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"Wellenkraftwerk"
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Zusatz zu Patent... (Patentanmeldung P 27 36 640.1-15) Gegenstand
der Hauptanmeldung ist ein stationäres Kraftwerk im Schelf des Meeres, bei dem eine
Brücke in Fachwerk- oder ausgesteifter Rohrkonstruktion tragender Kern eines zylindrischen
Stahlbaukörpers ist und die genannte Brücke um ihre Längsachse drehbar gelagert
ist in mindestens einem Lager, das an einem auf dem Meeresboden verankerten Pfeiler
auf-und abbeweglich geführt ist, und der zylindrische Stahlbaukörper mit auf seiner
Mantelfläche angeordneten Schaufeln von oben her in den Wellengang eintaucht und
Antrieb für mindestens einen Generator ist.
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Die vorliegende Anmeldung betrifft vorteilhafte Ausgestaltungen der
Haupterfindung. Gegenüber diesen Ausgestaltungen ist die Haupterfindung teils vorveröffentlicht,
teils aufgrund der Prioritätsbeanspruchung für die vorliegende Anmeldung nicht.
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In Ausgestaltung der Haupterfindung wird vorgeschlagen, die Schaufeln
mit auf die vorwärts gerichtete Horizontalkomponente und/oder die aufwärts gerichtete
Vertikalkomponente der Wellenbewegung des Wassers ausgerichteten Anstoßflächen auszubilden.
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Schaufeln Die in der Hauptanmeldung vorgeschlagenen/beinhalten zwar
analog zu den Schaufeln von Wasserrädern, Turbinen, Ventilatoren usw. Anstoßflächen.
Diese sollen jedoch nach der Lehre der vorliegenden Zusatzanmeldung hervorgehoben
und auf die Verhältnisse der Wellenbewegung hin ausgerichtet und möglichst optimal
nutzbar gemacht werden, während in der Hauptanmeldung mehr Gewicht auf einer Ausbildung
der Schaufeln als taschenförmiger Hohlkörper liegt.
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Damit können die Schaufeln auch ganz neuartige Formen erhalten.
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Gemäss Zusatzerfindung wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen,
die Schaufeln als axial auf der Mantelfläche des zylindrischen Stahlbaukörpers aneinandergereihte,
ringförmige Erhebungen mit nach außen abnehmendem, vorzugsweise etwa dreieckigem,
Querschnitt auszubilden.
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Diese Erhebungen bieten trotz ihrer Erstreckung in der Bewegungsrichtung
Anstoßflächen damit, daß die Zwischenräume zwischen den Erhebungen in Tangentialrichtung
zur senkrechten Mittelebene hin enger werden bzw., anders ausgedrückt, die Seiten
der Erhebungen schräg zur Bewegungsrichtung der Wellen stehen, wie unten noch verdeutlicht
werden wird.
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Bedeutender Vorteil dieser Ausbildung ist, daß die Schaufeln keinen
den Durchgang durch das Wasser hemmenden Widerstand haben und da, wo sie wieder
aufsteigen, in keiner Weise Wasser schöpfen und mitnehmen können, was der Drehung
entgegenwirken würde. Die Mantelfläche des rotierenden Stahlbaukörpers kann ganz
geschlossen und dicht sein. Auch Windkräfte können an der so gestalteten Mantelfläche
nicht entgegen der Drehung angreifen. Die Wellen üben auf die ringförmigen Schaufeln
keinen Schlag aus, der das ganze Bauwerk belastet; sie werden langsamer während
des Durchgangs in den Zwischenräumen der Erhebungen abgebaut.
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Der rotierende Stahlbaukörper erreicht damit eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit.
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Vorzugsweise taucht der zylindrische Stahlbaukörper nur mit einem
kleinen Bruchteil, am besten höchstens bis zu 1/4, der radialen Höhe der ringförmigen
Erhebungen in das Wasser, bezogen auf ruhige See. Anders betrachtet taucht der zylindrische
Stahlbaukörper vorzugsweise so weit ein, daß die Wellen im Durchschnitt nur etwa
bis zum Grund zwischen den Erhebungen hinaufreichen.
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Die radiale Höhe der Erhebungen dürfte zweckmässigerweise 4 - 8 m,
vorzugsweise 5 - 7 m, betragen.
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Im folgenden werden weitere Ausgestaltungen der Haupterfindung vorgeschlagen,
die jedoch für die Zusatzerfindung von besonderer Bedeutung sind.
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Die Mantelfläche des zylindrischen Stahlbaukörpers kann dicht oder
mit dichten Zellen versehen sein, so daß der Stahlbaukörper im Wasser Auftrieb erhält.
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Der Stahlbaukörper kann statt schwimmender Abstützung auf Auftriebskörpern
über Hydraulikzylinder an dem Pfeiler bzw. den Pfeilern aufgehängt sein, die auf
Zug sowie auf Druck beanspruchbar sind. Je nach Gestaltung der Schaufeln kann die
Wellenkraft unter Umständen besser ausgenutzt werden, wenn der Stahlbaukörper nicht
vom Wasser gehoben werden kann und damit ausweicht.
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Der Stahlbaukörper kann an zwei Pfeilern gelagert sein, von denen
einet starr und der andere kippbar verankert ist.
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Der Stahlbaukörper kann jeweils über einen am Ende der genannten Brücke
eingebundenen, geschmiedeten Achsstummel gelagert sein, und der genannte Generator
kann durch ein auf dem Achsstummel sitzendes Zahnrad angetrieben sein und zusammen
mit einem zwischengeschalteten Getriebe auf einer Wiege angeordnet sein, die in
einer kreisbogenförmigen Abrollbahn geführt und über ein auf dem Achsstummel sitzendes
Lager von dem Achsstummel gehalten ist.
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Es kann eine Pumpeinrichtung zur Speicherung von potentieller Wasserenergie
vorgesehen werden, die statt des Generators und/oder zusätzlich zu dem Generator
durch den zylindrischen Stahlbaukörper antreibbar ist und vorzugsweise ebenfalls
auf der genannten Wiege angeordnet ist.
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Die Zeichnungen geben Ausführungsbeispiele wieder.
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Fig. 1 zeigt ein Wellenkraftwerk in Ansicht von vorne.
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Fig. 2 zeigt das Wellenkraftwerk in Ansicht gemäß Fig. 1 von links.
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Fig. 3 zeigt das gemäß Fig. 1 linke Ende des Wellenkraftwerks in Draufsicht.
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Fig. 4 zeigt einen senkrechten Ausschnitt aus einem etwa Fig. 1 bis
3 entsprechenden Wellenkraftwerk in Funktion.
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Fig. 5 zeigt einen etwa Fig. 4 entsprechenden Schnitt mit verschiedenen
Schaufelvarianten.
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Fig. 6 zeigt einen senkrechten axialen Schnitt durch ein Lager.
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Fig. 7 zeigt einen Schnitt nach Linie VII-VII in Fig. 6.
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Auf zwei Stahlbetonfundamenten 40 sind zwei Pfeiler 41 und 42 in Stahlbeton-
oder Stahlbaukonstruktion verankert, der Pfeiler 41 starr, der Pfeiler 42 in einem
Celenk 43kippbar. Beide Pfeiler bestehen im wesentlichen aus vier senkrechten Stützen
44, die am oberen Ende durch vier waagerechte Balken 45 verbunden sind; die Stützen
des Pfeilers 42 sind am unteren Ende durch eine Balkenkonstruktion 46 zum Gelenk
43 hin zusammengeführt.
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In den Pfeilern 41 und 42 hängt jeweils an zwei Hydraulikzylindern
47 ein Tragkorb 48 in Stahlbavlkonstruktion, der über zwei obere und zwei untere
Balken 4 9 sowie über an den Balkenenden angebrachte doppelte Randschwingen 50,
die an den Stützen 44 anliegen, auf- und abbeweglich geführt ist.
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Die beiden Tragkörbe 48 enthalten jeweils ein längliches, auf beiden
Seiten aus dem Tragkorb herausragendes Maschinenhaus 51.
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In den beiden Maschinenhäusern sind in zwei Lager- und Generatoreinheiten
52 die beiden Enden eines zylindrischen Stahlbaukörpers 53 mit Achsstummeln 54 gelagert.
Die statische Konstruktion des Stahlbaukörpers und die Lagerung sind in der Hauptanmeldung
im einzelnen beschrieben, worauf hier nur verwiesen sei.
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An der Mantelfläche des zylindrischen Stahlbaukörpers 53 sind Kegelbtumpfmäntel
in geschweisster Blechkonstruktion abwechselnd jeweils umgekehrt dicht aneinandergesetzt.
Sie bilden damit ringförmige Erhebungen von einem gleichschenkligdreieckigen Querschnitt
mit etwas weniger als 900 Scheitelwinkel.
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In einem der Zwischenräume 56 zwischen zwei ringförmigen Erhebungen
55 sind vier waagerechte Ebenen 57 bis 60 mit gestrichelten Linien eingezeichnet.
Die Draufsicht gemäss Fig. 3 zeigt dabei die Schnittlinien dieser Ebenen mit den
Kegelstumpfmantelflächen der beiden angrenzenden Erhebungen 55, d.h. die Stellung,
in der sich diese Flächen als Anstoßflächen gegenüber einer durch den Wellengang
horizontal bewegten Wassermenge in der betreffenden Ebene darbieten. Sie ist immer
schräg, hat also eine Komponente quer zum Wellengang, an der Impulse übertragen
werden. Anders ausgedrückt, verengt sich der Durchtrittsquerschnitt für das durch
die Wellen bewegte Wasser.
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Die Welle wird dadurch abgebaut, ihre Wucht in Drehung des zylindrischen
Stahlbaukörpers umgesetzt. Hinter diesem ist die See dann vergleichsweise beruhigt.
Gegenüber etwas ansteigender Anstoßrichtung des Wassers bis hin zur Radialrichtung
(die kein Drehmoment mehr erzeugt) verstärkt sich die Schrägstellung der Anstoßflächen,
gegenüber abfallender Anstoßrichtung nimmt sie ab.
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Mit Hilfe der doppelt wirkenden Hydraulikzylinder 47 wird der zylindrische
Stahlbaukörper 53 jeweils fest in der optimalen Höhe gehalten.
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Längenänderungen des Stahlbaukörpers 53 infolge der Wärmedehnung werden
durch das Schwenklager 53 aufgenommen. Das Lager im Pfeiler 42 ist dafür ein Pendellager.
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Im übrigen ist die Funktion des Wellenkraftwerks mit dem zylindrischen
Stahlbaukörper 53 oben behandelt.
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Die Daten des Wellenkraftwerks gemäß Fig. 1 - 3 sind z.B.: Länge des
Stahlbaukörpers 53: 150 m; Durchmesser: 40 m; radiale Höhe der ringförmigen Erhebungen
55: 6 m; Eintauchtiefe bei ruhiger See: 1/2 m; Gewicht des Stahlbaukörpers 53: 4000
t; Auftrieb bis zu 9200 t.
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In Fig. 5 sind zum Zwecke der Darstellung verschiedenste Schaufelformen
auf einem Querschnitt eines zylindrischen Stahlbaukörpers 10 gezeigt.
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Rechts finden sich Schaufelblätter 15, die zusammen mit einer Wandung
16 des Stahlbaukörpers Taschen bilden, in die, wenn sie sich etwa im untersten Viertel
ihrer Umlaufbahn befinden, Brandungswellen hineinschlagen können, wobei deren Schwung
in Horizontalrichtung und bei abfallender Welle auch nach unten sowie das Gewicht
des Wassers den zylindrischen Stahlbaukörper in Drehung versetzt bzw. hält.
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Die unten rechts dargestellten Schaufeln 17 können ebenso mit überschlagenden
Brandungswellen funktionieren wie die Schaufeln '5,16, aber mehr als diese auch
mit nach der normalen Wellenbewegung im Kreis schwingendem Wasser. Letzteres ist
anhand der punktiert gezeichneten Wasserwelle 18 verdeutlicht.
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Das sich zu dieser Welle erhebende Wasser stößt von rechts und von
unten gegen die äussere Schaufelfläche 19. Diese hat eine solche Schrägstellung,
dass daraus die Schaufel und den zylindrischen Stahlbaukörper im gewünschten Drehsinne
weitertreibende Kräfte resultieren. Diese bei Normalwellen
eintretende
Wirkung ist bei überschlageden dellen ebenfalls vorhanden; der Schwung des überschlagenden
Wassers in den überrollenden Wellen kommt dann noch hinzu mit auf die hinteren Schaufelflächen
20, gegebenenfalls auch am Schaufelgrund, auftreffender kinetischer Energie und
mit der potentiellen Energie der in die Schaufeln gefüllten Wassermenge.
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Die oben rechts gezeichneten Schaufelblätter 21 wirken ausschliesslich
wie die äusseren Schaufelflächen 19 der Schaufeln 17. Ebenso wie bei den Schaufeln
17 muss hier durch Lochungen im Schaufelblech oder andere Auslässe dafür gesorgt
werden, daß beim Wiederauftauchen geschöpftes Wasser sofort abläuft, falls eine
rückwärtige Wandung 16 zur Schaffung eines dichten Zylindermantels für den Stahlbaukörper
10 oder aus anderen Gründen vorhanden ist.
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Die unten links gezeichneten Schaufeln 22 und die links gezeichneten
Schaufeln 23 entsprechend in ihrer Funktion etwa den Schaufeln 15,16 ohne einer
rückwärtigen Wandung 16 zu bedürfen.
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Die Schaufeln 22 und 23 zeichnen sich infolge ihrer scharfen Vorderkante
und ihrer Wölbung durch einen geringen Widerstand beim Durchdringen des Wassers
aus.
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Oben links ist schliesslich eine weitere Schaufelvariante 24 mit im
wesentlichen radialer Ausrichtung gezeigt.
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Fig. 6 und 7 zeigen, ebenso wie Fig. 5 unabhängig von Fig. 1 - 4,
als Einzelheit eine mögliche Anordnung des durch die Drehung des zylindrischen Stahlbaukörpers
angetriebenen Generators 25 auf einer Wiege 26, die in einer kreisförmigen Abrollbahn
27 geführt ist und über auf dem Achsstummel 1, hier mit 12 bezeichnet, sitzende
Lager 28 von dem Achsstummel 12 in gleichbleibender Stellung zu diesem gehalten
ist; abgestützt ist der Achsstummel 12 durch ein neigungsverstellbares Tonnenlager
9 unmittelbar auf einem einen Teil des Pfeilers bildenden Schwimmkörper 4, der auch
das Maschinenhaus 6 trägt. Der Generator ist durch ein auf dem Achsstummel 12 sitzendes
Zahnrad 29 über ein Getriebe 30 angetrieben. Alternativ wie auch zusätzlich zu dem
Generator kann eine ebenfalls auf der Wiege 26 angeordnete Pumpeinrichtung 31 zur
Speicherung von potentieller Wasserenergie durch ein Zahnrad 29 angetrieben werden.
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