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Wasser- und Windkraftmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Wasser- und Windkraftmaschine deren vom
Wasser oder / und Wind betriebenen Drehteile zur Stromerzeugung bzw. für Arbeitsmaschinen
verwand werden.
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Eine derartige Wasser- und Windkraftmaschine soll, einerseits die
linearen Wellenfronten und Wasserströmüngen in ein Drehmoment umwandeln sowie andererseits,
bei Sturm-und Hochflut, automatisch stets ein Wechsel aus dem Wasserin den Windbereich
und umgekehrt erfolgen.
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Es sind einzelne Wellenenergiewandler bekannt, welche die Oberflächenprofil-Veränderung,
den Wellenlauf und Orbitalbewegung der Wasserteilchen, die Druckschwankungen unterhalb
der Wasseroberfläche sowie die longitudinale Bewegung der Wasserteilchen in flachem
Wasser, für eine Energieentnahme nutzen.
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Diese Umwandlungstechniken arbeiten nach dem Induktions-, hydropneumatischen-,
Wellenbrecher- und dem Unterwasserflügelradprinzip als Einzelanlagen.
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Solche zum Stand der Technik zählenden Energiewandler werden wohl
für Bojen, teuchttürmen odgl. eingesetzt, aber eine großtechnische Nutzung ist bisher
nicht möglich.
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So werden Schaufelradkraftwerke, welche als Halbtaucher die Orbitalbewegung
der Wellen über Schaufeln auf Spezialpumpen übertragen, wobei ihr gleichgerichteter
Hochdruck-Wasserfluß jeweils eine Turbine antreibt, zur Stromerzeugung auch im MW-Bereich
vorgeschlagen.
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Gegen eine Verwirklichung stehen nicht nur die hohen Anlagekosten,
sondern auch erhebliche Wartungskosten zu Buch. So ist das Problem der Sturmfluteinwirkung
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Versandung nicht gelöst worden.
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Desweiteren sind hierbei die mit jedem Schaufelrad kraftschlüssig
gekoppelten doppelt wirkende Pumpe, mit Innenzylinder
und Ventilen
sowie Turbine, besonders aufwendig sowie verschleißanfällig.
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ähnliche Nachteile weisen Druckschlauchkraftwerke auf, die Druckschwankungen
unterhalb der Wasseroberfläche über ein Drehmoment erzeugendes Arbeitsmedium auf
einen Turbogenerator übertragen.
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Hinzukommt, daß bspw. das mittlere Energiepotential für eine durchschnittliche
Nordsee-Wellenfront von 250 km Länge 64 TWh/a beträgt und deshalb die Übertragungsmechanik
von Wind- und Wasser, in Sturmperioden, auf ein jeweiliges Kraftwerk betriebs- und
wertentscheidend ist.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Energie aus
Wasser- oder / und Luftströmungen, mittels einer vergleichsweisen einfachen Mechanik,
in ein Drehmoment umzuwandeln, wobei nicht nur Maschinenschäden durch Sturmfluten
und Versandungen, sondern auch Erosionen (Abtragungen) durch Wasser und Wind, vermieden
werden. Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß an den einzelnen
traglasten von in zwei Reihen gehaltenen Fahrwerke jeweils eine Seilscheibe, mit
gegenseitig verbindenden Endlosseilen, angeordnet ist, und auf mindestens zwei der
parallelabständigen Endlosseilen ein Drehblatt mit einer Drehblatt-Seilstütze befestigt
ist, wobei das Drehblatt einerseits, mittels der am hinteren Tragmast befestigten
Blattfederbremse und Rollenführung unterhalb des Seilscheibendrehpunktes, sowie
andererseits, infolge frontaler Gegenströmung, oberhalb des frontalen Seilscheibendrehpunktes,
das jeweilige Drehblatt von der Flächenstellung in die Kantenstellung und umgekehrt
um 900 gedreht wird, wobei je nach Stärke horizontaler Wasserströmungen die um Gründung-Umlenkrollen
geführten, an den frontalen Fahrwerken einseitig und an Rückholrollen von Seilwinden
oder über Kurvenschienen -Nasen geführten, an Kontergewichten endbefestigten Tragseilen,
welche die auf dem Erdreich oder / und Tragseilen sich bewegenden Fahrwerke aus
dem Wasser - in den luftbereich
- und umgekehrt - rollen bewegen;
sowie andererseits bei Verzicht auf die amphibisch ausgelegten Fahrwerke die schwimm-
und tauchfähige Maschine, einen trimmbaren, über die Verbindungsrohre und Federelemente
an dem jeweiligen Gehäuse des Seilscheibenlagers federnd befestigten Tauchtank,
sowie am oberen Teil der einzelnen Gehäuse kugelförmige Halbtauchbehälter, aufweist.
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Um das Endlos seil mit den damit paarweise drehverbundenen Seilscheiben
stets in Zugspannung zu halten,weisen die oberen Enden der Traglasten entsprechend
nach außen geneigte Gegengewichte auf, welche in Verbindung mit den Federbeinachsen
des Fahrwerks eine spreizartige Zugbelastung auf die Endlosseile der jeweiligen
Seilscheiben ausüben. (Nach Fig. 1) Damit die Spreizwirkung zusätzlich auch infolge
des Strömungsdrucks des laufenden Wassers verstärkt wird, sind an den hinteren,
der Strömung abgewandten Tragmasten, Druckbleche befestigt, welche das jeweiligeplintere
Fahrwerk über die Endlosseile von dem wasserfrontalen Fahrwerk abdrückt, wobei das
freie Ende des von einer Rückholrolle oder Seilwinde ausgehende Tragseil über eine
Gründung - Umlenkrolle an dem Vorderteil des wasserfrontalen Fahrwerks befestigt
ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind zur Längsunterstützung des
Drehblattes und zur Aufnahme der Rollenführung je nach Länge des mit dem Endlosseil
drehbefestigten Drehblattes, mehrere an Fahrmasten gelagerten Stützseilscheiben
und Rollenführungen angeordnet, wobei das Fahrgestell des Fahrmastes, über ein Spannschloß
- Gestänge odgl, mit dem jeweiligen Fahrwerk fahrverbunden ist. (Nach Fig. 5) Um
eine 9o gradige Drehverbindung zwischen dem Endlosseil und dem Drehblatt herzustellen,
besteht die Verbindung aus der mit einem Endlos seil oder Zahnriemen homogen verbundenen
Profilhülse mit der ein segmentförmiger
Stützkörper mit einem Drehgelenk
entsprechend befestigt ist.
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Damit das Drehblatt nach der anschlagartigen Richtungsbremsung mittels
den Blattfederbremsen und Rollenführungen weiter an Strömungswiderstand verliert,
ist nach dem Federprinzip einer Heckenschere um den Bolzen des Drehgelenks eine
Spreizfeder angeordnet und deren Enden einerseits in dem Drehblatt sole andererseits
in der Drehblatt-Seilstütze befestigt sind, wobei die 900 Drehblattschwenkung von
einem Drehgelenkanschlag begrenzt wird.
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Soll neben den an dem jeweiligen Tragmast angelenkt befestigten Generator
gewünschte Arbeitsmaschinen betrieben werden, so ist neben der Seilscheibe eine
Keilriemenscheibe mit Keilriemen angeordnet.
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Wird auf die Rückholrolle und Seilwinde verzichtet, so werden die
auf den einzelnen Tragseilen durch Flut und Ebbe bzw. Sturmflut nach oben oder abwärts
so bewegten Fahrwerke statt von Rückholrollen odgl. mittels der an Kurvenschienen
- Masten über Seilrollen und Umlenkrollen geführten Tragseilen, mit den endbefestigten
Kontergewichten, auf- unWabwärts bzw. vor- und zurückgeführt.
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(Nach Fig. 6) Um eine Kontinuitätsgleichung, welche bei Strömungsvorgängen
die Erhaltung einer phsikalischen Größe zun Ausdruck bringt, auch gegenständlich
zu machen, ist die zu erhaltende Größe, ab einer gensünschten Größe, eine sich auflösenden
Gleichgewichtskraft, die einerseits von dem Steigungswinkel, dem Massenträgheitsmoment
der Maschine und der Kraft des strömenden Wassers sowie andererseits von dem Auslegungscharakter
der Kurve des Kurvenschienen -Mastes und der Schwerkraft des Kontergewichtes gebildet
wird, wobei das Auflösen des Gleichgewichts nach Überschreiten einer abfallenden
Flachkurve von Kontergewicht und Fahrwerken funktionsmäßig erfolgt, d.h. nur extreme
Wasserströmungen fahren die Fahrwerke auf Tragseile odgl. aus dem Wasser- in den
Luftbereich - und
umgektrt. (Nach Fig. 7) Soll eine solche amphibisch
ausgestaltete Maschine vorzugsweise in landfernen freien Gewässern eingesetzt werden,
so kann u.a. auf Fahrwerke, Masten, Gründungs- Umlenkrollen und Tragseile deshalb
verzichtet werden, weil unter anderem zu ihrem Schutz vor Orkanen und Sturmfluten
ausblasbare Tauchtanks vorgesehen sind. (Nach Fig. 8, 9 und 1o) Damit der Tauchtank
nicht im Dreh- und Rotationsbereicl de? Drehblätter kommt, ist er zwischen den jeweiligen
Endlosseilen odgl. angeordnet und über Veroindungsrohre und Federelemente an den
Gehäusen der Seilscheibenlager befestigt.
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Um die einzelnen Endlosseile auf den Seilscheiben stets zu expandieren,
bestehen die teleskopischen Federelemente im wesentlichen aus den, an den beiden
Kopfseiten von Zwischenrohre in den Verbindungsrohren endgelagerten, Schraubendruckfedern.
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Damit die schwimmend trimmbare Maschine in optimaler Horizontallage
verbleibt, sind oberseitig an den Gehäusen Halbtauchbehälter angeordnet.
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Nach einer weiteren Ausbildung sind unterseitig an Gehäusen der Seilscheibenlager
Standrohre mit Standfüßen befestigt.
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Um mit den bekannten Mitteln der Tauchtechnik bspw. von Hand oder
über Fernfunk eine gewünschte Maschinen - Wasserschutztiefe zu erreichen, ist ein
an einem Winkelmast befestigter Luftverdichter, mit Rohranschluß an dem zwischen
dem Tauchtank installierten Reservedruckbehälter, vorgesehen.
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Die mit derErfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß neben der Energieentnahme aus Turbinen von Gezeisten und Talsperrenkraftwerken
auch das
zeitlos ausreichende Energieangebot aus den zahlreichen
freien Küsten - und Laufgewässern stets problemlos genutzt werden kann, wobei die
ökologischen und landschaftlichen Zusammenhänge keine negativen änderungen erleiden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 die Seitenansicht der wasserseitig im Normalbetrieb
befindlichen Maschine mit dem durch frontale Gegenströmung und Spreizfedern sich
zur Drehblatt - Seilstütze bewegendes Drehblatt.
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Fig. 2 eine Vorderansicht der Seil- und Keilriemenscheibe mit Anordnung
eines Gegengewicht - Trägers an dem verlängerten Tragmast.
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Fig. 3 die Seitenansicht der Seilscheibe mit funktioneller Darstellung
des Drehblattes.
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Fig. 4 einen vertikalen Teilschnitt der Seilscheibe und den damit
mitrotierenden, auf dem Endlosseil aufgebrachten, Festteilen des Drehgelenk eines
Drehblattes.
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Fig. 5 eine Vorderansicht aus der hinteren Sicht mit dem Fahrgestell
einer zusätzlichen Stützseilscheibe.
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Fig. 6 eine bildhafte Darstellung der in den Windbereich sich über
Rückholrollen zurückholenden Maschine.
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Fig. 7 die Maschine in windbezogener Arbeitsphase durch Rückholung
mittels des an dem Kurvenschienen - Mast gleitenden Kontergewichts.
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Fig 8 eine Vorderansicht der längengekürzten schwimm-und tauchfähigen
Maschine mit den zwischen dem Endlosseil
angeordneten Uauchtank.
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Big. 9 die Draufsicht mit dem bodenverankerten Fixpunkt und der Kabelführung
zu den Ventilen.
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Fig. 1o eine Seitenansicht mit vertikaler Stellung des Drehblattes.
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In Fig. 1 sind 1 die beiden Fahrwerke deren einzelnen Räder in ausgedrehten
Rillen die Tragseile 2 aufnehmen.
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Die an den Radachsen angelenkt befestigten Sicherungsbügel 3 umschließen
stets die beiden Tragseile 2 so, daß das jeweilig Fahrwerk 1 sowohl auf den Tragseilen
als auch auf dem Erdreich fahren kann.
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Mit dem einzelnen Fahrwerk 1 ist jeweils ein Tragmast 4, in asymetrischer
Anordnung, schweißverbunden.
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In dem oberen Ende des Tragmastets 4 ist die Starrachse 5 eingelassen,
auf der die Seilscheibe 6 und eine Keilriemenscheibe drehbar gelagert sind. Die
beiden Seilscheiben 6 sind nach Art eines Riementriebes mittels des Endlosseiles
7 kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Um das Endlosseil 7 stets in Zugspannung zu halten, weisen einerseits
die beiden Tragmasten 4, als Verlängerung, die Gegengewicht 8 und der den Strömungen
abgewandte Tragmast das Druckblech 9 auf, damit andererseits dieser Spannungszustand
nicht unterbrochen wird, sind die beiden Federbeinachsen lo, des jeweiligen Fahrwerks
1, vorgesehen.
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Funktionsmäßig wird der Antrieb von den durch die frontale Strömung
oder / und Wellenfronten sich in Vertikalebene aufrichtenden und mitfortbewegenden
Drehblättern 11 erwirkt.
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Zu diesem Zweck ist das jeweilige Drehblatt 11, über das Drehgelenk
12 bzw. mit dessen Festteil, mit mindestens zwei Endlosseilen 7 fest verbunden.
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Eine solche bekannte mit einer Profilhülse zu erzielende homogenen
Verbindung weist den mit dem Festteil des Drehgelenks
12 schweißverbundenen
Stützkörper 13 auf.
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(Nach Fig. 3 u. 4) Das Endlos seil 7, der Stützkörper 13 und der Festteil
14 ergeben mit der aus dem Festteil 14 des Drehgelenk 12 hervorgehenden Drehblatt-Seilstütze
15 eine feste Verbindung, während das Drehblatt 11 an dem darin und im Festteil
14 gelagerten Bolzen 16 befestigt ist.
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Die Drehblatt-Seilstütze 15 verteilt mit seinen Längenabstand von
dem Stützkörper 13 bis zu den Seilscheiben 6 den Druck des Drehblatt 11 auf das
jeweilige obere Endlosseilteil.
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In der Fortbewegung um die hintere Seilscheibe wird das Drehblatt
11 ab strömungsgünstiger Horizontallage nicht nur durch die Kreisbewegung bis zu
den Drehgelenkanschlägen 17 um 900 nach oben gedrückt, sondern auch die am Tragmast
4 befestigte Blattfederbremse 18 und die um den Bolzen 16 des Drehgelenks 12 installierte
Spreizfeder 19 bewirken die nachfolgende Horizontallage des Drehblattes 11.
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Mit der Weiterbewegung um die vordere frontseitige Seile scheibe ergibt
sich ab Seilscheibendrehpunkt stets der Anstellwinkel des Drehblattes 11, der, infolge
frontaler Strömung das Drehblatt entgegen den geringeren Spreizfederdruck, gegen
die konstante Drehblatt-Seilstütze 15 drückt.
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Diese Strömungs- und Drehmechanischen Vorgänge finden nur dann im
Wasser statt9 wenn der Strömungswiderstand der Maschine, gegenüber dem Steigungswinkel
und der am Ende des Tragseiles 2 wirkenden Rückholkraft, einen wählbaren Wert nicht
übersteigt.
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Wird der Wert infolge extremer Strömungsverhältnisse überstiegen,
so entfernt sich die Maschine wasserseitig von der Gründung - Umkehrrolle 20 um
die das am Vorderteil 21 des frontseitigen Fahrwerk 1 befestigte Tragseil 2 fuhrt.
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Funktionsmäßig rollt die Maschine auf den Tragseilen 2 oder / und
Erdboden selbsttätig aus dem zerstörenden Wasser in den 800 mal leichteren Luftraum,
wobei die für die Wasserkraft maximal ausgelegte Maschine durch Windstärken nicht
beschädigt werden kann, aber durch Windkraft weiter elektrischen Strom erzeugt.
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Um die jeweiligen oberen Drehblätter 11 genauer in Wasserstandhöhe
zu halten, sind an den Auslegern der Gegen gewichte 8 spitzförmige Halbtauch-Schwimmkörper
22 befestigt.
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Damit solche im Küstenbereich bzw. im flachen Wasser im Mega - Watt
- Bereich fungierende Maschinen ihre langen Drehblätter mehrmals unterstützt werden
können, sind je nach Länge des jeweiligen Drehblattes 11 mehrere an Fahrmasten 23
gelagerte Stützseilscheiben 24 angeordnet, wobei ihr Endlosseil 7, mit dem in der
Aussparung 25 drehgelagerten Bolzen 16 und dem Stützkörper 13, entsprechend befestigt
ist. (Nach Fig. 5) Die an dem Fahrmast 23 befestigte Rollenführung 26 zwingt in
der letzten unteren Endlosseil - DShphase das Drehblatt 11 in flacher Kantenstellung.
Das am Fahrmast 23 angeordnete ein- oder mehrrädige Fahrgestell 27 ist jepfeils
über das Spannschloß - Gestänge 28 odgl. mit den Fahrwerken 1 fahrverbunden.
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Wie nur aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind die einzelnen Generatoren
29 mittels einer an dem Tragmast 4 angelenkt befestigten Konsole 30 so angeordnet,
daß ihr Antriebsritzel 31 auf dem Endlosseil 7 aufliegt.
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Soll zwecks Rotor- Drehzahl erhöhung vor dem Generator 29 ein Verstellgetriebe
eingesetzt werden, oder wird der Getriebe- und Generatordrehwiderstand dadurch zu
groß, so sind an Stelle der Seilscheiben 6 entsprechend breite Zahnriemenscheiben
vorgesehen) wobei die endlosen Zahnriemen kabelartig mittels Stahlband oder Drahtseil
ver stärkt sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung betreibt die Keilriemenscheibe 32
über den Keilriemen 33 eine gewünschte Arbeitsmaschine bspw. den Luftverdichter
34. (Nach Fig.
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6) Desweiteren ist erfindungsmäßig vorgesehen, daß statt der Rückholrolle
35 oder einer Seilwinde das jeweilige Tragseil 2 mit dem Kontergewicht endbeschwert,
und über Seile und Umlenkrollen geführt, an dem Kurvenschienenmast 37 sich auf-
und abwärts bewegt.
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Gemäß der gegenständlichen Auslegungen besteht eine waageartige Parallelverschiebung
zweier Kräfte, d.h.
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nimmt die Strömungskraft zu vermindert sich gleichermaßen die Gewichtskraft
des in der Flachkurve 38 aus laufenden Eontergewichts 36. (Nach Fig. 7) Soll die
Maschine insbesondere in landfernen freien Gewässern eingesetzt werden, so bedarf
sie u.a. weder Fahrwerke, Masten, Gründungs- Umlenkrollen noch der Tragseile. (Nach
Fig. 8, 9 und 10) Demzufolge sind bodenverankerte Bojen, Pontons, Plattformen, Grundanker
oder Schiffe der jeweilige Fixpunkt 39 für die an Halteseilen 40 daran befestigten
Wasser-und Windkraftmaschine.
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Eine solche schwimm- und tauchfähige Maschine, weist außer dem Dreh-
und Rotationsbereich dem Drehblätter 11 also, zwischen den Endlosseilen 7, den mittigen
ausblasbaren Tauchtank 41 auf.
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Der Tauchtank 41 ist durch die Verbindungsrohre 42 mit den äußeren
Gehäusen 43 der Seilscheibenlager 44 und den Federelementen federnd verbunden.
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Die Federelemente,bestehend aus den von einzelnen Verbindungsrohren
42 aufgenommenen Zwischenrohren 45 und den zwischengelagerten Schraubendruckfedern
4&, bewirken ein stetiges Spanne der Endlos seile 7 oder Zahnriemen.
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Damit die schwimmend trimmbare Maschine auch in der Arbeitsphase in
optimaler Horizontallage verbleibt, sind die vorzugsweise kugelförmigen Halbtauchbehälter
47 an dem jeweiligen oberen Teil des Gehäuses 43 indirekt befestigt.
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Am unteren Teil des lagerkastenartigen Gehäuses 43 ist das Standrohr
48, mit dem jeweiligem Standfuß 49, befestigt.
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Um mit den bekannten Mitteln der Tauchtenhnik bspw.
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von Hand oder über Fernfunk die gewünschte Maschinen-Wasserschutztiefe
zu erreichen, ist der an dem Winkelmast 50 angeordneter Luftverdichter 51, mit Rohranschluß
an dem zwischen dem Tauchtank 41 installierten Resrvedruckbehälter 52, vorgesehen.
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Mit dem stets über dem Wasser stehenden Fixpunkt 39 ist die Antenne
53 mit der Kabelrückholrolle 54 befestigt, wobei das Kabel 55 über das Halteseil
4o und Zugseilen 56 zu den Impulsgebern der Flut- und Ausblasventile 57 führt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend im einzelnen beschriebenen
und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind demgegenüber
Änderungen möglich, ohne ihren Grundgedanken zu verlassen.