DE29803881U1 - Widerstands-Wasserkraftrotor mit selbstätiger Wirbelabsaugung - Google Patents

Description

Helmut Käferstein Blatt 2 15.02.98

Ohne Zweifel bieten senkrecht oder fast senkrecht in der Strö= mung stehende plattenförmige Widerstandsflächen den frei be= weglichen Bestandteilen dieser Anströmung den größtmöglichen Widerstand,weil ein erheblicher Anteil dieser einzeln oder in Gruppierung reisenden Moleküle,der zufällig auf das Mittelfeld der Platte zustrebt,dicht vor der Plattenebene fast rechtwink=;": lig die Plugrichtung ändern muß,um an der Platte vorbeizukom= men.Dieser Anteil muiß dazu vorher fast 100% seiner Bewegungs= energie an die Platte abtreten.

Anderen Strömungsanteilen gelingt die Umgehung des Hindernisses weiter außen mit einer geringeren Kursänderung u.entsprechend weniger Verlust an Bewegungsenergie.

An der leeseitigen Plattenfläche tritt-leider kontraproduktivgenau der gleiche Effekt ein,wenn sich die Platte in einem Rotor nach dem Prinzip "Mr.Jackson" vorwärts bewegt,von der Strömung an ihrer Luvseite angeschoben. Sie muß die ihr im Wege stehenden Moleküle verdrängen. Daß bei diesem gegensätzlichen Kräftespiel überhaupt etwas Nutz= leistung überwiegt,ist nur dem Umstand zu verdanken,daß die zur Luvseite drängenden Teilchen eine einheitliche Stoßrichtung besitzen,die zahlenmäßig etwa gleichstarke Gruppierung vor der Leeseite aber noch mit Restwirbeln unterschiedlicher Orientie= rung durchsetzt ist,die die vorangegangene Platte hinterlassen hat. Dieses Konglomerat ist trotz Massegleichheit dynamisch schwächer.

Die relativ geringe Differenz zwischen Anschub-u.Bremswirkung konnte diesem Jackson-Prinzip bisher im Bereich der gehäuselo= sen Leistungswandler keinen guten Namen machen. Innerhalb einer ,Luftanströmung hat vor einigen Jahrzehnten der Aerodynamik-Matador Professor BETZ dem System nach Windkanal= versuchen nicht viel bessere Chancen zugebilligt wie "etwas über 15% ITutzleistungswandlung aus dem Gesamtleistungsinhalt einer Anströmung..."

Das geht aus der Bemerkung im Buch"Wie man Windräder baut" von Felix v. König (Udo Pfriemer Verlag,München),Seite 24,hervor. Versuche mit diesem System innerhalb einer Wasseranströmung wurden erst garnicht unternommen,offenbar,weil man mit Wissen um die bei Luft u.Wasser nahezu identischen Strömungsgesetze

Helmut Käferstein Blatt 3 15.02.98

bei Betrieb mit völliger Wasserbedeckung die gleich schlech= ten Ergebnisse wie bei Luftanströmung erwartete. Der Schreiber dieser Zeilen hatte auch selber schon 1980 Yer= suche mit einem solchen System in Modellgröße (0,5m² Anström= fläche) unternommen.

Ein auf die Rotormitte mit der Anströmung zugeleiteter Rauch= streifen wurde umgehend im Rotorinnenbereich in diffusen Zu= stand versetzt,also perfekt verrührt.

Das war ein deutlicher Hinweis auf einen ortsfesten,großen Wir= bei im Rotorinnenbereich.

Fig.7 zeigt den Laufweg einer in Pos."12" gezeichneten Platte D in 12 Teilschritten zu je 30°.

Die von links kommende Strömung -hier als Wind-,stemmt sich gegen die senkrecht stehende Platte D,die im Rotorkörper,ge= maß System "Jackson!',bei L drehbar gelagert ist,wobei Platten= achse L auf Kreisbahn E um das Rotorzentrum ZZ kreist,auf das sich der Schubimpuls der Platte D überträgt. Den Schub zur Inganghaltung des großen Wirbeis lieferten je= weils die Teilbereiche der umlaufenden Platten,die mit den ein= gezeichneten Dreieckssymbolen gekennzeichnet sind,wobei etwa die Plattenpositionen "9"; "10" u.s.w. bis "3" direkt schieben= de Einwirkung im Wirbel-Außenbereich haben,die Pos. "4"bis"8" mehr stützend-formende Hilfestellung geben.

Tn Fig.3 ist mit den kleinen Kreissymbolen etwa die Größe des Zentralwirbels umrissen; die Dichte der Kreissymbole entspricht etwa dem Einwirkungsgrad der inneren Platten-Teilflächen auf die Wirbelerhaltung u.dem Ort ihrer Tätigkeit. Bisher mußten also die Platten in der oberen Rotorhälfte nicht ^?nur den größten Teil ihrer luvseitig empfangenen Schubleistung zur Verdrängung der ihnen^eeseitig im Wege vagabundierenden Teilchen verwenden,sondern aus ihrem geringen Leistungsüber= schuß auch noch für die kräftezehrende Erhaltung des Zentral= wirbeis aufkommen.

Der von links kommenden Anströmung war es aber nie möglich, diesen etwa um WM kreisenden Wirbel aus dem Rotor herauszu= drücken. Je stärker die Anströmung ,um so zäher u.beharrlicher wurde der Wirbel. Die geradlinig eintreffende Anströmung mußte dieses walzenförmige Gebilde wie einen liegend rotierenden

Helmut Käferstein Blatt 4 15.02.98

Flettnerrotor empfinden,denn die Relativgeschwindigkeit seiner Bestandteile zur Anströmung war ja beidseitig verschieden u.

somit per Magnuseffekt eine Aufspaltung der Anströmung,ent= sprechend seinem Durchmesser,vorgegeben.

So reichte die "Durchschlagskraft" der an sich schnelleren An= strömung nicht,diesem in sich rotationsstabilisierten Gebilde beizukommen. Vielmehr lenkte der Wirbel die Anströmung in un= berechenbare Bahnen ab,mit dem Ergebnis,daß in der unteren Rotorhälfte viele an sieh gute Resultierende im Rotordrehsinn aus Auftriebseffekten überhaupt nicht zum Tragen kamen, Der geringe Leistungsüberschuß in der anderen Rotorhälfte aus Schub-u.Gegenschubwirkung wurde schon genannt.

1980 hatte der Schreiber dieser Zeilen schon einmal versucht, den Teil der Anströmung,der sich an genanntem Wirbel sowieso totlief,mit Leitblechen auf die schubempfänglichen Plattenpo= sitionen umzulenken u.,assistierend dazu,diese Positionen per exzentrisch wirkender Plattenverstellung dort länger aufrecht zu erhalten ( Pat.-anm. P30 49 630.1-15 v. 30.12.80) Doch der bauliche Mehraufwand wurde nicht mit einer nennenswer=

ten Mehrleistung honoriert. '

Einen gewaltigen Schritt vorwärts brachte dann jüngst die Idee, den Rotor so zu gestalten,als hätte er seinen Daseinszweck als Exhaust&ogr;rläufer zu erfüllen.

Die dabei in Rotorachsnähe entstehende starke Sogwirkung sollte dem sonst mit nichts zu besiegenden Zentralwirbel am Ort seiner Entstehung sein potentielles "Baumaterial" entführen,quasi in status nascendi...

Zur Deckung des Leistungsbedarfs dieser "Zentrifugalpumpe"sollte ein Teil der Bewegungsenergie der Anströmung dienen,der bislang durch das Wirbel-Hindernis keine sinnvolle Umsetzung erfuhr.

Daß eine solche Absaugung den Wirbel stets dominieren würde, geht aus folgender Überlegung hervor:

Gibt man der Geschwindigkeit der jeweiligen Anströmung den Bei= wert "100",stellt sich bei mittlerer Rotorbelastung eine gemes= sene Umfangsgeschwindigkeit am Plattenlager-Drehkreis E von "62" ein.(Fig.3).

Der v-Wert der inneren Plattenteilflächen,die bei den gehäuft eingezeichneten kleinen Kreissymbolen bislang permanent den Wirbel anschoben, beträgt ,den gegebenen HebeJfe_:5h;^ltMs.sen ent=

Helmut Käferstein Blatt 5 15.02.98

sprechend,nicht über "45",womit auch der Wirbel an seinem Um= fang nicht schneller wie "45" sein kann.

Die an den Leeseiten der Platten im erfindungsgemäß gerüsteten Rotor etwa zwischen den Plattenpositionen "9",über"10" bis "1" herauszentrifugierten LEeiilcheni verlassen nach kontinu= ierlich gesteigerter Beschleunigung die äußeren Plattenkanten etwa mit deren Geschwindigkeit,die den gegebenen Hebelverhält= nissen nach bei "80" liegt.

Da. sich der erfindungsgemäß gesicherte starke .Teilchenstrom vor der Platten-Leeseite seinen "Nachschub" über die relativ kurze Plattenfläche hinweg mit"80" direkt aus der vormaligen Produktionsstatte des Wirbels holt, in der sich auch schon angeschobene Teilchen mit genannten"45" bewegen,haben diese bei einer Alternative von"80" nat.keinen Entscheidungsnotstand, wohin sie sich zu wenden haben.

Für den Rotor leistungssteigernd .wiriffc sich auch aus ,daß die über die Außenkanten der Platten mit^v-Beiwert "80" abgeschleu= derten Teilchen über dem Rotor in die dort vorbeistreichende Strömung unter Kollisionswinkeln zwischen etwa 90° u.30° ca.

einen halben Rotordurchmesser tief hineingeschleudert werden.

Die Strömung über dem Rotor,die normalerweise keinerlei Ein= wirkung auf dessen Leistung hatte,übernimmt dabei den Abtrans= port von rd.60% Teilchenvolumina aus 100% auf den effektiven Wirkqtierschnitt des Rotors zutreibender Anströmung. ,, Werden laufend so bedeutende Teilchenmengen aus, dem Rotorzen= trum entfernt, stellt sich im Bereich der eingezeichneten"*Minus= zeichen ein leichter bis mittlerer Unterdruck ein. " Einleuchtend ist,daß sich in diesen Unterdruck hinein die aus Pos."2" über "3" bis "5" abwärts gleitenden Platten leichter hineinbewegen werden,als wenn sie dort mit denckurz vor ihnen abgesaugten Strömungspartikeln noch kollidieren müßten.

Ein großer Teil der Absaugleistung macht sich damit wieder be= zahlt.

Mit gleichem Effekt leistungsfordernd wirkt sich aus,daß die von links kommende Anströmung in diesen vom Wirbel freigeräum= ten Unterdruckbereich schneller u.leichter vordringt.

Dabei kann sie sich stärker unter die Platten in Pos."7" u."8" keilen u.dabei kräftige Resultierende im Rotordrehsinn auslösen.

Helmut Käferstein Blatt 6 15.02.98

Ist dann die Platte aus Pos. "8" etwa bis "10" aufgestiegen, wird kurzfristig der Wegfür die Anströmung frei auf die Plat= ten in Pos."4" u."5",auf die sie aufgleiten Kann u.ebenfalls im Rotordrehsinn kräftige Resultierende auslöst.

Die ganze untere Rotorhälfte,die vor der erfindungsgemäßen Um= rüstung absolut leistungslos war,bot nun überwiegend höchst= mögliche Auftriebsresultierende.

Das vormals herrschende strömungstechnische Chaos im Rotor= innenbereichjdas jede erhoffte Leistungsumsetzung weitgehend verhinderte,wird aus Fig.7 deutlich:

Ein an Platte D in Pos."12" oben bei A12 nach rechts weisendes Punktsymbol beschreibt innerhalb einer kompletten Rotordrehung auf der mit kleinen Kreisen markierten spiraligen Kurve bis B12 eine sich der Rotorchse ZZ immer mehr nähernde Bahn.

Das Punktsymbol ist hier nach links gerichtet,die Platte steht wieder in Pos."12",aber um 180° gedreht.

Ab B12 wandert der Punkt auf der mit Kreuzchen markierten Bahn, die eine sich öffnende Spirale darstellt,wieder zur Ausgangs= stellung A12.

Diese sich abwechselnd schließenden u.öffnenden Spiralbewegungen der Plattenoberflächen übten auf die mit ihnen konfrontierten Strömungsteilchen einen perfekten Rühreffekt aus,hatten den großen Zentralwirbel u. daneben unzählige Kleinwirbel im Gefol=

Wenige,in Menge u. Richtung berechenbare Strömungsgruppen,die sich gegenseitig kaum behindern können,sorgen am Rotor für bis= her kaum erreichte gute Zugriffsmöglichkeit zur Strömongsener= gie der Anströmung,als Folge der erfindungsgemäßen Rotorgestal=

Den in kanalartigen Führungen gebündelt u-verlustarm aus dem Rotorinneren herauszentrifugierten Teilchenströmen soll auf ihrem Weg über die Leeseite der jeweiligen Platte nach außen die Annahme von Schlingerbewegungen durch die in den Schutz= ansprüchen genannten Haftgrundbildner u.Strömungs-Leithilfen so schwer wie möglich gemacht werden.

Leicht und mit wenig Initialenergie kann die je nach Rotorgrö=?

ße u. Plattenbreite vorgegebene Eigenschwingungszahl des vor der Platte in einem einseitig offenen Führungskanals geleiteten Teilchenstroms von Richtungsänderungen der Anströmung angespro*b:

chen u. akkumulierend verstärkt werden.

Helmut Käferstein Blatt 7 15.02.98

Solche auslösenden Richtungsänderungen führt bei Windkraft= nutzung des Rotors entweder die Anströmung selbst aus-oder die Anlage pendelt um ihre Hochachse auf■ihrem Drehkranz in der Strömung - oder beide Vorgänge wirken vereint. Bei Wasserkraftnutzung des Rotors,untergetaucht im Uferbereich eines fließenden Gewässers,ändert zwar die Anströmung kaum ihre Richtung rechtwinklig zur Rotorachse,aber jedes in Strommitte vorbeifahrende Schiff erzeugt im Vorbeifahren durch Verdrän= gungswirkung am Rotor mehrere hin-u.hergehende Wasserbewegungen, über Wasser auch als wandernde Welle sichtbar. Diese können sich leicht auf die zwischen den erfindungsgemäß genannten Leithilfen P (Fig.1) u. den Teilersegmenten F1 (Fig.2) geradlinig.hinauszentrifugierten Teilchenströme übertragen. Haben diese aber erst einmal rhytthmisch verlaufende Schlinge*? = bewegungen angenommen,erhält sich dieser Rhythmus auf Koeten ihrer Bewegungsenergie.Die in Kurvenbahnen laufenden Teilchen müssen plötzlich vor der Platte eine längere Wegstrecke zurück= legen u. sie verweilen damit langer vor der Platte. Entsprechend geringer wird ihre Sogleistung an den Plattenenden, die geeignet sind,den großen Wirbel neu anzuschieben. Der läßt bei schwachem Sog auch nicht lange auf sich warten. Hun sind wieder,wie früher erlebt,vom Wirbel alle guten Auf= triebswirkstellen blockiert. Die Rotorleistung geht nun auf den Minimalwert zurück,der. früher für ihn charakteristisch war. Der sich nun sehr langsam drehende Rotor zentrifugiert nun auch entsprechend schwach. Aber glücklicherweise wird nun auch der Wirbel immer schwächer,entsprechend dem schwachen Anschub. Die Teilchen vor den Platten müssen auch wieder geraden Kurs steuern,denn Rotordrehzahl u. Schlingerfrequenz konnten sich ,nicht mehr stützen; die Harmonie fehlte nun. Ab diesem Zustand beginnt sich die Rotordrehzahl automatisch langsam wieder zu erholen, denn wie in den letzten 9 Zeilen von Blatt 4 und den ersten 15 Zeilen von Blatt 5 ausgeführt,domi= niert bei jeder Drehzahl die Sogwirkung der geradlinig vor den Platten-Leeseiten hinauiszentrifugierten. Strömungsteilchen die jeweils adäquate Wirbelbildungsfähigkeit der inneren Platten= flächen in Rotorachsnähe.

Für die zuverlässige Vermeidung solcher sporadischer Leistungs= einbrüche ist die richtige Dimensionierung der Leithilfen zur

Helmut Käferstein Blatt 8 15.02.98

jeweils im Rotor montierten Plattengröße von Bedeutung. Dieses Rotorsystem mit seinen hauptsächlich Widerstand bil= denden Platten arbeitet mit den vorangehend geschilderten Strömungsabläufen (Fig.3:5*7) u.mit den in den Schutzansprü= chen 1.,2.,3.» genannten Strömungs-Leithilfen (Fig.1;2;u.5) im Luftstrom als Windkraftrotor in gleicher Weise,wie völlig im Wasser untergetaucht als Wasserkraftrotor. Nur ist die Baugröße eines Wasserkraftrotors bei gleicher WeI= lenleistung sehr viel kleiner als die eines Windkraftgerätes gleicher Eeililpig. Das rd.800 mal dichtere Wasser bindet eben ungleich mehr kinetische Bewegungsenergie. Rechenbeispiel:

Auf ein erfindungsgemäß gerüstetes Windkraft-Versuchsmodell mit 0,5m² effektiver Anströmfläche bewegt sich in einem Wind= kanal -genau wie im Freiland- bei einer "steifen Brise" von z.B. 13m/s eine Strömungsmenge von 13x0,5= 6,5m^ Luft zu. Die gesamte Bewegungsenergie dieser Menge ist,entsprechend ihrer Masse von 6,5x1,29 = 8,38 kg
(8,38kg:9_T81) _&khgr; ^_/q2

= 0,708 kW bzw. I0|₌Iatt

Der mit erfindungsgemäßen Vorkehrungen von allen inneren Wir= belhemmungen befreite Rotor,nur noch für Schub-u.Auftriebs= resultierende empfänglich, hat bei genannten 13m/s Anströmung an seiner Abtriebswelle ein Wellenleistungsprodukt von 2__>_I· aus Drehzahl &khgr; Drehmoment!. A. :

In Fig.6 sind die ermittelten Werte zwischen 3-13m/s Anströmung eingetragen,wobei die hier gegebenen Netzverhältnisse dem Windkanal bei 13m/s das Limit setzten.

Aber die gedachte Verlängerung der Kurve in der richtigen Krüm= mung bis z.B. 14 u.15m/s gibt ein Bild vom Leistungsvermögen dieses Rotorsystems,das sich in seiner Umfangsgeschwindigkeit stets unterhalb der Anströmgeschwindigkeit hält.

Bei also 708 W Brutto-Strömungsenergie hat es daraus 376 W ab= gezweigt. Das sind 37| _{&khgr; 10Q =} ^g"

Setzt man das in Vergleich zu der früheren Bewertung des Stro= mungsexperten Prof.BETZ,der einem solchen Rotorsystem ein Um= Wandlungsvermögen von "nicht viel mehr als 15% zugemessen hat, wird der enorme Fortschritt erkennbar.

Helmut Käferstein Blatt 9 15.02.98

Wie hoch der Rang dieser einwandfrei ermittelten 53,1% einzu= stufen ist-die noch dazu ein Gerät in "Spielzeugformat" er= reicht hat-,mag daraus hervorgehen,daß ein auf dem neuesten Stand befindliches großes Auftriebs-Flügelgerät mit 1.260m² Rotorkreisfläche bei 13m/s Anströmung aus den 21.130 kg Luft, die per Sek. durch seinen Rotorkreis strömen u. 1.784 kW Be= wegungsenergie besitzen an Generator-Nettoleistung + aller Verlustleistungen rd.700 kW Wellenleistung abzweigt. Das sind rd. 40%, also 13% darunter.

Der Konstrukteur könnte wohl hergehen u. z.B. durch Verdoppe= lung der Flügelzahl der durchstreichenden Luft mehr als 40% Bewegungsenergie nehmen. Dann fehlte aber Leistung,um die dann noch mehr verlangsamte Abluft hinter der Rotorebene wieder ztx beschleunigen. Es wäre ein Scheingewinn,denn der stärkere Staukegel setzt sich 3a durch die Rotorebene hindurch bis vor das Gerät hinaus.fort. Er bremst dort schon die Anströmung. Hur der erfindungsgemäß hier beschriebene Rotor entledigt sich mit seiner wirkungsvollen Absaugleistung eines großen Teils der schon verlangsamten Abluft "über Kopf" u. läßt sie von der Strömung außerhalb seiner Wirkfläche wieder beschleunigen. Bauartbedingt kann das kein anderes Gerät ^in diesem Umfang.

Doch nun endlich zur Wassernutzung dieses Rotors:

Bei weitgehend identischem Strömungsverhalten von Luft und Wasser darf von den unter Luftanströmung gemessenen Werten hinsichtlich des ütnsetzungsgrades von Strömungsenergie in WeI= lenleistung am Rotorabtrieb bei Anströmung völlig unter Wasser umgerechne^t werden.

Schon eine Wasser-Anströmgeschwindigkeit von 1,42m/s würde an diesem 0,5m² - Modellrotor eine fast gleiche Wellenleistung abzweigen,wie sie die genannte 13m/s-Windanströmung erbracht hat,entsprechend folgender Rechnung:

Wasser-Zuströmung auf 0,5m² Rotorwirkfläche bei v=1,42m/s ^/s ,bzw. 710 ltr, (Masse 710 kg), mit Bewegungsenergie:

) _x

= 0,715 kW , bzw.

Bei zu erwartender 53% Wandlungsrate |||

Ein hermetisch dichtes Generator-Getriebeteil,sowie gegen chemische Anteile in flüssen u. Meerwasser gefeite Platten= Steuerungselemente u. Rotorkörper nebst Lagern bilden heute

Helmut Käferstein Blatt 10 15.02.98

keine preislich-beschaffungsmäßige Hürde mehr. An eine leistungsschöpfende Nutzung strömender Flachgewässer war in unseren Breiten bislang überhaupt nicht zu denken. Die am oberen Nil oder Ganges heute noch nützlichen unter= schlächtigen Wasserräder würden bei uns in harten Wintern vom Eis umklammert,im Frühjahr vom Eisgang versenkt. Der Rotor,der Gegenstand dieser Anmeldung ist,arbeitet dagegen selbst unter einer dicken Eisdecke ungestört weiter,unsicht= bar u. geräuschlos. Er arbeitet ca. 8.000 Std. im Jahr gleich= mäßig durch,denn die oft monatelangen Sehwachwindtage oder gar totale Flauten kennt ein größerer Fluß nicht,von seltenen trockenen Sommern abgesehen,wenn auch er Niedrigwasser führt. Bei Betrieb unter Wasser könnte selbst das nur für Versuchs= zwecke gebaute 0,5m² Kleinmodell mit knapp 1m Bauhöhe u. ca. 1,2m größter Breite seinem Betreiber schon Freude machen,denn aus seinen 379 W Wellenleistung bei z.B. 1,42m/s Anströmung würde ein mit ca. 70% Wirkungsgrad arbeitender Stromgenerator beständig rd. 265 W Leistung abliefera,was im Jahr bei 8.000 Betriebsstunden sich zu 2.122 kW/h summiert. Vom Aussehen u. der Gestaltung her läuft der Rotor dabei mit einem ihn schützenden u. stützenden Traggestell,wie es etwa portable Notstromaggregate aufweisen.

^{Die in} Fig'4 dargestellte Tragsäule Z u. Windfahne S der Windkraft nutzenden Variante entfallen hier natürlich. In der Praxis rentabler ist nat.ein Gerät mit ca. 2m² Wirk= fläche,das mit ca. 8.500 kW/h Jahresertrag die 4-fache Ernte einfährt,aber nur etwa das 2-fache kostet.

Hat jemand das Glück,an einer Stromschleife zu wohnen,die auch in relativer Ufernähe z.B. 1,8m/s Strömung aufweist,ginge der Nettoertrag schon rapid nach oben:

Hier bewegen sich per Sek. schon 3,6m^ Wasser auf die 2m² Wirkfläche des Gerätes zu ,mit Bewegungsenergie von (3.600 kg : 9,81)_ _&Lgr;

_{&Sgr; 1}

⁼ 5,83 kW Bewegungsenergie,

wovon der Rotor 5,83x 0,53 Wirkfaktor = 3,09 kW Wellenleistung abzweigt. Der &Egr;-Generator des Rotors wird daraus dem Betrei= ber mit seinem Wirkungsgrad von rd. 0,7 etwa 3,09x0,7 = 2,16 kW netto anliefern. Bei rd 8.000 Jahresstunden Betriebszeit somit somit 17.300 kW/h Ein interessanter Wert,von einem Gerät,das ein Kleintransporter komplett laden kann !

Helmut Käferstein Blatt 11/ 15.02.98

Nimmt man als Zielobjekt einer solchen Wasserkraftnutzung z.B.

den "Vater Rhein"...

Da die Fließgeschwindigkeit eines solchen Gewässers durch die Entnahme von Bewegungsenergie nicht ungefragt u. willkürlich verringert werden darf (z.B. durch dann unerwünschte Schlamm= absetzungen mit Folgekosten zu deren Beseitigung),wäre einer Aufsicht führenden Behörde schon mit etwas Information zu die= ser Frage gedient,die sich bisher mangels eines solchen Rotors bisher überhaupt nicht stellte.

Denn während im ^ Luftmeer der Erde ständig ein Bewegungspoten=".::

tial von 4,3 Billionen kW vorliegt,kann ein solcher Strom nur mit vergleichsweise bescheidenen Werten aufwarten,die sich ab= schnittsweise aus der Wasserführung,dem Gefälle,der Grundrei= bung der Wasserteilchen u.s.w. ergeben.

Aber der Beschleunigungseffekt der flußauf fahrenden Schiffe

u. Lastkähne per Rückstoßwirkung der Schraubenleistung ist mit Sicherheit um ein Vielfaches höher,wie der Bremseffekt einer Strömungsnutzung seitens dieses Rotors.

Überschlägig gerechnet tragen die stromauf fahrenden Schubein= heiten zwischen Mündung u. etwa Basel gegen 100,000 kW Maschi= nenleistung in den Fluß ein,wovon sich über die hohe Bugwelle

u. Teilchenreibung am Rumpf ca. 70% strömungsbremsend aus= wirken u. die restlichen 30% sich strömungsbeschleunigend aus= wirken müssen.Die Bewegungsleistung aus Schiffsmasse + Ladung speist die Flußbeschleunigung.

Die mit kleiner Maschinenleistung stromab fahrenden Schiffe ändern an diesen Verhältnissen wenig. Obwohl sie deutlich schneller stromab fahren wie stromauf,verrät ihre kleine Bug= welle ihre geringe Einflußnahme auf das Geschehen.

Selbst tausende solcher kleinen Unterwasserrotoren mit einer Gesamtentnahme von z.B. 10.000 kW könnten gegen einen ständigen Leistungseintrag durch Schiffsschrauben nicht aufkommen,der im Bereich von rd. 30.000 kW liegt. Zudem sind beide Leis= tungsgruppen über die ganze schiffbare Stromlänge verteilt, ohne schädliche "Punktwirkung"....

Leider bleibt die 3-5m tiefe Fahrrinne für diesen Rotor "tabu", denn hier läuft die Strömung bis über 2m/s schnell; Aber gelegentlich arbeiten auch Schwimmbagger hier....

Helmut Käferstein Blatt 12 15.02.98

Solche Überlegungen entfallen bei Nutzung kleiner,oft mit er= heblicher Kraftentfaltung in den Alpenregionen Europas zu Tal rauschender Schmelzwässer aus den Hochlagen der Berge.

An unzähligen Geröllbrocken in den Bachbetten bricht sich ohne Zugriffsmöglichkeit zui dieser wertvollen Bewegungsenergie für

den Menschen bisher ihr Bewegungspotential. ,

Die Wasser durchlaufen dabei über 2-3 km Länge mit im Schnitt 15-20° Gefälle,geben dabei potentielle Lageenergie aus rd.800m Höhendifferenz ab.

In Summa sind sie eine Macht: Allein z.B. der Brienzer See in der Schweiz sammelt solche Bäche von der Nordflanke des Eiger-Mönch-Jungfraumassivsjläßt sie an seinem Auslauf auf 25mBreite mit ca. 150mr/s ^u· über 2,5m/s schnell durch Interlaken in den Thunersee rollen,wo sie über die Aare dem Rheinfall so attraktiv die Basis bilden.

Wie Pig.8 zeigt,lassen sich in einen solchen Bergbach in Ei= genbau erstellte ca.2,5m lange Holzkästen PK einsetzen,die von einem starken Deckel KD abgedeckt sind,der mitgeschwemmtes Treibholz vom Kasteninneren fernhält.

Das Kasteninnere sichert der Durchströmung am hier gezeigten Beispiel ca. 1m Wassertiefe.

Je nach Wasserführung des Bachs läßt sich eine Durchströmge= schwindigkeit zwischen 1,0m/s und ca.2,5m/s erreichen.

Vor dem Kasten wacht ein Rechen gegen Fremdkörpereintrag.

Im Kasten selbst ist der erfindungsgemäß gerüstete Rotor mit den Strömungs-Leithilfen P; P1 verankert.

Diese haben aber hier nur die wirbe!verhindernde Zentrifugal-Pumpleistung zu erbringen,da die nahen Seitenwände des Kastens PK die Förderströme vor den Leeseiten der umlaufenden Rotor= platten vor der Annahme von Schlingerbewegungen restlos schützen.

Die in Fig.4 in Seitensicht dargestellte windnutzende Bauform des Rotors wird-ab Rahmenteil T aufwärts,in Verbindung mit der aus Pig.8 ersichtlichen Frontansicht- und der in Fig.3 darge= stellten Strömungsdynamik im Rotorinneren als Nutzer von Was= seranströmung stellvertretend als Ausführungsbeispiel brauchbar.

Im Gegensatz zu der Nutzung der vergleichsweise behäbigen Strömungen in breiten Flüssen eröffnet die Nutzung der unver= gleichlich viel größeren spezifischen Strömungsdynamik solcher Bergbäche wegen des großen Gefälles auf kurzer Strecke den

Helmut Käferstein Blatt 13* ·^;· *··* ' 1·&iacgr;?.*&iacgr;>2\98

Einsatz solcher Rotorkästen in verhältnismäßig kurzem Abstand. Geht ein solcher Schmelzwasserbach z.B.über eine 1OOm lange Almwiese mit 20% Gefälle zu Tal,könnte der Eigner der Wiese in der Regel auf seinem Grund 2 Stck.solcher Strömungsleit= kästen mit je einem 0,75m -Rotor einsetzen,ohne den Bach so an Fließgeschwindigkeit zu verarmen,daß er sich staut u. in die Breite läuft. ^

Schon häufig sind Bäche,die in einem solchen Führungskasten z.B. eine Durchströmung von 1,65m/s im Jahres-Mittel aufrecht erhalten.

Der O,75m²-Rotor wird dann von 1,65x0,75 = 1.240 kg Wasser per Sek^'beaufschlagf'-in diesem Pail besser gesagt-durchströmt. Diese Wassermenge hat Bewegungsinhalt total: ( 1.240 kg : 9,81 ) _{&khgr; 1>65m/s}2
■ ² _i0 '- = 1,68 kW, mal 0,53 Rotor=

wirkungsgrad = 0,89 kW Rotorwellenleistung, mal 0,7 Stromgene= rator-Wirkungsgrad = 0,626 kW verfügbare Elektroenergie. Das sieht sich bescheiden an,aber in ca. 8.000 Jahres-Betriebs= stunden sind es doch rd. 5.000 kW/h.

Nutzt er seine Bachlänge mit 2 Geräten,hat er 10.000 kW/h per Anno. Unsichtbar u. geräuschlos gewonnen. Und meist hätten unterhalb dieses Nutzers,bis zum See,noch etliche Anlagen Platz.

¥ereinigen sich mehrere solcher mittelstarker Bäche vor Er= reichen ihres Sammelbeckens,erreicht ihre Strömung oft über 3m/s . Die zwischen den Felsen reichlich erzeugten Strudel im oft schon 1m tiefen Wasser wurden .einen: darin verankerten Rotor des erfindungsgemäßen Typs nicht mit Strömungsabrissen sckwä= chen,wie in der Regel jedes andere denkbare Wasserrad: dieser Rotor saugt sich auch diese Strudel,die ja aerodynamischen Wirbeln entsprechen,selbst aus seinem Innenbereich heraus. Die um Felshindernisse herum wandernde Strömung wird .durch;id-tß= se zu Richtungsschwankungen gezwungen,die normalerweise jedes System stark schwächen.

In vergleichbarer Windanströmung hat dieser Rotor aber bei Schräganströmung nur cos.10= 1,6% Leistung verloren, bei 2o8 Schräganströmung nur cos.20= 6%. Im Wasser muß das gleich sein. Dieser Rotor ist offensichtlich gegen Strömungsabrisse immun !

Textende.

Claims (2)

1. Helmut Käferstein _&Lgr;. , ·' *" . " '* '* " 15.02.98

   .Widerstands-Wasserkraf trotor- mit selbsttätiger Wirbe!absaugung, dadurch gekennzeichnet,

   daß dessen plattenförmige,auf Widerstandswirkung zur Anströ= mung eingestellte Bauteile PL (Tig.1) an ihren überwiegend mit der Anströmrichtung parallel liegenden Seitenkanten K bordwand= ähnliche Profilteile P tragen,die die Plattenebene PL an Vor= der-u.Rückseite überragen und geeignet sind,bei einer von der Plattenebene PL um das außerhalb der Flächebene gelegene Rotor= achszentrum ZZ herum ausgeführten Schwenkbewegung mit dem Radius "r" zwischen sich einen gebündelten Wasserstrom in Plattenbrei= te zu führen,der sich von der bordwandfreien Innenkante IK zur bordwandfreien Außenkante AK durch die entstehende Zentrifu= galwirkung bewegt.
2. 2.Widerstands-Wasserkraftrotor nach Schutzanspruch 1., dadurch gekennzeichnet,

   daß dessen plattenähnliche Teile PL auf der Vorder-u.Rückseite ihrer Ebene im Innenfeldbereich Profilteile F1 (Pig.2) tragen, die die Plattenebene Pl auf deren Vorder-u.Rückseite überragen und geeignet sind,einen in der jeweiligen Bordwandhöhe der Teile L über die Plattenebene gleitenden Wasserstrom in 2 oder mehre= re Einzelströme zu teilen,mit der Wirkung,daß damit die Gesamt= masse der Einzelströmungen mit zusätzlich Leitwirkung ausüben= den Flächen in Berührung kommt und so noch besser gegen die An= nähme von Schlingerbewegungen im Bereich der Plattenebene PL geschützt ist.

   _3.Widerstands-Wasserkraftrotor nach Schutzanspruch 2., dadurch gekennzeichnet,

   daß dessen plattenförmige Teile PL auf der Vorder-u.Rückseite ihrer Ebene mit einer Vielzahl spitz-oder rundwelliger Erhö= hangen P (Fig.5) besetzt sind,die parallel zu den Borden P und den Mittelfeldteilern F1 verlaufen und damit einer über sie hinwegstreichenden Strömung einen Haftgrund bilden,der geeig= net ist,bei betriebsbedingten Pendelbewegungen der Plattenebe= nen PL um ihre Hochachse ein trägheitsbedingtes Abweichen der geführten Wasserströme vom jeweiligen Pendelausschlag zusatz= lieh zu erschweren, arbeitsteilig mit den Borden F und den Teilern F1 .