3/4/5 bei 6 Aggregaten oder 1/2/4/5 - 3 bei 5 Aggregaten
oder 1/5 - 2/3/4 bei 5 Aggregaten oder 1/4 - 2/3 bei 4 Aggregaten oder 1/3 - 2 bei
3 Aggregaten oder 0/0 - 2 bei 1 Aggregat.
-
Die Verteilung des Energieeintrags über ein oder mehrere Rotoren der
Einzelaggregate mit deren typischer Quell- und Senkströmung hat gegenüber linear
übertragenden Wellenmaschinen (Klappwände, Verdränger-Schwimmkörper, Luftkästen)
den großen Vorteil der besseren Anpassung an den Sinusverlauf des quer im Becken
befindlichen stehenden Wellenanteils. Diese im Hinblick auf Energieeintragsfrequenz
und Beckenresonanz jeweils günstigste Scnwingungsform emittiert fortlaufend den
von der Maschinenseite zugeführten Energieanteil als weglaufende Welle in die gegenüberliegende
Brandungszone des Beckens.
-
Selbst wenn der Energieeintrag über den Bereichen der Wellenmaxima
und -minima als annähernd punktförmig betrachtet würde, so würde unter den gegebenen
Strömungsverhältnissen die sinusförmige Verteilung der kinetischen Energie nahezu
ideal sein, da die niedrigen Frequenzen und Geschwindigkeiten eine gute Kopplung
der Wassermassen im Sinne einer kleinen Reynoldschen Zahl (hoher Anteil der Zähigkeitskräfte)
gewährleisten.
-
Die so erreichbaren Wellenbilder erbringen nicht nur die. günstigste
Energiebilanz, sondern auch ein der Natur ähnliches Wellenbild, das allgemein einer
gleichförmigen Wellenfront
vorgezogen wird.
-
Noch ein erfindungsgemäßes Merkmal des Verfahrens zum Betreiben des
Wellenerzeugers besteht darin, daß zwei Meßgrößen an einer Stelle nebeneinander
oder in einem Geber vereint von den erzeugten Wellen im Becken entnommen und als
Rückführung für die Steuerung benutzt werden. Eine Meßgröße erfaßt den Nulldurchgang
der Wellenfunktion und dient zur Festlegung der konstanten # Phasenverschiebung
um - 2 oder - 90° der Blattwinkelfunktion gegenüber der Wellenfunktion. Die zweite
Meßgröße ist die Wellenamplitude, deren Istwert durch Hochregeln der Pumpfrequenz
optimiert wird. Hierdurch erreicht man, daß die erste Meßgröße allein nicht zum
Abrutschen der Pumpfrequenz auf die langsamste Eigenschwingungsform des Beckens
führt und dadurch der Energieeintrag reduziert würde. Dadurch wird die installierte
Antriebsleistung in sinusförmigen Takten über die Leistungsamplitude (identisch
mit Anstellwinkelamplitude) derart geregelt, daß in Ubereinstimmung mit Beckenfrequenzen
eine möglichst große Wellenamplitude erzielt wird.
-
Über dem Flügelrad mit annähernd lotrechter Achse kann ein keilförmiges,
wasserverdrängendes Gehäuse als Teil der Beckenwandung angeordnet sein, dessen Keilkante
schräg zur Rotorachse liegt und gegen das Schwimmbecken überhängend vorgeneigt ist.
-
Der Wasserverdrängungskörper hat die Funktion eines Wellenteilers
oder Deflektors; gleichzeitig sind darin der hydraulische Antrieb und die Rotorblattsteuerung
untergebracht. Hierdurch wird ein separater L'1aschinenraum hinter dem Becken eingespart,
und gleichzeitig bleibt die gesamte Bläche oberhalb der Aggregatekammer ohne Niveauanhebung
für den Badebetrieb frei.
-
Ein Ausfünrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es- zeigen: Fig. 1 einen lotrechten Längsschnitt
durch ein Schwimmbecken
mit einem Wellenerzeuger, Fig. 2 ein Schnittbild
gemäß der Linie A-A in Fig. 1.
-
In der Fig. 1 ist ein Schwimmbecken 1 mit Wasser bis zur Höhe 2 angefüllt0
Durch Flachstabgitter 3 ist am Rande des Beckens eine Kammer 4 unfallsicher abgeteilt,
in der das Flügelrad 5 unternalb der Niveauhöhe 2 angeordnet ist. Das Flügelrad
5 wird von einem Motor 6 über eine lotrechte Welle 7 angetrieben. Das Plügelrad
5 besteht aus vier Flügeln 8, die gegen ihre Enden konkav verjüngt sind und ein
symmetrisches Profil besitzen. Die Flügel 8 sind in der Nabe 9 um ihre Symmetrieachse
drehbar gelagert. Die Drehbewegung der Flügel wird von der Stelle des Motors 6 durch
die Welle 7 in der Nabe 9 gesteuert und an die Flügel 8 üertragen. Dadurch kann
der Einstellwinkel 10, 11 der Flügel 8 durch einen Regler (nicht dargestellt) gesteuert
werden. Durch Änderung des Einstellwinkels aus dem Winkelbereich 10 über die neutrale
Lage 12 in den Winkelbereich 11 wird das Flügelrad umgestellt. Die Umstellung des
Einstellwinkels 10 nach 11 bewirkt eine Umkehrung der Förderrichtung des Flügelrades
5. Der regler steuert den zeitlichen Verlauf der Größe des Winkels 10, 11 und gibt
dadurch den Rhythmus und die Leistung der Wasserförderung des Flügelrades 5 an.
-
Über dem Flügelrad 5 wird durch den keilförmigen Verdrängungskörper
17 mit Kante 18 der auSwärts gerichtete Förderstrom in Richtung des Wellensamms
geteilt und verbreitert0 Der zeitliche Verlauf der geförderten Wassermenge verursacht
eine Bewegung der Wasseroberfläche 2 im Schwimmbecken 1 nach der Linie 13 mit Wellenbergen
14 und Weilentälern 15. Diese blieben jedoch in Richtung der Brandungszone abc Die
Wellenlänge und dainit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit werden von der Wassertiefe
bestimmt. Letzterer Umstand verdeutlicht, daß durch das Becken auch die Weilenfrequenz
festgelegt wird.
-
Am Rande ueo Schwimmbeckens 1 deuten zwei Schwimmer 16 und 16'
die
Stellen an, wo Meßgrößen der erzeugten Wellen entnommen werden, die als Rückführung
für die Steuerung benutzt werden0 Die Meßgröße 16' erfaßt den Iiulldurchgang der
Wellenfunktion und dient zur Festlegung der konstanten Phasenverschiebung um - oder
- 900 der Blattwinkelfunktion gegenüber der Wellen-2 funktion. Die -Meßwertgröße
16 ist die Wellenamplitude, deren Istwert durch Hochregeln der Pumpfrequenz optimiert
wird. Hierdurch wird erreicht, daß die Meßgröße 16 allein nicht zum Abrutschen der
Pumpfrequenz auf die langsamste Eigenscilwingmngsform des Beckens führt und dadurch
den Energieeintrag reduzieren würde0