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STEUERUNG EINES SCHIFFES MIT R@TORANTRIEE Die Erfindung betrifft senkrecht
auf einem Schiff stehende Zylinder, welche sich um ihre eigene Achse mit veränderlicher
Drehrichtung sowie veränderlicher Drehzahl drehen.
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Die Steuerung ermöglicht das Anpassen der Drehrichtung und der Drehzahl
der Zylinder an die bestehenden Windverhältnisse (Windrichtung und Windgeschwindigkeit),
um somit die größtmögliche Kraft zum =Mntrieb des Rotorschiffes zu erzielen und
gute Navigationsmanöver zu ermöglichen.
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Es ist bekannt, daß man mit derartigen Rotoren Schiffe antreiben kc^un
wie es Anton Flettner in den 2oer Jahren versuchte.
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Eine Veröffentlichung über die Erfahrungen mit dem Rotorschiff wurde
nicht gefunden. Es ist aber bekannt, daß die Umströmung der Zylinder auf unregelmäßigen
Wind nicht besonders gut reagiert hat. (Schreiben der Deutschen Forschungs- und
Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. Zentralabteilung Niedergeschwindigkeits-Windkanäle
- Göttingen vom 5.5.1974).
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Mit den bisher üblichen Steuerungssystemen ist eine optimale Ausnutzung
des Windes-nicht möglich, da eine exakte Ermittlung der Kraftverhältnisse am Rotor
in Abhängigkeit von wechselnden Windrichtungen und unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten
nicht bekannt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bestmöglichen Kraftverhältnisse
am Rotor und dadurch eine optimale Ausnutzung der Windenergie zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß schon die geringste
Änderung der Windrichtung bzw. der Windgeschwindigkeit erfaßt wird und sich in der
entsprechenden Drehrichtung und Drehzahl der Xotore ausdrückt.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es durch Erstellen
eines Programms möglich, die erforderlichen Funktionen zu regeln.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß es möglich ist, die größtmögliche Energie aus dem Wind herauszunehmen, jedoch
trotz der Windabhängigkeit auf dem kürzesten Wege möglichst schnell zum Ziel zu
gelangen.
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Die Grundlagen der Steuerung werden im folgenden näher beschrieben.
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Als Ausführungsbeispiel ist ein Rotorschiff mit 2 Rotoren nach Abb.1
angenommen.
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1. Die Kraftverhältnisse am Rotor Das Rotorschiff arbeitet nach denselben
Verhältnissen wie das Segelschiff. In beiden Fällen wirken Querkräfte FQ senkrecht
zum Wind und Widerstandskräfte FW in Windrichtung.
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Beide Kräfte ergeben die Resultierende R, die zum Teil als nütsliche
Schubkraft P5 und zum andern Teil quer dazu als abtreibende Kraft BA wirkt.
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Die Kraftverhältnisse sind in Abb.2 dargestellt.
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Der für die Kraftwirkung maßgebende Wind ist der auf den Schiff vorhandene
scheinbare oder relative Wind, der sich vom "wirklichen" oder absoluten Wind unterscheidet.
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Grösse und Richtung des relativen Windes findet man mit dem Geschwindigkeitsdreieck.
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In Abb.3 sind die Verhältnisse bei von hinten kommendem Wind und
in Abb.4 bei von vorn kommendem Wind.
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1.1 Die Querkraft FQ Die infolge des Magnus-Effektes entstehende Querkraft
errechnet sich nach der Gl.
in N Hierin bedeuten: cq durch Versuche ermittelter Beiwert für die Querkraft =
8,2 S luftdichte = 1,293 kg/m3 vW relative Windgeschwindigkeit in m/s A Projektionsfläche
des Rotors in m2 (A = Rotordurchmesser d x Rotorhöhe h) Da cq und ç/2 Konstante
sind, ergibt sich
in N 1.-2 Die Widerstandskraft FW Die Gl. für die Widerstandskraft lautet:
in N In dieser Gl. beträgt der durch Versuche ermittel-te Beiwert cw = 3,6 Dann
ist
in N 1.3 Die Resultierende R
Setzt man die Werte für FQ und FW in die G1. ein, dann erhält mai
in N Nach Abb.2 ist
Damit wird ß=24° = konst.
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1.4 Die Schubkraft FS und die Abtriebskraft FA Die Kräfte FS und FA
sind in ihrer Größe und Wirkung von der jeweiligen Windverhältnissen abhängig. Sie
können positiv oder negativ sein. Eine Beeinflussung ist durch Ändern der Rotor-Drehrichtung
möglich.
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Nach Abb.2 ist
in N in N 1.4.1 Bei rechtsdrehendem Rotor In Abb.5 erkennt man, daß bei der gezeichneten
Stellung von ß = 24° die Resultierende R senkrecht nach unten gerichtet ist.
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Das heißt, die Schubkraft FS ist Null und die Abtriebskraft FA ist
gleich R und negativ.
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Dreht der Wind links um 1800 weiter, d.h. bis α = 2040, dann
steht R senkrecht nach oben, wie es in Abb.6 zu ersehen ist Auch in dieser Stellung
von α= = 2040 ist FS = Null und FA = R, aber positiv.
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Bewegt sich der Wind in diesem Bereich von α= 240 bis α=204°,
dann ist die Schubkraft FS nach rechts gerichtet, also positiv.
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Das Schiff kann in diesem Windbereich vorwärts fahren.
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Halbiert man diesen Bereich 240 + 2040 = 114° 2 dann erhält man nach
Abb.7
Für diesen Bereich gilt dann
| FS = R # cos (114° - α) |
| FA = R # sin (114° - α) |
In der Tabellel sind die Werte für F5 und FA für den Bereich α= 240 bis M=
2040 für R=1 errechnet.
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Tabelle 1
| α° γ° FS FA |
| 24 90 + cos 90° = 0 - sin 900 = - 1 |
| 30 84 + cos 84° = + 0,104 - sin 84° = - 0,994 |
| 60 54 + cos 54° = + 0,587 - sin 540 = - 0,809 |
| 90 24 + cos 240 = + C,913 - sin 240 = - 0,406 |
| 114 0 + cos 00 = + 1 sin 0° = 0 |
| 120 6 + cos 60 = + 0,994 + sin 6° = + 0,104 |
| 150 36 + cos 360 = + 0,809 + sin 360 = + 0,587 |
| 180 66 + cos 660 = + 0,406 + sin 660 = + 0,913 |
| 204 90 cos 900 = 0 + sin 90° = + 1 |
In dem Windbereich von α = 2040 bis α= 240 ist FS negativ.
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Das Schiff fährt rückwärts.
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In Abb.8 ist bei α = 2400 γ = 180° - 126° = 54°.
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Es ist auch 294°- α = 294° - 240° = 54° Für diesen Bereich ist
| γ = 294° - α |
| FS = R # cos (294° - α) |
| FA = R # sin (294° - α) |
In Tabelle 2 sind die Werte für FS und FA für den Bereich Cc = 2040 bis α=
24° für R=1 errechnet.
Tabelle 2
| α° γ° FS FA |
| 204 90 - cos 900 = 0 + sin 900 = + 1 |
| 210 -84 - cos 84° = - 0,104 + sin 84° = + 0,994 |
| 240 54 - cos 54° = -0,587 + sin 54° = +0,809 |
| 270 24 - cos 240 = - 0,913 + sin 24° = + G,406 |
| 294 0 - cos 0° = - 1 sin 0° = 0 |
| 300 6 - cos 60 = - 0,994 - sin 60 = - 0,104 |
| 330 36 - cos 360 = - 0,8C9 | - sin 36° = - 0,587 |
| 360 66 - cos 660 = - 0,406 - sin 660 = - 0,913 |
| 24 270 cos 2700 = 0 - sin 2700 = - 1 |
1.2.4 Bei linksdrehendem Rotor In Abb.9 erkennt man, daß bei der gezeichneten Stellung
von α = 156° die Resultierende R senkrecht nach unten gerichtet ist. Das heißt,
die Schubkraft Fs ist Null und die Abtriebskraft FA gleich R und negativ.
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Dreht der Wind rechts um 1800 weiter, d.h. bis α = 336°, dann
steht R senkrecht nach oben, wie Abb. 10 zeigt.
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Auch bei dieser Stellung von α = 336° ist FS = Null und PA
= R, also positiv.
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Bewegt sich der Wind in diesem Bereich von α = 1560 bis α
= 336°, dann ist FS nach unten gerichtet, also positiv.
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Das Schiff kann vorwärts fahren.
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Halbiert man diesen Bereich 156° + 336° = 246° 2 dann erhält man
nach Abb.11
| FS = R # cos (246 - α) |
| FA = R sin (246 - |
Die Werte für FS und FA für R=1 sind in er Tabelle 3 errechnet.
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Tabelle 3
| α° γ° FS FA |
| 156 90 - cos 90° = 0 - sin 90° = - 1 |
| 180 66 + cos 66° = + 0,406 - sin 66° = - 0,913 |
| 210 36 + cos 36° = + 0,809 - sin 360 = - 0,587 |
| 240 6 + cos 60 = + 0,994 - sin 60 = - 0,104 |
| 246 0 cos 0° = + 1 sin 0° = 0 |
| 270 24 + cos 240 = + 0,913 + sin 24° = + 0,406 |
| 300 54 + cos 540 = + 0,587 + sin 540 = + 0,809 |
| 330 84 + cos 84° = + 0,104 + sin 840 = + 0,994 |
| 336 90 - cos 900 = 0 + sin 900 = + 1 |
In dem Windbereich von α = 336° bis α= 156° ist FS negativ.
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Das Schiff fährt rückwärts.
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In Abb.12 ist
| γ = 66° - α |
| FS = R#cos (66° - α) |
| FW = R#sin (66° - α) |
Die Werte für FS und FA für R=1 sind in er Tabelle 4 errechnet.
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Tabelle 4
| α° γ° FS FA |
| 336 90 cos 90° = 0 + sin 90° = + 1 |
| 360 66 - cos 66° = - 0,406 + sin 66° = + 0,913 |
| 30 36 - cos 360 = - 0,809 + sin 360 = + 0,587 |
| 60 6 - cos 60 = - 0,994 + sin 6° = + 0,104 |
| 66 0 - cos 00 = - 1 sin 0° = 0 |
| 90 24 - cos 24° = - 0,913 - sin 24° = - 0,406 |
| 120 54 - cos 54° = - 0,587 - sin 54° = - 0,809 |
| 150 84 - cos 840 = - 0,104 - sin 84° = - 0,994 |
| 156 90 cos 900 = 0 - sin 900 = - 1 |
in der beiliegenden Abb. 13 sind die Werte für die Schubkräfte BS und die Abtriebskräfte
FA gemäss der Tabellen 1 bis 4 in ihrer Grösse und Wirkung bei allen Windrichtungen
sowohl bei rechtsdrehendem als auch bei linksdrehendem Rotor zu ersehen.
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2. Die Fahrmöglichkeiten des Rotorschiffes In Abb. 13 lassen sich
alle Fahrmöglichkeiten ablesen.
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2.1 Vorwärtsfahrt In Abb. 14 sind die Möglichkeiten der Vorwärtsfahrt
gezeigt.
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Eine Vorwärtsfahrt ist möglich: a) bei rechtsdrehendem Rotor in dem
Windbereich α = 24° bis α = 204° b) bei linksdrehendem Rotor in dem
Windbereich α = 156° bis α = 336° Von α = 3360 bis α = 240
ist keine positive Schubkraft vorhanden.
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Das heißt, das Rotorschiff kann in diesem Windbereich nicht ohne
weiteres vorwärts fahren. Es muss "ZICK-ZACK" fahren.
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Durch dieses Hin- und Herfahren kommt es, wenn auch langsam, gegem
dem Wind vorwärts.
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2.1 Rückwärtsfahrt In Abb. 15 sind die Fahrmöglichkeiten der Rückwärtsfahrt
gezeigt.
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Eine Rückwärts fahrt -ist möglich: a) bei rechtsdrehendem Rotor in
dem Windbereich oc= 2040 bis 240 b) bei linksdrehendem Rotor in dem Windbereich
α = 156° bis 336° 2.3 Wenden Die sehr guten Wendemöglichkeiten des Rotorschiffes
sind je nach Windrichtung in den Abb. 16 und 17 ersichtlich.
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Abb. 16 zeigt die Wendemöglichkeiten bei zueinander drehenden Rotoren
und Abb. 17 bei entgegengesetzt drehenden Rotoren.
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3. Beispiel der Fahrmöglichkeiten bei α=120° Bei einem Windangriffswinkel
von α = 1200 ergeben sich nach Abb. 13 folgende Fahrmöglichkeiten: 3.1 Vorwärtsfahrt
(Abb. 18) Die Kurve "a" zeigt eine positive Schubkraft FS und die Kurve "c" eine
negative Schubkraft FS an.
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Die Kurve "a" kommt in Frage.
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Beide Rotore müssen -rechts drehen. Die Schubkraft am Rotor beträgt
FS = R # cos g = 5,8 # vW2# A ' cost Der Wert cos y Ist der Kurve "a" zu entnehmen.
Beiot= 1200 beträgt er 0,994.- Damit wird bei α = 1200 FS = 5,8 # vW2 # A
# 0,994
3.2 Rückwärtsfahrt (Abb. 19) Die Kurve "c" zeigt eine negative
Schubkraft F an. Deshalb müssen beide Rotore links drehen.
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Die Schubkraft pro Rotor beträgt FS = 5,8 # vW2 # A # 0,587 3.3 Wenden
rechts (Abb. 20) Die Kurve "b" zeigt eine positive Abtriebskraft FA und die Kurve
"d" eine negative Abtriebskraft FA an. Da das Schiff rechts wenden soll, muß sich
der Rotor I mit -BA (nach Kurve "d") links drehen und der Rotor II mit +FA (nach
Kurve "b") rechts drehen.
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Die Schubkraft beim Rotor I beträgt FAI = 5,8 # vW2 # A # sinγ
= 5,8 # vW2 # A # 0,104 Beim Rotor II beträgt sie FAII = 5,8 # vW2 # A # (-0,809)
3.4 Wenden links (Abb. 21) Durch Änderung der Drehrichtung beider Rotore kann das
Schiff links wenden.
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Der Rotor I muß rechts und Rotor II links drehen.
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4. Rotordrehzahl n Zur max-. Ausnutzung der VJindkraft muß die Umfanggeschwin
digkeit VR des Rotors das 4-fache der relativen Windgeschwindigkeit vW betragen.
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Dieses günstigste Verhältnis wurde durch Versuche ermittelt.
in m/s Aus der Gl. VR = d # # # n 60 wird n = vR # 60 d # # n = 4. VW 60 dir
in U/min 5. Wirtschaftlichkeit des Rotorschiffes Versuche haben gezeigt, daß zum
Antrieb der Rotore etwa 1/3 der aus dem Wind herausgeholten Leistung benötigt wird.
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Dieses an sich schon gute Ergebnis wird durch diese Steuerung noch
wesentlich besser, da auf diese Weise gewährleistet ist, daß die Umströmung der
Zylinder auf unregelmäßigen Wind sehr gut reagiert.
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Heute stellt sich das Problem, mit der Energie sparsamer umzugehen.
Unter diesem Gesichtspunkt erscheinen mir die Chancen für das Rotorschiff mit dieser
Steuerung heute sehr günstig.