DE2906724A1

DE2906724A1 - Motor, der durch sich ausbreitende wellen gespeist ist

Info

Publication number: DE2906724A1
Application number: DE19792906724
Authority: DE
Inventors: Leslie Spencer Wirt
Original assignee: Lockheed Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1979-08-23
Also published as: SE443026B; IT7920365A0; SE7901082L; IE790532L; US4152895A; DK73679A; FR2417650A1; BE874304A; CA1117847A; MX145833A; IN150818B; GB2016089A; AR221610A1; AU4441279A; PT69245A; SU1200856A3; AU522405B2; NZ189367A; ES477841A1; IE47926B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weick mann, Dipl.-?hys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska 2906724

Wä.

' 1979

8000 MÜNCHEN 86, DEN ^L 1 POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Lockheed Corporation
2555 North Hollywood Way
Burbank, California 91520,

V.St.A.

Motor, der durch sich ausbreitende WeIlen gespeist ist

909834/0862

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. WeickmaNN. Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem.

DR.ING.H.LISKA Z9W724

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Beschreibung

Die Erfindung Dezieht sich auf eine als WeHenmotor bezeichnete Vorrichtung zur Umsetzung der in Ozeanoberflächenwellen enthaltenen Energie in eine ausnutzbare kinetische Rotationsenergie.

Bisher sind viele Verfahren angewandt worden in dem Versuch, Ozeanwellen in brauchbare Anwendungen umzusetzen. Viele dieser Versuche sind darauf gerichtet worden, die Energie der Gezeitenhübe auszunutzen, welche durch die Bewegungen von Mond und Sonne hervorgerufen werden. Andere Systeme sind darauf gerichtet worden, durch Wind erzeugte Oberflächenwellen und -ströme zu koppeln, da diese Wellen bzw. Ströme den meisten Anteil des gesamten Energieaufkommens des Ozeans ausmachen.

Typische Beispiele für derartige Systeme finden sich in folgenden Patentschriften: US-PS 3 927 330, US-PS 3 644 052, US-PS 1 811 565, US-PS 1 649 644 und US-PS 604 211.

Systeme zur Gewinnung der Gezeitenenergie sind in der US-PS 1 474 571 und in der US-PS 3 993 913 beschrieben.

Weitere Wellenmotoreinrichtungen sind in den US-Patentschriften 924 808, 757 800 und 3 877 835 angegeben.

Keine der in den vorstehend angegebenen Patentschriften

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beschriebenen Einrichtungen hat zu einem bedeutenden kommerziellen Erfolg geführt. Sämtliche bisher bekannten Einrichtungen sind hinsichtlich eines oder mehrerer bedeutender Gesichtspunkte mangelhaft, um sämtliche Forderungen erfüllen zu können, die für ein Ozeanwellen-Koppe lungs sy st em erwünscht sind. Wahrscheinlich ist die größte einzelne Abneigung gegenüber der kommerziellen Aufnahme der bisher bekannten Systeme deren begrenzter Wirkungsgrad und deren übermäßige Komplexheit gewesen, welche die Zuverlässigkeit in dem feindseligen Ozeanbereich erheblich herabsetzt.

Angesichts der erheblichen Forderung nach Entwicklung* von neuen Energiequellen mit Rücksicht auf die Erschöpfung von Resourcen fossiler Brennstoffe sind Fortschritte im Stand der Technik gegenüber den oben beschriebenen Einrichtungen erforderlich.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Energieumsetzsystem zu schaffen, welches eine periodische Oberflächenwellenenergie aufnimmt und ausgangsseitig fortlaufend eine brauchbare kinetische Energie erzeugt.

Ferner ist eine neue und verbesserte Vorrichtung für die Nutzbarmachung der ozeanischen Oberflächenwellenenergie zu schaffen.

Darüber hinaus ist eine neue und verbesserte Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine periodische Oberflächenwellenenergie eingefangen und konzentriert wird, bei der es sich teilweise um potentielle und teilweise um kinetische Energie handelt, wobei die betreffende Energie in eine im wesentlichen vollkommen kinetische Energie umgesetzt werden soll.

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Ferner -sollen neue und verbesserte Einrichtungen zur Glättung von Impulsen aus kinetischer Energie bereitgestellt werden, so daß eine kontinuierlich verfügbare kinetische Energie bereitgestellt wird, und zwar unter Ausnutzung der Trägheitseigenschaften einer Flüssigkeitsturbulenz.

Schließlich ist ein Wellenmotorsystem zu schaffen, welches einen einfacheren Aufbau besitzt, welches zuverlässiger im Betrieb ist und welches wesentlich wirksamer ist als die bisher bekannten Systeme.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß der Erfindung ist eine höchst praktische Einrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe durch Wind hervorgerufene Oberflächenozeanwellen in eine ausnutzbare Leistung umgesetzt werden. Die durch die vorliegende Erfindung hinsichtlich der erwünschten Umsetzung ausgeführten Grundschrifce sind folgende: 1) die Oberflächenwellen werden ohne nennenswerte Reflexion konzentriert, Z) die potentielle Energiekomponente wird in im wesentlichen reine kinetische Energie impulse umgesetzt,

3) die kinetischen Energieimpulse werden geglättet,

4) die geglättete kinetische Energie wird in eine

von einer Welle abgegebene Rotationsenergie umgesetzt, und 5) der System-Ausfluß wird verteilt.

Die neue Struktur bzw. Anordnung der für die offene See bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nutzt das Fermatprinzip aus, um in beliebiger Richtung auftretende Wellenenergie mit einer variablen Periode in eine reine kinetische Energie zu konzentrieren, die dann direkt an einen Turbinenrotor abgegeben werden kann.

Die verfügbare Eingabeleistung eines typischen oder

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mittleren Ozeananstiegs für eine Kuppe von einem Meter über dem Seepegel mit einer Dauer von 10 Sekunden beträgt 4OkW pro Meter Küstenlinie. Ein Wellenkonzentrationselement der Vorrichtung wirkt dabei als Analogon eines akustischen Hörnes, um nämlich die Oberflächenwellen zu konzentrieren und sie ansteigen und absinken zu lassen. Diese Einrichtung basiert auf der Brechungseigenschaft; sie vermag sämtliche eintreffende Wellenenergie über einen breiten Bereich von Wellenperioden unabhängig von der Annäherungsrichtung im wesentlichen aufzunehmen. Die im offenen Ozean sich ausbreitenden Wellen enthalten eine Energie, die etwa zur Hälfte potentielle Energie und zur Hälfte kinetische Energie ist. Die Geometrie der Wellenkonzentratoreinrichtung bewirkt, daß sich die jeweilige Welle bricht und dadurch in nahezu horizontale., reine kinetische Energie umgesetzt wird, welche dann radial nach innen zu einer mittleren Einlaßnabe der Vorrichtung hin geleitet wird. Einlaß-Führungsschaufeln leiten diesen Wasserstrahl tangential in einen mittleren, nach unten gerichteten Durchgang, in welchem das betreffende Wasser zu einem Strudel verwirbelt. Der wirbelnde Wasserstrudel wirkt als Flüssigkeits-Kreisel bzw.-Schwungrad, dessen Trägheitseigenschaften die pulsierende Energie glätten. Dies ermöglicht dem Wasser, gleichmäßig in einen Turbinenrotor einzutreten, durch den mittels einer sich kontinuierlich drehenden Welle Leistung erzeugt wird.

Nach Verlassen des Turbinenrotors wird das austretende Wasser, welches noch einen gewissen Restwirbel besitzt, durch eine feststehende Leitvorrichtung in den umgebenden Ozean abgeführt. In der betreffenden Leitvorrichtung dient der Reststrudel des Wassers dazu, den Gegendruck des Turbinenrotors zu reduzieren. Die Turbinenrotorwelle kann dazu herangezogen werden, einen elektrischen Generator oder eine andere Gebrauchseinrichtung anzutreiben. Bei

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einer ersten Ausführungsform kann die gesamte Anordnung so aufgebaut sein, daß sie an einer vom Ufer entfernten Verankerungsstelle schwimmt und festgelegt ist. Bei zweiten und dritten Ausführungsformen sind nahe eines Strandes festgelegte Strukturen vorgesehen, die ebenfalls beschrieben werden.

Bei einer typischen Konstruktion erzeugt eine Einrichtung mit einem Durchmesser von 78m eine Wellenleistung von 1MW, und zwar bei Wellen mit einer Halbamplitude von 1 m und mit einer Periode von 7 see.

Die Erfindung basiert zum Teil in physikalischen und mechanischen Strukturen, die in einer Brechungs-ZKonzentrationsanordnung, in einer impulsglättungseinrichtung sowie in einem Drehteil und in Abführungs-/Streuungskomponenten des Systems verkörpert sind, wie es hier speziell veranschaulicht ist. Es sei jedoch angemerkt, daß die Erfindung auch das Konzept des Systems selbst einschließt, und zwar als integriertes Gesamtsystem, und zwar unabhängig von den strukturellen Einzelheiten der verschiedenen Einzelteile.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht schematisch einen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebauten, von einer Umlaufwelle gespeisten Motor. Fig. 2 zeigt in einem Diagramm Strahlungsbahnen und Wellenfronten, die auf ein Atoll auftreffen, wobei anhand des betreffenden Diagramms die Erfindung näher erläutert werden wird.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht von symmetrischen Einlaßführungsflügeln längs der in Fig. 1 längs eingetragenen Linie 3-3.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht von individuell geformten Einlaßführungsflügeln längs der in Fig. 1 eingetragenen

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Linie 3-3. "*

Fig. 5-veranschaulicht anhand eines Diagramms ein typisches Leistungsspektrum von Ozeanwellen und von Seegang.

Fig. 6 zeigt eine Perspektivansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung bei Anordnung in ihrem Operationsbereich.

Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenkonzentrator-Hornteiles einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, unter Veranschaulichung der Konzentration der Ozeanoberflächenwellen und ihrerTransformation gegenüber Brechern.

Fig. 8 zeigt schematisch eine Seitenansicht der in Fig.7 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 9 zeigt schematisch in einer Draufsicht die zweite Ausführungsform der Erfindung, unter Veranschaulichung eines Horn- und Zuführungsteiles, welches tangential mit einem Behälter verbunden ist, der ein Flüssigkeits-Schwungrad enthält.

Fig. 10 zeigt schematisch eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 9 längs der in Fig. 9 eingetragenen Linie 10-10.

Fig. 11 zeigt schematisch eine Schnittansicht unter Veranschaulichung einer Modifikation der Erfindung, die Öl von der Ozeanoberfläche abzuziehen gestattet. Fig. 12 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig.13 und 14.

Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 14 zeigt eine Teilseitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 12 und 13.

In Fig. 1 ist ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter, durch Wellen gespeister Motor dargestellt, der ein nahezu halbkugelförmiges Teil oder eine Hülle 1 aufweist, welche das Hauptbauelement der Vorrichtung darstellt. Die Hülle 1 kann aus verstärktem Beton oder Stahl

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oder aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Die Geometrie der Hülle 1 wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 im einzelnen beschrieben werden. Eine Dreipunktverankerung, umfassend Verankerungsblöcke, ist ip. dem Ozeanboden befestigt, wobei Gelenkglieder von dem Ozeanboden abstehen. Diese Verankerung dient dazu, die betreffende Vorrichtung in entsprechender Stellung zu halten. Zwei der Verankerungsblöcke sind mit 2 bzw. 3 angedeutet; sie können als Pontons gegossene Betonpfeiler umfassen. Anstelle der Gelenkglieder (5,ö) können Seile oder andere geeignete Elemente dazu verwendet werden, den Rand 4 oder die Unterkante der Hülle 1 mit der Verankerung (2-3) zu verbinden.

Der obere Mittelteil der Hülle 1 ist mit einem kreisförmigen Einlaß 7 versehen. Von dem kreisförmigen Einlaß 7 ragt ein hohles zylindrisches Standrohr 8 herab, welches eine vertikale Höhe besitzt, die etwa gleich der Höhe der Hülle 1 ist. An der Hülle 1 sind feststehende Einlaßführungsflügel 9 befestigt, die sich von dem oberen Ende des Standrohres 8 radial nach außen erstrecken, und zwar in den Brecherbildungsbereich. Diese Flügel wirken in der Weise, daß sie dem durch den Einlaß 7 in das Standrohr 8 hineingelangenden Wasser eine Drehbewegung oder Verwirbelung erteilen. Nahe des unteren Endes des Standrohres 8 ist eine Turbine 11 angebracht. Das in dem mittleren Bereich des Standrohres 11 wirbelnde Wasser stellt eine Fluid-Schwungscheibe dar, die dem Turbinenrotor 11 ein Winkel-Drehmoment erteilt. Das aus der Turbine 11 austretende Wasser gelangt durch einen Verteiler 13 hindurch, der an dem unteren Ende des Standrohres 8 fest angebracht ist.

Oberhalb der Turbine 11 erstreckt sich eine Drehwelle zu einem Mittelkörper 15 hin, der an dem oberen mitteleren Teil der Hülle 1 oberhalb des Einlasses 7 befestigt ist. Der Mittelkörper 15 stellt eine Abstützung für die oberen Kanten der Einlaßführungsflügel 9 dar. Ein elektrischer

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Generator 18 oder eine andere Ausnutzungseinrichtung ist mit dem oberen Ende der Turbinenwelle 14 drehbar gekoppelt. Ein geeigneter Schutzüberzug 19 kann den oberen Teil des Mittelkörpers 15 umschließen. Eine wasserdichte Leitung oder ein Kabel 21 verbindet den elektrischen Generator mit einem geeigneten Leistungsverteilungssystem, welches beispielsweise am Ufer bzw. Strand angeordnet sein kann. Der neutrale Wasserpegel (das ist der Wasserpegel bei Fehlen einer Wellenwirkung) ist in Fig. 1 mit 22 bezeichnet. Die Lage des neutralen Wasserpegels ist nicht kritisch. Es hat sich herausgestellt, daß die Einrichtung in zufriedenstellender Weise bei einem Wasserpegel oberhalb oder unterhalb des angedeuteten Pegels arbeitet. Dies bedeutet, daß die Einrichtung in seichtem Wasser anstatt in Gezeiten fest angeordnet werden kann.

Fünf gesonderte Schritte sind für die Ausnutzung der sich ausbreitenden Oberflächenwellenenergie erforderlich. Der erste Schritt besteht darin, die Energie über eine · beträchtliche Länge der verfügbaren Wellenfront zu sammeln. So kann beispielsweise eine Konzentrationseinrichtung, die eine Wellenfront von 10Om erfaßt, bis zu 4 MW Leistung von einer typischen Ozeandünung mit einer Halbamplitude von 1 m und einer Periode von 10 see aufnehmen. Die kritische Forderung an der Schnittstelle mit der Wellenfront stellt die Übertragung der Wellenenergie über die Schnittstelle anstatt ihrer Reflexion dar„ Aufgrund der Tatsache, daß die Energie in Form einer sich ausbreitenden Schwingungswelle vorliegt, wird die Energiereflexion unabhängig davon geleitet, ob eine Impedanzanpassung oder eine Impedanzfehlanpassung an der Schnittstelle vorhanden ist« Die Erfindung nutzt eine Struktur aus, welche das Oberflächenwellenäquivalent eines akustischen Hornes darstellt, um die sich ausbreitende Oberflächenwellenenergie zu sammeln und zu konzentrieren« Bei irgendeiner gegebenen Welle mit einer

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maximalen Periode (T) kann die Hornform erzeugt werden, um eine geeignete Impedanzanpassung zwischen dem Mundstück und dem Hals des Hornes zu erreichen. Die äußere Oberflächenform der Hülle 1 umfaßt den Impedanztransformator, der als Analogon zu einem akustischen Horn betrachtet werden kann. Dies kann dadurch verdeutlicht werden, daß die Querschnittsform betrachtet wird, die von dem neutralen Wasserpegel 22 und einem Radialschnitt durch die Hülle 1 begrenzt wird. Mit Rücksicht darauf, daß diese Form einen vollständigen Umlauf ausführt, ist die eigentliche Struktur halbkugelförmig ausgebildet; sie ist funktionell und physikalisch einem natürlichen kreisförmigen Atoll ähnlich.

Die sich innerhalb des "Hornes" ausbreitenden schwingenden Wellen enthalten etwa zur Hälfte kinetische Energie (aufgrund der kreisförmigen Drehung) und zur Hälfte potentielle Energie (aufgrund des Arstiegs oder Abfalls). Wenn diese Wellen nunmehr auf eine ansteigende Ebene auftreffen, wie sie durch die mittlere Außenfläche der Hülle 1 gebildet ist, dann werden die betreffenden Wellen ansteigen und sich brechen. Die sich brechende Welle wird nunmehr als große Hauptumsetzwelle bzw. primäre Translationswelle bezeichnet. Sämtliche Teile der Welle bewegen sich gleichmäßig in horizontaler Richtung, und die Energie ist hauptsächlich eine kinetische Energie. Der Bereich, innerhalb dessen dies auftritt, wird als Surf-Zone bezeichnet. Demgemäß nimmt die durch die Hülle 1 gebildete Horn/Rampen-Kombination sämtliche Schwingwellen auf und gibt massive Impulse aus reiner kinetischer Energie an die Einlaßseite der Hülle ab.

In Fig. 2 ist graphisch der Verlauf von Strahlungsbahnen und Wellenfronten veranschaulicht, die auf eine atollförmige Horn/Rampen-Anordnung des Typs auftreffen, der die Hülle 1 gemäß Fig. 1 umfaßte Wie ersichtlich, wird die von dem oberen rechten Quadranten her eintreffende

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lineare Wellenfront fortschreitend gebrochen, wenn sie auf die sich ändernde untere Kontur auftrifft (nämlich auf die Kontur der Oberseite der Hülle). Die Auswirkung besteht darin, daß sich die Wellenfront um das Atoll in Form einer Spirale gewissermaßen herumwickelt, die dazu neigt, in der Mitte des Atolls zu konvergieren.

Die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen ändert sich umgekehrt mit der örtlichen Tiefe. Infolgedessen brechen sich die Oberflächenwellen, was bedeutet, daß sich die Ausbreitungsrichtung der betreffenden Wellen stets zu seichterem Wasser hin stark neigt. Eine geeignete Hüllenkontur kann vollständig eine sich nähernde Wellenfr_x>nt aufnehmen, und zwar in der Größe, wie ihr eigener Durchmesser ist, und die gesamte Wellenfront in eine ansteigende Welle umsetzen, die sich stets um die Hülle herum erstreckt. Damit hat die betreffende Hülle sowohl eine Konzentrationsfunktion als auch eine Wellenbrechungsfunktion. Die betreffende Hülle kann in geeigneter Weise als Brechungshorn beschrieben werden.

Durch die Geometrie der Einrichtung ist eine gewisse Glättung des Eingangsimpulses vorhanden. Jeder Teil der eintreffenden Wellenfront bewegt sich auf einer anderen Bahn und erreicht die Hülle in einem anderen Teil zu einem anderen Zeitpunkt. Der Phasenwinkel φ ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die Welle kann als die Hülle selbst umwickelnde Welle gedacht werden. Das Ergebnis ist eine relativ ständige Energieabgabe an den Einsatzteil und eine nennenswerte Herabsetzung des erforderlichen Volumens für das Flüssigkeits-Schwungrad. Das betreffende Schwungrad umfaßt das in dem Standrohr enthaltene Wasser. Diese natürliche Glättung der Wellenimpulse zu einer Quasi-Dauerleistungsabgabe stellt ein bedeutendes Merkmal der Erfindung dar.

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Da die kinetische Impulsenergie für die Erzeugung einer konstanten Wellenleistung nicht geeignet ist, ist eine gewisse Form der Trägheitsglättung erforderlich. In typischer Weise sind die eingangsseitigen Energieimpulse um 5 bis 10 Sekunden voneinander getrennt. Das Trägheitsvermögen von Wasser selbst kann einen Schwungradeffekt hervorrufen, der die Impuls-Eingangsgröße zu glätten imstande ist. Die Wasser-Impulse werden tangential in einen Behälter geleitet, der groß genug ist, um den gesamten Impuls aufzunehmen. Demgemäß unterstützen die periodischen Eingangsimpulse eine Strudelbewegung in dem Behälter, und der kinetische Impuls wird in dem Winkelmoment des gesamten Volumens für eine kontinuierliche allmähliche Abführung gespeichert.

Eine Umsetzung der in dem Flüssigkeits-Schwungrad gespeicherten Energie in eine Rotations-Wellenleistung wird mittels einer Turbinenwelle erreicht, die koaxial zu dem genannten Strudel verläuft.

Die vorherrschend kinetische Energie enthaltenden großen ■Primär-Translationswellen fließen radial nach innen. Diese Wellen werden in eine tangentiale Strömung in dem mitteleren Behälter (Standrohr) 8 umgesetzt, und zwar durch eine sich drehende Flügelanordnung 9· Ein axiales Strömungsturbinenrad 11 ist koaxial unterhalb der sich drehenden Flügel 9 an dem unteren Ende des Standrohres 8 angeordnet. Das Turbinenrad 11 ist so ausgelegt, daß nicht die gesamte Energie des wirbelnden Wassers abgeführt wird. Der geringe Restbetrag der Wirbelung wird belassen, um die Ableit-Verteilereinrichtung 13 zu aktivieren.

Die Ableit-Verteilereinrichtung bzw. die Ableit-Leiteinrichtung 13 ist flügellos und verläuft radial nach außen von der Unterseite des Standrohres 8 aus. Die restliche

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Verwirbelung in der jeweiligen Richtung ruft eine radiale, nach außen erfolgende Strömung hervor, und die geringer werdende Strömung ruft einen verminderten Druck an der Unterseite des Standrohres 8 hervor. Demgemäß neigt die Verteilereinrichtung 13 tatsächlich dazu, das Standrohr 8 abzupumpen und den Wasserpegel in diesem Rohr abzusenken. Eine Systemoptimierung existiert dabei dann, wenn der Standrohrpegel gerade soweit abgesenkt ist, daß das Einströmungsvolumen vollständig aufgenommen wird. Mit Hilfe dieser Anordnung kann der Überlaufpegel an der Oberseite des Standrohres gerade auf dem neutralen Pegel 22 der Ozeanoberfläche festgelegt bzw. eingestellt werden. Wie oben bereits erwähnt, ist das System innerhalb von Grenzen relativ unempfindlich gegenüber der tatsächlichen Lage des neutralen Pegels.

Es gibt eine optimale Größe für das Brechungshorn. Die das Brechungshorn umfassende Hülle 1 besitzt grob eine halbkugelförmige Struktur. Dies bedeutet, daß die Oberfläche der betreffenden Hülle proportional dem Quadrat des Radius (.r _Q) der betreffenden Struktur ist. Diese Anordnung vermag den Energiegehalt einer Wellenfrontlänge aufzunehmen, die gleich ihrem Hauptdurchmesser (2r_Q) ist. Damit ist lediglich die Hälfte des Materials erforderlich, um zwei kleinere Einheiten zu bilden anstatt eine größere Einheit derselben Kapazität. Die optimale Größe ist daher die kleinste Größe, die eine ausreichende bzw. zufriedenstellende Konzentration und Phasenverteilung für das Wellenlängenband mit sich bringt, das zu absorbieren ist.

Um die vollständige Aufnahme der Wellenfront eines Durchmessers bei der Auslegungs-Wellenlänge /\ und bei ;\'=2/L zu erreichen und um außerdem etwa 80% einer Wellenfront bei λ = 0,5λ aufzunehmen und um überdies eine gute Phasenverteilung um die Einheit herum aufrechtzuerhalten, sollte der Durchmesser eine .Bemessungs-Wellenlänge ^tiefes Wasser,) sein«,

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Die Schwingüngstyp-Mittenperiode für die statistische Menge der Oberflächenwellen beträgt etwa T = 7,07 see. Die entsprechende Tiefwasserwellenlänge ( Λ ) beträgt 78 Meter. Der optimale Radius wird somit mit 39 Metern gewählt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die optimale Kontur der Hüllei so ausgelegt, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

■£

Die tatsächliche Tiefe d als Funktion des normierten Rdaius (r/r_Q = R) genügt der Beziehung:

λ λο C , , C d = τρ==" ς— arctanh ~

da /\ = 2r geht, kann auch folgende Beziehung geschrieben werden:

S- = A S- arctanh

wobei C = die Wellengeschwindigkeit in der Tiefe d, C = die Tiefwasser-Wellengeschwindigkeit und R = £ bedeuten.

ο
η ist der Wert von R, wobei d = 0 ist.

Vorzugsweise erhält das Standrohr 8 eine solche Größe, daß die gesamte zu erwartende volumetrische Strömung aufgenommen werden kann, ohne daß eine Beschleunigung der Strömung erforderlich ist₀ Die großen Translationswellen näher sich dem Standrohr mit einer Horizontalgeschwindigkeit, die folgender Beziehung genügt:

v= /g · Höhe

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wobei ν = Translationsgeschwindigkeit und g = Erdbeschleunigung bedeuten.

Ihre Höhe zu dem betreffenden Augenblick ist größer als ihre ursprüngliche Tiefwasser-Höhe (a), und zwar aus zwei Gründen. Ihre Höhe wird durch einen Faktor bis zu 1,6 aufgrund einer Wellenkonzentrationswirkung der Brechung gesteigert. Die Wellenamplitude wird außerdem um einen Faktor von etwa 2,5 gesteigert, wenn das Wasser seichter wird. Demgemäß kann die Wellenhöhe an der Einlaßseite 4a betragen, und ihre Translationsgeschwindigkeit genügt der Beziehung:

ν = 2 j/g a,
wobei a die Tiefwasser-Halbamplitude bedeutet.

Wenn die Fläche der Standrohr-Einlaßseite gleich der Wellenhöhe multipliziert mit dem Umfang ist, dann wird das Wasser nicht beschleunigt.

(4a) {2 TT η r_Q) = Tn²r_o ²
8a = η r_

»■£

Wenn a = 1 m und r_Q = 39 m betragen, dann gilt

η =

Bei einer Konstruktion der Erfindung, bei der die aufgenommene Wellenfront 78 Meter beträgt, beträgt die in der Wellenfront für (a) = 1 m und T = 7,07 see übertragene Gesamtleistung:

2 Leistung P f£ 2m

Einheitslänge 4 2ir

Gesamtleistung = 78 · 4 . 7,07 · 10 erg/sec = 2,2 . 10⁶ Watt
=2,2 Megawatt.

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Bei einem Wirkungsgrad von 45% beträgt der Nennwert für diese Größe eines gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Wellenmotors ein Megawatt Wellenleistung.

Da recht erhebliche Wasservolumen verarbeitet werden, muß dieses Volumen schließlich in den Ozean zurückgeführt und abgeleitet werden, und zwar mit so wenig Energie wie möglich. Um diesen Ablagerungsverlust bzw. Förderverlust zu minimieren, muß die Endgeschwindigkeit gering sein, und die Endaustrittsfläche muß groß sein im Vergleich zu der Eintritts-Abgabefläche. Diese Funktion wird durch einen Verteiler am unteren Ende des Standrohres erhöht.

Zusammenfassend ist bezüglich der oben beschriebenen fünf Schritte festzustellen, daß die Wellenfront aufgenommen und durch die brechende horn-/rampenförmige Hülle konzentriert und durch den betreffenden rampenförmigen Teil in einen kinetischen Impuls überführt wird. Der betreffende Impuls wird kurzzeitig von dem Flüssigkeits-Schwungrad als Winkeldrehmoment gespeichert (noch kinetisch), und das betreffende Moment wird allmählich in eine gleichförmige Wellendrehenergie (kinetische Energie) umgesetzt, wobei in der Austrittsströmung gerade genügend Energie verbleibt, um das Strömungsvolumen ständig und nahezu unmerklich über eine große Endabgabefläche zu bewegen.

Die Theorie, welche die in Fig. 2 dargestellten Brechungs-Strahlungsbahnen betrifft, ist lediglich für den Fall gültig, daß die Tiefe d größer ist als etwa eine Wellenhöhe (a); bei-dieser Tiefe wird die oszillierende Welle plötzlich zu einem Brecher. Die Bahn der Brecher wird durch komplexe hydrodynamische .Betrachtungen festgelegt; die Brecher brechen sich dabei nicht mehr zur Mitte hin. Demgemäß ist es von der Kante der Surf-Zone

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-ar-

nach innen hin erforderlich, die Brecher mit Hilfe von Führungsflügeln zu leiten.

Die Wahl der Führungsflügelform kann von der Anbringungsstelle des Wellenmotors abhängen. In der offenen See können Wellen von irgendeiner Richtung her eintreffen, und tatsächlich treffen normalerweise Wellen auf einmal aus verschiedenen Richtungen ein. Die Führungsfluge!anordnung sollte daher achsensymmetrisch ausgebildet sein, damit der Wellenmotor rundum anwendbar ist.

Näher bei der Küste bzw. dem Strand liegende Anbringungsstellen nehmen wahrscheinlich Wellen hauptsächlich aus einer einzigen Hauptrichtung auf. In einem solchen Fall brauchen die Führungsflügel nicht achsensymmetrisch verteilt zu sein«, Eine gewisse Steigerung im Wirkungsgrad tritt dann auf, wenn die äußeren Teile der betreffenden Flügel so geformt sind, daß sie im wesentlichen mit den Strahlungs- bzw. Strahlbahnen übereinstimmen.

In Fig. 3 ist schematisch eine Draufsicht einer einlaßseitigen Führungsflugelanordnung dargestellt, die für den Einsatz in der offenen See beabsichtigt bzw. vorgesehen ist. Ein typischer Wellenleiter 30 weist einen äußeren Teil 31 auf, der radial zur Kante der Surf-Zone verläuft. Der innere Teil 32 der betreffenden Anordnung ist so geformt, daß er eine Strömung tangential in das Fluid-Schwungrad 34 hineinleitet. Die Pfeile 35,36 und 37 deuten typische Strahlbahnen an, die sich aufgrund der Brechung an der Kante der hier als Surf-Zone bezeichneten Wellenzone ergeben.

in Fig. 4 ist schematisch eine Draufsicht einer elnlaßseitigen Führungsflügelanordnung dargestellt, die für den Einsatz nahe einer Küsten- bzw. Strandanördnung vorgesehen ist. In diesem Fall ist der äußere Teil 41 des

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jeweiligen FührungsflügeIs 40 derart geformt, daß er etwa mit einer nahen Strahlbahn übereinstimmt. Dies kann zu einer gewissen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades aufgrund einer verminderten Turbulenz führen. Der innere Teil der Wellenleiter bzw. Wellenführungen leitet die Strömung tangential in das Fluid-Schwungrad 44 ein, und zwar genau in der Weise, wie im Falle der Fig. 3.

Bs gibt eine optimale Form für den inneren Teil der einlaßseitigen Flügel 30 oder 40, durch die das Flüssigkeits-Schwungrad angetrieben wird. Die Flügel sollten das eintreffende Wasser tangential auf dem Drehradius bzw. Wirbelradius 38 oder 48 des Fluid-Zylinders leiten. Dieser ist mit dem 0,707-fachen des äußeren Radius des Zylinders festgelegt. Unter der Annahme einer festen Körperdrehung des Wasserzylinders, der das Flüssigkeits-Schwungrad darstellt, existiert keine Relativbewegung zwischen dem eingeleiteten Wasser und dem Schwungrad-Wasser. Dies bedeutet, daß minimale Turbulenzverluste auf dem Wellenradius vorhanden sind. Das zugeführte Winkeldrehmoment ist gleich dem abgegebenen Winkeldrehmoment. Wenn der Antriebspunktradius größer ist, dann muß das Wasser beschleunigt werden und sich schneller drehen, um das Winkeldrehmoment zu erhalten. Dies ist mit Rücksicht darauf unerwünscht, daß dies zu Turbulenzverlusten beiträgt und daß die radiale Verteilung der Winkelgeschwindigkeit zu einem schwierigeren Turbinenrad aufbau führt. Wenn der radiale Punkt, an dem die Strömung eintritt, auf einem Radius liegt, der kleiner ist als der Wellenradius, dann muß das Wasser auf einem größeren Radius abgebremst werden. Dies ruft ebenfalls eine Turbulenz hervor und führt zu einem komplexen Turbinenradaufbau.

In Fig. 5 ist ein typisches Leistungsspektrum für die

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in Ozeanen vorhandene Wellenergie in Abhängigkeit von . der Wellenfrequenz F veranschaulicht» Die tatsächliche Wellenenergieverteilung hängt in gewissem Ausmaß von der geographischen Lage ab. So sind beispielsweise sehr lange periodische Wellen in der Antarktis weiter verbreitet als an den meisten übrigen Stellen« In Fig. 5 ist eine Hauptenergiekonzentration innerhalb einer breiten Spitzenwert-Mitte nahe —=1=7 Sekunden veranschaulicht» Der Periodenbereich von 5 see bis 10 see umschließt den größten Teil dieser Energiekonzentration, wodurch die Auswahl einer 7-sec-Periode als mittlerer Entwurfpunkt nahegelegt ist.

In Fig. 6 ist die erste Ausführungsform der Erfindung in ihrem Betriebs- bzw. Arbeitsbereich veranschaulicht. Es sei darauf hingewiesen, daß die betreffende Vorrichtung nahezu vollständig untergetaucht ist. Dabei ragen lediglich die Führungsflügel und das kleine kuppeiförmige Gehäuse der Lasteinrichtung aus dem Wasser heraus. Ein Hauptproblem bei der Auslegung von Wellenenergie-Gewinnungsmaschinen ist bisher die Unvermeidbarkeit von gelegentlich auftretenden gewaltigen Stürmen gewesen. Es ist häufig vorgeschlagen worden, eine derartige Anordnung in Erwartung eines Sturmes vorsichtig abzusenken, um einen Schutz vor Beschädigung zu erreichen. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist nahezu die gesamte Struktur bereits vollständig untergetaucht. Der Einlaß zu dem Fluid-Schwungrad besitzt eine endliche Fluiddurchlaßkapazität, welche die inneren Teile, wie die Turbine, gegen Überlastung schützt. Der übrige kleine Aufbau kann so ausgelegt werden, daß er dem Passieren von gewaltigen Wellen, die über ihn vollständig hinweggehen, widersteht.

In Fig. 7 ist ein Teil einer alternativen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der der Wellenkonzentrator eine Hornstruktur umfaßte Die gesamte

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Horneinrichtung kann vom Ozeanboden in relativ seichtem Wasser getragen sein, oder sie kann schwimmen. Das Horn weist zwei gegenüberliegende Wandteile 53 und 54 auf, die an einem ersten, das Mundstück 55 umfassenden Ende voneinander in Abstand vorgesehen sind und die am anderen Ende zu einem Halsbereich 56 zusammenlaufen. Die Öffnung kann dabei irgendeiner geeigneten Kurve folgen, welche ein Kriterium bezüglich der Nicht-Reflexion erfüllt, worauf weiter unten noch eingegangen werden wird. Die Kuppen der eintreffenden Ozean-Oberflächenwellen sind mit 57 bis 60 angedeutet.

Die Anordnung gemäß Fig. 7 ist in einer Schnittansicht in Fig. 8 schematisch dargestellt. Wie deutlich hervorgeht, besitzen die Wellenberge 57 bis 60 eine zunehmende Amplitude in der Ausbreitungsrichtung 61, und zwar von dem Mundstück 55 zu dem Halsteil 56 hin.

Der Boden der in Fig. 7 und 8 dargestellten Anordnung besitzt eine Rampenkontur bzw. die Form einer schiefen Ebene. Durch diese Form des Bodens wird bewirkt, daß die sich ausbreitenden Oberflächenwellen ansteigen und sich brechen. Wie aus Fig. 8 deutlich hervorgeht, folgt der Boden 52 einer glatten Kurve, die von dem Mundstück zu dem Halsteil 56 in Richtung des Pfeiles 61 sich ausbreitet. Die Wellenberge 57 bis 60 verlangsamen sich fortschreitend, bis "sie plötzlich zusammenbrechen, wie dies an der Stelle 60 angedeutet ist.

In Fig. 9 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Wellenmotors veranschaulicht. Diese Ausführungsform enthält ein Wellen-Konzentratorhorn des in Fig. 7 und 8 dargestellten Typs. Der Hornteil 69 ist durch Wandteile 71 und 72 festgelegt, die von dem Mundteil 73 aus zu dem Halsteil 74 hin zusammenlaufen. Die Tiefe des Hornes 69 kann gleichmäßig bis zu der Vorderkante des

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Rampenteiles 75 sein. Der Rampenteil 75 wird in Richtung des Pfeiles 76 allmählich schwächer. Das Ansteigen der Oberflächenwellen findet in dem flachen Rampenteil des Wellenkonzentrators statt. Die ansteigenden und sich brechenden Wellen treten in den Behälter 77 tangential in Richtung des Pfeiles 78 ein. Dies führt zum Auftreten eines Strudels bzw. einer Turbulenz in dem betreffenden Behälter. Aus Fig. 10 kann ersehen werden, daß der Behälter durch ein Wandteil 79 festgelegt ist. Ein Abgabe-Verteiler 80 befindet sich unterhalb der Mitte des Bodens des betreffenden Behälters; er ist mit einem Einlaß 81 versehen. In der Mitte oberhalb des betreffenden Verteilereinlasses 81 befindet sich ein Wasserturbinenrad 82. Das Wasserturbinenrad 82 ist in geeigneter Weise angeordnet, um die Welle 83 zu drehen. Ein elektrischer Generator oder eine andere Lastein™ richtung 84 ist mit dem oberen Ende der Welle 83 ver. bunden. Durch das Wasserturbinenrad 82 und durch den Abgabeverteiler 80 hindurchtretendes Wasser wird in Richtung der Pfeile 86 und 87 in den Ozean zurückgeleitet.

Die Lasteinrichtung 84 kann eine Wasserpumpe oder eine andere Gebrauchseinrichtung anstelle eines elektrischen Generators sein. Verschiedene Einrichtungen sind für die Abgabe der erzeugten Leistung von dem Generator an die Küste bzw. den Strand angewandt worden. Zusätzlich zu der hier beschriebenen Technik der Erzeugung elektrischer Leistung kann als weitere Alternative die Erzeugung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas durch Elektrolyse von Seewasser angesehen werden. Die erzeugten Gase werden dann durch Rohrleitungen an die Küste bzw. den Strand geleitet.

In Fig. 11 ist eine Modifikation der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung dargestellt. Dabei ist der Behäl-

terteil imstande, Öl von der Ozeanfläche aufzunehmen. Bei dieser Konstruktion geben die Rampe bzw. die schiefe Ebene 90 und das Horn 91 eintreffende Impulse von nahezu reiner kinetischer Energie in Richtung des Pfeiles 92 an den konisch geformten Behälter 93 ab, der durch das Wandteil 94 festgelegt ist. Aufgrund der konischen Form erfordert die Umsetzung des Winkeldrehmoments, daß die Rotationsgeschwindigkeit zunimmt, wenn sich die Fluids nach unten bewegen. Das wirbelnde Wasser oder der Strudel innerhalb des Behälters 93 weisen eine abgesenkte Oberfläche 95 auf. Das von dem Wasser durch Zentrifugalwirkung getrennte Öl 9β wird auf der abgesenkten Oberfläche des sich verwirbelnden Wassers in dem Behälter 93 fließen. Das Seewasser wird von der Unterseite des Behälters 93 durch den Abgabeverteiler 97 abgeführt. Eine Stauhutze, die in dem Rohr 98 endet, ist mit ihrer Einlaßseite innerhalb des Behälters 93 angeordnet, und zwar in dem oberen Teil des von dem Oberflächenöl eingenommenen Strudels. Das von der Stauhutze und dem Rohr 98 gesammelte Öl kann in einen geeigneten Behälter 99 abgeführt werden. Die gesamte Vorrichtung gemäß Fig. 11 kann beweglich ausgebildet sein, indem ihre wesentlichen Elemente in einen Spezialschiff untergebracht werden. Ein derartiges Schiff kann dann einen Ölschlick verfolgen bzw. aufnehmen und das Öl in Lagerbehälter . zurückführen.

Eine dritte Ausführungsform mit den wesentlichen Merkmalen der Erfindung ist in einer Draufsicht in Fig.12 gezeigt und in einer Querschnittsansicht in Fig. 13 sowie in einem Längsschnitt in Fig. 14. Diese Ausführungsform ist besonders gut für die Anbringung nahe des Ufers bzw. Strandes in ziemlich seichtem Wasser geeignet. Um die Arbeitsweise vollständig zu verstehen, dürfte es von Nutzen sein, sich daran zu erinnern, daß ein allmählich schräg abfallender Seeboden eine Brechungsstruktur darstellt. Die mehr oder weniger

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zufällig gerichtet auftretenden Wellen in der offenen· See, die auf eine solche allmähliche Schräge auftreffen, \irerden derart gebrochen, daß sie sich der Küstenlinie in Strahlbahnen nähern, die nahezu rechtwinklig zu der betreffenden Küste verlaufen, und zwar unabhängig von ihrer ursprünglichen Richtung« Diese natürliche Seebodenform stellt tatsächlich einen Teil des Systems dar, \tfelches dazu dient, die Wellen in einer kontrollierten und vorherbestimmten Annäherungsrichtung festzulegen» An vielen Stellen treten die natürlichen Konzentrationswirkungen aufgrund der Einzelheiten der Küstenlinie und der Seebodenkonturen auf, welche an besonders geeigneten Stellen für durch Wellen gespeiste Motoren vorgesehen sind.

In einem derartigen Fall braucht die Endkonzentration der Wellenenergie lediglich in der vertikalen Richtung mittels einer geformten Schräge bzw. Rampe hervorgerufen zu werden, welche das Kriterium für eine· Nichtreflexion erfüllt, worauf weiter unten noch eingegangen werden wird. Gemäß Fig. 12 verläuft der das Fluid-Schwungrad enthaltende zylindrische Behälter 101 in horizontaler Richtung, und zwar im wesentlichen parallel zu der Küstenlinie und den Wellenfronten. Die Schräge bzw. Rampe 100 verläuft im wesentlichen über die gesamte Länge des Zylinders; sie leitet die Brecher tangential an der Oberseite in das Fluid-Schwungrad ein. Der rotierende Wasserzylinder wandert in horizontaler Richtung zu dem Turbinenrad an einem Ende des zylindrischen Behälters 101 hin. Das aus dem Turbinenrad auslaufende Wasser gelangt durch einen radialen Verteiler 104, wodurch das Wasser mit niedriger Endgeschwindigkeit in die See zurückgeführt wird.

In Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht der betreffenden Ausführungsform dargestellt. Die Rampe bzw. Schräge leitet den Brecher tangential in das Fluid-Schwungrad

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ein. Das horizontale Schwungrad besitzt eine etwas variable flache Stelle 109 an der Oberseite, und zwar mit Rücksicht auf das schwankende Wasservolumen in dem horizontalen Zylinder 101. Das Winkeldrehmoment ist jedoch noch beibehalten.

In Fig. 14 ist eine Längsschnittansicht der dritten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist eine Turbine vom radialen Einströmungstyp dargestellt. Außerdem ist die Verwendung eines radialen Verteilers bzw. Leitapparates 104 veranschaulicht. Die Turbine treibt über die Welle 106 die durch ein rechteckiges Kästchen dargestellte Getriebeanordnung an. Die zweite Welle verbindet das Getriebe mit einer Lasteinrichtung 108.

Sämtliche beschriebenen Ausführungsformen verwenden hornartige Einrichtungen, um die Wellenenergie zu konzentrieren, bevor sie als eine große Translationswelle in das Fluid-Schwungrad eintritt. Die anfangs beschriebene Ausführungsform nutzt eine geformte Kuppel aus, welche die Energie in vertikaler Richtung durch ihre fortschreitend kleiner werdende Form zusammendrückt und die Wellen durch Brechung leitet anstatt durch die Hornseitenwände. Die zweite Ausführungsform nutzt sowohl einen geformten Boden zur vertikalen Druckausübung auf die Wellen als auch Seitenwände aus, um die Wellenfront in horizontaler Richtung zusammenzudrücken. Die dritte Ausführungsform nutzt eine geformte Rampe bzw. Schräge aus, um der Energie lediglich in vertikaler Richtung einem Druck auszusetzen, da angenommen ist, daß die Wellen bereits durch die natürlichen Brechungsformationen in gewissem Ausmaß einer Behandlung ausgesetzt waren.

In sämtlichen Fällen ist es von Bedeutung, daß die Wellenenergie-Konzentrationsstruktur und die Wellenenergie-Übertragungsstruktur wirksam sind, ohne daß

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bedeutende Energiemengen reflektiert werden, da nämlich jegliche reflektierte Energie niemals das Turbinenrad erreichen kann. Die Vermeidung einer Reflexion ist dabei äquivalent der Erzielung einer Impedanzanpassung zwischen der Wellenfront und dem Eintrittsmundstück des hornartigen Konzentrators. Da in sämtlichen Fällen der Halsbereich mit einem Energie-Absorptionsabschluß (dem Fluid-Schwungrad) verbunden ist, ist der das Vorhandensein einer Nichtreflexions-Impedanzanpassung oder einer Reflexions-Fehlanpassung bestimmende entscheidende Faktor die effektive Grenzfrequenz der hornartigen Struktur, wie dies weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden wird. Abänderungen hinsichtlich des Aufbaus oder der Anordnung sind in großer Zahl möglich. So stellen beispielsweise viele Kuppelkonturen geeignete Brechungsmuster dar. Dasselbe Ausmaß an Veränderbarkeit ist auch für die Hörner und Rampen bei der ersten und dritten Ausführungsform maßgebend.

Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, ein einfaches Kriterium dafür abzuleiten, sämtliche Ausführungen zu überprüfen, um zu bestimmen, ob die höchste Grenzfrequenz längs einer Hornachse eine Impedanzfehlanpassung und dadurch eine Energiereflexion hervorrufen könnte oder nicht. Dieses Kriterium wird in der nachstehend beschriebenen Weise abgeleitet. Dabei wird ein einfaches Anwendungsbeispiel angegeben werden.

Zunächst sei das an sich bekannte exponentiell verlaufende akustische Horn betrachtet (bei dem es sich tatsächlich um einen speziellen Fall einer etwas größeren Familie von Hörnern handelt, die als hyperbolische Hörner bekannt sind). Das exponentielle Horn ist definiert als ein Horn mit einer Querschnittsfläche S, die von einem Halsbereich S entsprechend der nachstehend angegebenen Beziehung in axialer Richtung wächst:

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S = S₀ exp 2 k_cx ,

wobei χ der Abstand von dem Hals und k„ die Hornstrahlerkonstante bzw. Öffnungskonstante oder Wellenzahl bei der Abtrennung bedeuten. Die Größe lieh wie folgt geschrieben werden:

der Abtrennung bedeuten. Die Größe k kann verschiedent-

^27rfc _ 2JT
^c " ^c " λ_ο '

wobei f als Grenzfrequenz bezeichnet wird und wobei λ die Wellenlänge bei der Grenzfrequenz bedeutet. Mit c ist die Schallgeschwindigkeit bezeichnet. Jegliche Frequenz, die größer ist als die Grenzfrequenz, kann sich als ebene Wellen längs der Hornachse ausbreiten. Jegliche Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz kann sich in dem Horn nicht ausbreiten; sie wird vielmehr von dem Mundstück des Hörnes reflektiert.

Die Grenz-Wellenzahl k kann in einer noch v/eiteren

brauchbaren Weise bzw. Form geschrieben werden. Unter Heranziehung der ersten Ableitung der Fläche S in bezug auf die axiale Position χ erhält man:

S' = 2 k_c S₀ exp 2 k_c x,
woraus folgt, daß

und damit gilt

f - ^c §L' c ~ "Kr S

Da zugrundeliegenden Wellengleichungen, die akustische Wellen und Oberflächenwellen (sowie elektromagnetische und andere Wellen) betreffen, mathematisch von identischer Form sind, können Hörner in analoger Weise verwendet und in sämtlichen derartigen Bereichen untersucht werden. Dabei existiert jedoch eine Komplikation. Die

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Geschwindigkeiten von Schallwellen und von elektromagnetischen Wellen sind unabhängig von deren Frequenz (gegenseitig phasenstarre Wellen), während demgegenüber die Geschwindigkeit von Oberflächenwellen sowohl von der Frequenz als auch von der Tiefe des Wassers abhängt CStreuungs-Wellen). Bei Vorgabe eines beliebigen Hornes entsprechender Form wird der Koordinatenursprung χ = ο in der Tiefe gewählt, in der die Wellen brechen« Dies erfolgt etwa an der Stelle, an der die Tiefe gleich einer typischen Wellenamplitude ist. Die von der neutralen Wasseroberfläche umschlossene Querschnittsfläche, die Rampe bzw. Schräge und die tatsächlichen oder angenommenen Seitenwände bei χ = o, wird mit S berücksichtigt. In entsprechender Weise kann die Größe S an irgendeiner anderen Stelle χ berechnet oder gemessen werden. Schließlich kann S¹ an irgendeinem Punkt approximiert werden, und zwar als:

S' S

wobei S₂ die Fläche bei x₂ und S^ die Fläche bei x^ , bedeutenj mit X₂ und x,. sind Nachbarpunkte nahe von X bezeichnet.

Die beliebige Hornkontur zwischen X₂ und x^ kann als kurzes Segment eines exponentiellen Horns betrachtet werden, welches dieselben Flächen S₂ und S^, denselben Abstand von dem Ursprungspunkt χ und dieselbe Halsfläche S besitzt. Die Öffnungskonstante der betreffen den Kontur beträgt k„ (eine Funktion von x), und die Grenzfrequenz für das kurze Segment X₂ - x., beträgt •p - ^c HL
¹C ~ W S '

In diesem Ausdruck ist die Welle als Streuwelle zu betrachten. Die Wellengeschwindigkeit c kann entsprechend folgendem Ausdruck bes_timmt werden:

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^27rd ^f

β c

^c = τ#3ς ^tanh —5—

wobei g die Erdbeschleunigung und d die örtliche Tiefe bedeuten. In den meisten interessierenden Fällen treten Reflexionen aufgrund eines übermäßig hohen Wertes von f mit hoher Wahrscheinlichkeit an seichten Stellen auf. Hex seichtem Wasser existiert ein Annäherungswert für dieselbe Geschwindigkeit

c =

Schließlich gilt

. _ c S'

¹C - W S"

- l^/gd Si

- "TW S *

Anhand eines einfachen Beispiels soll die Anwendung dieses Kriteriums veranschaulicht werden, um die Auswahl eines nicht reflektierenden Wellenkonzentrationshornes zu gewährleisten. Es sei angenommen, daß eine gerade profillose Rampe im Hinblick auf die dritte Ausführungsform berücksichtigt wird und daß das Horn als nichtreflektierendes Horn erforderlich ist für Wellen mit einer Periode von 10 Sekunden (f = 0,1 Hz).

Bei einer konservativen Anordnung wird f„ um eine Oktave niedriger festgelegt, was bedeutet, daß £ = 0,05 Hz beträgt.

Da bei der dritten Ausführungsform lediglich die Rampe benutzt wird, sei angenommen, daß die Hornbreite konstant ist und daß folgende Beziehung gilt:

S _ d

wobeid die Wassertiefe bedeutet, in der eine Brechung erwartet wird, d.h. eine Tiefe, die gleich einer An-

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ordnungs-Wellenhöhe (a) ist, die mit einem Meter angenommen wird. Sodann gilt für eine gerade Rampe:

d = m χ + a_s

wobei m die Steigung bzw. Neigung der Rampe bedeutet. Damit gelten folgende Beziehungen;

^f c - ~W B"

mx + a) m

m + a

f_ = I _ÜL

mx + a

Es dürfte ersichtlich sein, daß der maximale Wert von f bei x=0 liegt. Da a = 1 Meter beträgt, gilt

f = ^m
mit m = 4 (0,05)=0,2.

Um das vorausgewählte Kriterium zu erfüllen, kann die Neigung bzw» Steigung nicht 0,2 überschreiten. Dies entspricht einer Steigung bzw. Neigung von 12° in bezug auf die Horizontale.

Das Vorhandensein dieses in weitem Umfang anwendbaren Kriteriums ermöglicht es, jegliche hornartige Struktur als nicht-reflektierende oder als ziemlich reflektierende Struktur für irgendeinen gewählten Anordnungsgrenzbereich zu klassifizieren. Der Begriff "nichtreflektierend" ist aus praktischem Grunde heraus nahezu äquivalent einer angepaßten Impedanz. Für die vorliegenden Zwecke können die Begriffe "nicht reflektierendes" oder "in der Impedanz angepaßtes" Horn dazu herangezogen werden, eine Angabe darüber zu liefern, daß das gerade entv/ickelte Kriterium erfüllt ist.

Es ist von Bedeutung; darauf hinzuweisen, daß der Hornhalsteil stets an der Stelle vorgesehen ist, an der das

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Brechen der Welle erwartet wird. Die Wirkung der Brechungseinrichtung stellt einen abrupten übergang vom oszillierenden Wellenverhalten - wie es etwa durch die Wellengleichung festgelegt ist - zu einer großen primären Translationswelle dar. Der Translationsbrecher stellt eine sehr komplexe nichtlineare Anordnung dar, die überhaupt nicht der Wellengleichung unterworfen ist und die mehr durch die Teilchen-Bewegungslehre und durch die hydrodynamische Bewegungslehre festgelegt ist. Infolge dieses abrupten Übergangs von den sich ausbreitenden Wellen zu der Brandung sind die Brechungsberechnungen lediglich nahe des Beginns der Brandungszone gültig. Über diesen Punkt hinaus sollte die Brandung durch die einlaßseitigen Führungsblätter geführt bzw. geleitet v/erden. In entsprechender Weise wird das Horn-Grenzkriterium lediglich auf den außerhalb der Brandungszone sich befindenden Ausbreitungs-Wellenbereich angewandt; das betreffende Kriterium besitzt in der Brandung keine Bedeutung.

Im Zuge der Beschreibung der dritten Ausführungsform, bei der lediglich eine geformte Rampe verwendet ist, ist die Rampe bzw. Schräge als die Energie in vertikaler Richtung konzentrierende Einrichtung beschrieben worden. Dies mag eine gewisse Klärung erforderlich machen. Der in weitem Umfang benutzte Ausdruck "Oberflächenwelle" stellt eine gewisse fälschliche Bezeichnung dar. Sowohl Druckstörungen als auch kreisförmige Umlauf-Partikelgeschwindigkeiten, die der sinusförmig gestörten Oberfläche zugehörig sind, dauern mit einer exponentiell abnehmenden Amplitude in großen Tiefen an. Unter Berücksichtigung der gesamten durch eine derartige Welle übertragenen Leistung ist es erforderlich, das Produkt des zyklischen Drucks und der Partikelgeschwindigkeit zu integrieren, und zwar in idealer Weise bis zu unendlicher Tiefe. Damit dient in einem sehr realen Sinne eine nach oben schräg verlaufende Rampe - die keine

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Energie reflektiert - dazu, den Energiefluß in einen kleineren Querschnittsbereich zu komprimieren,, Damit ist eine entsprechende Zunahme der Höhe der Wellen vorhanden. Die Energiekompression von einer weiten Wellenfront zu einer schmaleren Wellenfront in einer horizontalen Richtung dürfte ohne weiteres verständlich sein₀ Auch dieser Vorgang wird von einer entsprechenden Zunahme der Wellenamplitude begleitet»

Durch die Erfindung ist also eine Vorrichtung zur Umsetzung der ozeanischen Oberflächenwellenenergie in eine brauchbare kine_±ische Rotationsenergie geschaffen» Ein Brechungshorn und eine Rampe sorgen für eine reflexionslose Impedanztransformation der ozeanischen Oberflächenwellenenergie an der Eingangsseite des Systems. Die Wellenenergie, die in Form von Brechern vorliegt - bei denen es sich um massive Impulse aus im wesentlichen reiner kinetischer Energie handelt - werden von der Austrittsseite des Hornes/ der Rampe sodann geglättet und direkt in eine mechanische Drehung umgesetzt. Die Glättung erfolgt durch die Trägheitseigenschaften eines "Flüssigkeits-Schwungrades". Die kinetische Rotationsenergie kann mittels einer Turbine gewonnen werden, um eine brauchbare Arbeit bereitzustellen. Das abgeleitete Wasser wird in den umgebenden Ozean durch einen mit niedriger Endgeschwindigkeit arbeitenden Verteiler zurückgeführt. Die gesamte Struktur kann außernalb der Küste bzw» des Strandes angeordnet sein, und die abgegebenen Fluids können für zusätzliche Zwecke ausgenutzt Xferden.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LisKA 2Qf)R17L

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Patentansprüche

Motor, der durch sich ausbreitende Wellen gespeist ist, gekennzeichnet durch eine Impedanztransformationseinrichtung (1), welche Oberflächenwellen aufnimmt, die zumindest teilweise potentielle Energie enthalten, und welche diese potentielle Energie in kinetische Energie umsetzt, durch eine Trägheitseinrichtung, die mit einem Eingang an der Impedanztransformationseinrichtung derart gekoppelt ist, daß sie die betreffende kinetische Energie aufnimmt und kurzzeitig speichert, und die einen Ausgang aufweist, von dem eine ständige allmähliche Ableitung der kinetischen Energie vornehmbar ist, und durch eine Verteilereinrichtung (13), die das Mittel, innerhalb dessen sich die Oberflächenwellen ausgebreitet haben, nach erfolgtem Motor-Durchtritt abzuleiten gestattet.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanztransformationseinrichtung ein Brechungshorn (69) mit einem nahezu nichtreflektierenden Hornstrahler enthält.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanztransformationseinrichtung ein nach oben konvex zulaufendes Hüllenteil (1) aufweist, dessen Mittelachse vertikal angeordnet ist und welches an seinem Scheitelpunkt eine erste Öffnung und an seiner Unterseite eine zweite Öffnung aufweist.

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4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitseinrichtung einen hohlen kreisförmigen Behälter (8) aufweist, der einen tangential angeordneten Einlaß aufweist, welcher mit der Impedanztransformationseinrichtung derart gekoppelt ist, daß der Eingangsseite eine Strudelbewegung erteilbar ist.
5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinrichtung (13) ein Auslaßrohr mit zunehmendem Querschnitt enthält, welches in axialer Richtung bezogen auf die Austrittsseite der Trägheitseinrichtung angeordnet ist.
6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinrichtung eine Austrittsleitung mit zunehmendem Querschnitt auf v/eist, die in radialer Richtung bezogen auf die Austrittsseite der Trägheit seinrichtung angeordnet ist.
7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumsetzeinrichtung zur Abgabe kinetischer Energie mit der Ausgangsseite der Trägheitseinrichtung derart verbunden ist, daß die kinetische Energie in eine ständige Drehbewegung umsetzbar ist.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumsetzeinrichtung .einen elektrischen Leistungsgenerator, enthält.
9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Trägheitseinrichtung eine Rohrleitungseinrichtung mit einem Einlaßanschluß vorgesehen ist, daß mit Hilfe der betreffenden Rohrleitungseinrichtung ein Teil des Wellenträgers ableitbar ist, innerhalb dessen sich die Oberflächenwellen ausbreiten, und daß die betreffende Rohrleitungseinrichtung

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einen Auslaßanschluß aufweist, durch den der be tre5fende ¥ellenträgerteil nach außen von der Trägheitseinrichtung abgebbar ist.
10. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitseinrichtung einen kreisförmigen Behälter mit einem Einlaß und einem Auslaß aufweist und daß an dem genannten Einlaß Drehflügel derart vorgesehen sind, daß sie dem Mittel, innerhalb dessen sich die Wellen ausbreiten, eine Wirbelbewegung erteilen.
11. Motor nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumsetzeinrichtung eine Turbine enthält.
12. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Trägheitseinrichtung zuzuführende Eingangsgröße auf deren Drehradius ausübbar ist.
13. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Trägheitseinrichtung horizontal verläuft.
14. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsteil des Hornes parallel zur Achse der Trägheitseinrichtung verläuft.
15. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanztransformationseinrichtung eine nicht reflektierende Rampe (100) enthält.
16. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die sich drehenden Flügel derart geformt sind, daß sie mit Brechungs-Strahlbahnen (31,33) übereinstimmen.
17. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brechungshorn mit einem Mundteil und einem Halsteil vorgesehen ist, daß eine solche nichtreflektie-

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rende Transformation der an dem Mundteil auftretenden Oberflächenwellen erfolgt, daß an dem Halsteil Impulse mit im wesentlichen kinetischer Energie auftreten, daß ein hohles zylindrisches Standrohr (8) mit einem Einlaßende und einem Auslaßende vorgesehen ist, daß das Einlaßende mit dem Halsteil des Brechungshornes derart verbunden ist, daß das betreffende Standrohr die Impulse aus kinetischer Energie aufzunehmen und kurzzeitig zu speichern vermag, und daß eine Turbineneinrichtung mit einer Abtriebswelle vorgesehen ist, wobei diese Turbineneinrichtung die von dem Standrohr abgegebene kinetische Energie aufnimmt und ihrer Abtriebswelle eine kontinuierliche Drehbewegung erteilt.

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