DE2523030C2

DE2523030C2 - Anordnung zur Nutzung der Energie eines Flüssigkeitsstromes

Info

Publication number: DE2523030C2
Application number: DE2523030A
Authority: DE
Inventors: David Zabriskie Providence R.I. Bailey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1975-05-22
Publication date: 1985-10-17
Also published as: JPS50155841A; AU8139975A; NL7506125A; NL183899B; DE2523030A1; NL183899C; CA1062584A; US3978345A; JPS6130154B2; GB1515561A

Description

nung; und

Fig.6 in schematischer Darstellung einen Schnitt

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung 65 entlang der linie 6-6 der Fig. 5.

zur Nutzung der Energie eines Flüssigkeitsstromes nach In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszei-

dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. chen gleiche Teile. Wie in F i g. 1 gezeigt befindet sich

Aus der GB-PS 1 43 435 ist eine derartige Anordnung an den gegenüberliegenden Seiten einer Strömung, bei-

spielsweise eines Flusses, ein Paar von Verankerungseinrichtungen 10,11, bei denen es sieh beispielsweise um massive Pfeiler oder Ankerblöcke die aus Beton hergestellt sind, handelt Diese Verankerungseinrichtungen 10,11 befinden sich auf trockenem Land oder teilweise bzw. vollständig in der Strömung an den gegenüberliegenden Seiten des Flusses.

Von den Verankerungseinrichtungen 10, 11 spannt sich quer über die Strömung eine Hängevorrichtung 12, die in der dargestellten Ausführungsform aus fünf getrennten Hängeseilen besteht

Da die Strömung die Hängevorrichtung 12 in Drehung versetzt sind die gegenüberliegenden Enden der Seile an einem Ankerelement oder Kegel 13 festgelegt, der starr auf einer Welle 14 sitzt, die durch eine öffnung in der entsprechenden Verankerungseinrichtung 10,11 verläuft In einem Hohlraum der Verankerungseinrichtung 11 befindet sich ein vorzugsweise konisch gesenktes Druckauflager 15, das drehbar ein zweites Lagerelement 16 aufnimmt, das auf der Welle 14 festgelegt ist Die gegenüberliegenden Enden der Hängevorrichtung 12 sind in dieser oder einer ähnlichen Weise derart festgelegt daß sie sich während des Betriebes der Anordnung frei drehen können.

Mehrere, beispielsweise drei stromlinienförmige Schwimmkörper 17, die an den entgegengesetzten Enden mii Rudern 18 zur Stabilisierung versehen sind, befinden sich in der Mitte der Strömung bzw. beiderseits der Strömungsmitte (Fi g. 1). Diese Schwimmkörper 17 können herkömmliche Energie erzeugende Vorrichtungen 19 enthalten (F i g. 2). Von jedem Schwimmkörper 17 hängt, vorzugsweise in der Mitte unmittelbar unter dem Schwimmkörper 17 ein Rotor bzw. Rotorring 21 herab, der mit einer Umfangsverzahnung 22 versehen ist in die ein Zahnrad 20 der Energie erzeugenden Vorrichtung 19 eingreift Jeder Rotorring 21 kann sich unter dem zugeordneten Schwimmkörper 17 durch ein Paar von unter Federvorspannung stehenden Rollenhängevorrichtungen 23 hindurchdrehen, die dazu dienen, den Rotorring 21 nachgiebig in Berührung mit dem Zahnrad

20 zu halten und dem Rotorring 21 aber gleichzeitig eine gewisse Bewegungsfähigkeit zu lassen, wenn die Strömung turbulent wird oder wenn andere Naturkräfte auftreten. Wenn sich der Rotorring 21 kurzzeitig von dem Zahnrad 20 trennt, bringen die unter Federspannung stehenden Rollenkörpervorrichfungen 23 die beiden Komponenten 20,21 wieder in Eingriff.

Zwischen den Schwimmkörpern 17 und den Rotorringen 21 verläuft eine Vielzahl in Umfangsrichtung auf Abstand liegender Tragflächenelemente 24, deren Anzahl der der Hängeseile 12 entspricht Die Hängeseile 12 verlaufen mittig durch die Tragflächenelemente 24, wie F i g. 2 zeigt, wobei die Tragflächenelemente 24 syminetrisch auf den Hängeseilen 12 gelagert sind um sich auf den Hängeseilen 12 unter Steuerung durch die Steuerklappen 25 an den Abströmkanten der Elemente verschwenken können. Die Hängeseile 12 verlaufen einstückig durch fluchtende öffnungen in den Rotorringen

21 unter den Schwimmkörpern 17 hindurch. Folglich ist die gesamte Anordnung aus den Hängeseilen 12, den Tragfläehenelementen 24 und den Rotorringen 21 quer in der Strömung liegend aufgehängt und läßt sich von dieser auf eine noch zu beschreibende Weise in einer Richtung drehen. Wie F i g. 3 zeigt, können auf den Hängesellen 12 auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorringe 21 Abstandselemente 26 verwendet werden, um die Enden der ziemlich hngen schaufelartigen Tragflächenelemente 24 etwas von den Rotorringen 21 zu trennen und die Anordnung allgemein stabiler zu machen.

Wie aus den Figuren hervorgeht, sind die Drehachsen der Rotorripge 21 angenähert zueinander ausgerichtet und verlaufen quer zur Strömung, d. h. unter einem im

wesentlichen rechten Winkel zur Strömungsrichtung. Die Rotorringe 21 drehen sich also in angenähert vertikalen Ebenen parallel zur Strömungsrichtung und bewirken daher einen minimalen Strömungswiderstand. Die gesamte Anordnung ist auf minimale Masse und

ίο minimalen Strömungswiderstand ausgelegt Sie ist sehr kompakt und besteht aus nur wenigen Teilen. Die fiexible Aufhängung macht die vorliegende Anordnung selbstnachstellend und erlaubt es ihr, sich innerhalb bestimmter Grenzen Strömungsänderungen anzupassen.

Die vorliegende Anordnung ist daher zuverlässiger, praktischer und auch dauerhafter als starre Systeme, die nicht nachgeben und sich nicht anpassen können.

Durch die auf die Tragflächenelemente 24 einwirkenden Auftriebskräfte und insbesondere eine resultierende, im allgemeinen tangential verlaufende Kraft, wird die aus den Rotorringen 21, den Hängvi.ilen 12 und den Tragflächeneiemenien 24 bestehende Aüo^dnung in eine Richtung gedreht

In der F i g. 4A sind die Tragflächenelemente 24 in vier verschiedenen Quadranten eines Kreises dargestellt Da^r- Diagramm ist gleichermaßen anwendbar auf fünf oder mehr Tragflächenelemer.te. Es wurde jedoch zur leichteren Darstellung und Überschaubarkeit vereinfacht Bei in Richtung des Pfeiles 27 verlaufender Strömung kennzeichnet der Vektor 28 die Größe und Richtung der im Quadranten 1 auf dem Tragflächenelement 24 lastenden Auftriebskraft Dieser resultierende Auftriebsvektor 28 ändert in den anderen Quadranten sowohl seine Größe als auch seine Richtung. Um diese Änderungen auszugleichen und den Auftriebseffekt und damit den Dreheffekt auf die Tragflächenelemente 24 über eine volle Umdrehung im wesentlichen konstant zu halten, kommen die Steuerklappen 25 der Tragflächenelemente 24 zur Geltung. Die Lage des TragHächenelementes 24 kann beispielsweise durch eine einstellbare Klappe beeinflußt und gesteuert werden, die von einer hydraulischen Vorrichtung mit einem Balgen und einem Gestänge gesteuert wird. Durch eine derartige Hydrau-Hk- oder Fluideinrichtung kann auch die Klappe 25 des Tragflächenelementes 24 angesteuert werden. Durch Einsatz der gleichen Hydraulik- oder Fluideinrichtung lassen sich die Lagen- bzw. Stellwinkel der schwenkbaren Tragflächenelemente 24 während der kreisförmigen Drehbewegung durch das Strömungsmedium automatisch einstellen, um den Auftriebsfaktor im wesentlichen konstant zu halten.

In F i g. 4A sind die von den Tragflächenelementen 24 auf die Rotorringe 21 aufgebrachten tatsächlichen Drihk. afte durch Tangentialmomentvektoren 29 dargestellt, die immer richtungsmäßig mit den Drehgeschwindigkeitsvekto:en 30 zusammenfallen. Das Diagramm enthält weiterhin die Vektoren 3t, die den auf den Tragfiächeneiementen 24 lastenden Strömungswiderstand darstellen, und die resultierenden Kraftvektoren 32, die die Resultierenden der Auftriebsvektoren 28 und der Widerstandsvektoren 31 darstellen. Die Geschwindigkeit der Strömung ist in dem Diagramm durch den Vektor 33 dargestellt. Der Vektor 34 jtellt die Resultierende der Vektoren 30 und 33 dar.

Zusätzlich muß die Anordnung in der Lage sein, Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit in verschiedenen Querbereichen der Strömung auszugleichen. Da sich, anders ausgedrückt, die Strömung nicht über ihre

gesamte Breite mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, werden die Rotorringe 21 unterschiedlich schnell gedreht. Dies könnte dazu führen, daß das Seilgehänge und die langen Tragflächenelemente 24 verdrillt werden. Die Anordnung weist daher ausreichend getrennte SteuermiuelkanäJe auf, tun eine unabhängige Steuerung der Klappen 25 und dami: eine unabhängige Steuerung der Lage der Tragflächenelemente 24 zuzulassen und so die Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit in den verschiedenen Querbereichen aufzufangen.

Der Betrieb und die Steuerung der Tragflächenelemente 24 und deren Fähigkeit, der Anordnung insgesamt eine stetige Drehung in einer Richtung zu erteilen, ist, wenn auch nicht genau, mit der zyklischen Anstellsteuensng der Drehflügel eines Hubschraubers, mit der die einzelnen Rotorflügel ihren Anstellwinkel automatisch innerhalb eines vollständigen Kreisbogens zyklisch ändern können, um Änd^run^cn Her Relativsreschwindigkeit und damit des Auftriebs aufzufangen, während iiie Rotorflügel sich in oder gegen die FJugrichtung durch die Luft bewegen, vergleichbar. Die gleiche im allgemeinen zyklische Steuerung des Anstellwinkels der Tragflächenel«mente 24 zur Kompensation der sich fortwährend ändernden Zuordnung der Tragflächenelemente 24 zur lließenden Strömung wird bei der vorliegenden Anordnung angewendet. Während also die in Richtung des Pfeils 27 fließende Strömung an unterschiedlichen Stellen fortwährend auf die verschiedenen Tragflächenelemente 24 auftrifft, entsteht zusammengenommen eine ein Tangentialmoment erzeugende Kraft (F i g. 4A), die während des gesamten Zyklus bzw. der gesamten kreisförmigen Bewegungsbahn der Tragflächendemente 24 verhältnismäßig konstant bleibt, wobei die Klappen 25 nach Bedarf die erforderlichen Einstellungen bewirken.

Die auf die Rotorringe 21 und die gesamte Anordnung aufgebrachte Drehung treibt die Zahnräder 20 und damit die Energie erzeugende Vorrichtung 19 an. Die hierbei erzeugte Energie kann über herkömmliche Übertragungsleitungen an jeden gewünschten Ort übertragen werden.

In den F i g. 5 und 6 ist eine Weiterbildung der vorliegenden Anordnung dargestellt, bei der ein Mechanismus 35, der die Funktion des Zahnrades 20 erfüllt, durch eine gegenphasige Schwingbewegung gepaarter Tragflächenabschnitte 36,36' in eine Richtung gedreht wird. Auch diese gepaarten Tragflächenabschnitt 36,36' sind mit Steuerklappen 37 versehen, die wie die oben beschriebenen Klappen 25 arbeiten, um die Lage der Tragflächenabschniti-: 36,36' in dem Strömungsmedium einzustellen. Insbesondere sind in der modifizierten Anordnung die gepaarten Tragflächenabschnitte 36, 36' auf Schwingrahmen 38 gelagert, die bei 39 an herabhängenden Streben 40 der Schwimmkörper 41 schwenkbar gelagert sind. Kurze Kurbelarme 42 bewegen sich mit den Rahmen 38 und sind bei 43 schwenkbar gelagert und gehen in längere, aufwärts verlaufende Schubstangen 44 über, die ihrerseits schwenkbar mit Kniehebeln 45 verbunden sind, die schwenkbar auf den Schwimmkörpern 41 gelagert sind. Die Kniehebel 45 sind mit ihren anderen Hebelarmen über zusätzliche Stangen 47 an Drehelemente 35 gelegt, die bei 48 drehbar auf den Schwimmkörpern gelagert sind.

Wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Flusses betonierte Verankerungseinrichtungen 49, an denen Paare von Hängeeleinenten 50,50" festgelegt sind. Die Hängeseile der gepaarten Hängeelemente 50, 50* verlaufen durch die schaufelartigen Tragflächenabschnitte 36,36', wie es zuvor für die Hängeseile 12 und die Tragflächenelemente 24 beschrieben wurde. Die Hängeseiie befinden sich außerhalb der Schwimmkörper 41 (F i g. 6) und erstrecken sich einstückig zwischen den Verankerungseinrichtungen 49, zwischen denen sie die Strömung überspannen und die gesamte Anordnung zusammen mit den Schwimmkörpern 41 abstützen.

Unter Ausnutzung des gleichen Auftriebsvorganges schwingen im Betrieb die gepaarten Tragflächenabschnitte 36,36' mit ihren Verbindungsrahmen 38 um die Schwenkachsen 39. Dabei werden die Gestänge 42, 44, 45,47 abwechselnd in der richtigen Reihenfolge so betätigt, daß sich die Drehung in einer Richtung auf jeden Mechanismus 35 der Anordnung überträgt. Die gegenphasige Schwingbewegung der beiden Tragflächenabschnitte 50, 50' gewährleistet am Mechanismus 35 eine kontinuierliche Drehung in einer Richtung. Im Verhältnis zur vom Pfeil 51 gekennzeichneten Strömung (F i g. 5 und 6) werden die Lagen bzw. die Anstellwinke der Tragflächenabschnitte 36,36' auf die oben beschriebene Weise zyklisch nachgestellt, um eine im wesentlichen konstante Auftriebskraft und damit eine verhältnismäßig gleichmäßige Schwingungsgeschwindigkeii der Tragflächenabschnitte 50, 50' zu erzeugen. Auch hier können die Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit über die Breite der Strömung ausgeglichen werden, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform der F i g. 1 bereits beschrieben wurde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

bekannt, bei der eine einen Strom quer zur Strömungs-Patentansprüche: richtung überspannende Hauptvorrichtung an vonein-^H ander beabstandeten Verankerungseinnchtungen befe-

1 Anordnung zur Nutzung der Energie eines Flüs- stigt ist An der Hängevorrichtung ist eine Haltevornch-

sigkeStromesmiteinemPaarvonvoneinanderbe- 5 tung befestigt, in der e.n drehbares Wasserrad derart

abstandeten Verankerungseinrichtungen, einer den montiert ist,daß es m den Strom eintaucht und quer _zur

Strom quer zur Strömungsrichtung überspannenden Strömungsrichtung ausgerichtet .st Durch das srch dre-

Hängevorrichtung, deren Endbereiche an den Ver- hende Wasserbad wd eine ^; "ϊ^"^-

ankerungseinrichtungen befestigt sind, einer an der richtung angetrieben. Em ^w«^entiicher N***"*!*/

Hängevorrichtung befestigten drehbaren Tragflä- io Anordnung besteht dann, daß sie sehr kompliziert auf-

cheneinrichtung. die in den Strom untergetaucht ist gebaut ist Dies ist insbesondere auf die fur die Halte-

und sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt, und vorrichtung erforderlichen Schwimmkörper und auf

einer Energie erzeugenden Vorrichtung, die durch den komplizierten Aufbau des Wasserrades zuruckzu-

die durch den sich bewegenden Strom bewirkte führen.

Drehbewegung der Tragflächeneinrichtung antreib- is Aus der AT-PS 2 597 geht eine Wind- und Wasserbar ist, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h π e t, daß die kraftmaschine hervor, deren Wasserrad mit der Hilfe Hängevorrichtung (12) wenigstens ein längliches fle- von ebenfalls sehr komplizierten und aufwendigen hinxibles Hängeelement aufweist, das sich zwischen den richtungen in einem Strom derart angeordnet ibt daB es Verankerus^einrichtungen (10, 11) erstreckt und sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt Dabei sind «.laüY ζ« fesen dreh- bzw. schwenkbar ist und daß M bei breiteren Flußläufen ebenfalls Schwimmkörper erdie dreh- bzw. schwenkbare Tragflächeneinrichtung forderlich, die das Wasserrad tragen, ein längliches Tragflächenelement (24) aufweist das In der CH-PS 2 04 957 und der GB-PS 2 85 911 sind an der Hängevorrichtung (12) befestigt ist Turbinen bzw. Laufradschaufein beschrieben. Die Art
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- der Anordnung derartiger Elemente in einem Flüssigzeichnet, daß ein Schwimmkörper (17) oder mehrere 25 keitsstrom geht aus diesen Druckschriften nicht hervor. Schwimmkörper (17) entlang o«r Hängevorrichtung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar-(12) an einer Stelle oder an mehreren Stellen vorge- in, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art dahinsehen sind, um die Hängevorrichtung (12) zu halten. gehend zu verbessern, daß sie sehr viel einfacher aufge-
3 Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- baut und daher wirtschaftlicher realisierbar ist zeichnet daß die Hängevorrichtung ein Seilgehänge 30 Diese Aufgabe -wird durch eine Anordnung der einmit einer Mehrzahl von Hängeseilen (12) aufweist gangs genannten Art gelöst, die durch die in dem kenndaß an jedem Hängestil (12) t=,i Tragflächenelement zeichnenden Teil des Patenunspruches 1 aufgeführten (24) befestigt ist daß ei.ie Mehrzahl von voneinan- Merkmale gekennzeichnet ist

der beabstandeten Rotoren (21 dn den Hängeseilen Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß sich die im

(12) befestigt und mit dem Seilgehänge drehbar sind, 35 Oberfluß vorhandene kinetische Energie von Flüssen,

und daß die voneinander beabstandeten Schwimm- Ozeanstfömungen und dergleichen sehr wirtschaftlich

körper (17) die Rotoren (21) halten und die Energie nutzen läßt, weil die erfindungsgemäße Anordnung zur

erzeugende Vorrichtung (19) tragen. Nutzung der Energie eines Flüssigkeitsstromes einfach
4 Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufgebaut ist und zuverlässig arbev.c! und daher prakdadurch gekennzeichnet daß die Hängevorrichtung 40 tisch anwendbar ist Bei der vorliegenden Energiepaarweise angeordnete, flexible Hängeelemente (50, knappheit kommt diesem Punkt Desondere Bedeutung 50' F i g. 5 bis 6) aufweist die an den voneinander zu.

beabstandeten Verankerungseinrichtungen (49) be- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht dann, daß

festigt sind, daß jedes Hängeelement einen Tragflä- die an den flexiblen Hängeelementen dreh- bzw. chenabschnitt (36,36') trägt, der unabhängig auf ihm 45 schwenkbar befestigten Tragflächeneinrichtungen verschwenkbar ist daß eine Wippenvorrichtung (42) schädlichen Kräften nur in sehr geringem Maße ausgedie paarweise angeordneten Tragflächenabschnitte setzt werden, da derartige Kräfte durch die flexiblen (36, 36') trägt, und daß ein die Schwenkbewegung Hauptelemente absorbiert werden. _der Tragflächenabschnitte (36, 36') in eine Drehbe- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung gehen

wegung umformender Mechanismus (35) die Ener- 50 aus den Unteransprüchen hervor, gie erzeugende Vorrichtung (19), die an die Wippen- Die Erfindung wird nun anhand von Ausf ührungsbei-

vorrichtung (42) gekoppelt ist, antreibt. spielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläu5 Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, tert Es zeigt

dadurch gekennzeichnet, daß für jedes einzelne F i g. 1 in schematischer und perspektivischer Darstel-

Tragflächenelement (24) ein Steuerflügel (25) für die 55 lung eine vorliegende Anordnung; Lage des Tragflächenelementes vorgesehen ist, F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der F ι g. 1;

durch den Änderungen der Strömungsgeschwindig- F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 2;

keit und Änderungen der gegenseitigen Zuordnung F i g. 4 die Verankerung der Hängevorrichtung;

zwischen den Tragflächenelementen und der Strö- F i g. 4A ein Vektordiagramm der sich zyklisch än-

mungsrichtung einstellbar und kompensierbar sind, eo dernden Kräfte, die durch die Strömung an den sich

drehenden Tragflächeneinrichtungen bewirkt werden;

F i g. 5 eine Weiterbildung der vorliegenden Anord-