DE3013136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen den Seegang ausnützenden Motor für den Antrieb eines Schwimmkörpers, insbesondere einen Schiffsantrieb, mit einem mit dem Schwimmkörper verbundenen, sich nach abwärts erstreckenden Träger, einem im wesentli­ chen horizontal angeordneten, plattenartigen Schwingflügel, der in seinem, bezogen auf die Fahrtrichtung, vorderen Be­ reich schwenkbar mit dem unteren Ende des Trägers verbunden ist, um aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Schwing­ flügel und dem umgebenden Wasser eine Schwenkbewegung des Schwingflügels hervorzurufen, wenn der auf dem Wasser schwimmende Schwimmkörper unter Einwirkung des Seegangs an­ gehoben und abgesenkt wird, und einer am Träger angeordne­ ten Einrichtung zum Begrenzen der Schwenkbewegung.

Wellenmotoren dieser Art sind bereits bekannt, siehe bei­ spielsweise US-PS 20 21 815 und 23 67 765. Bei diesen be­ kannten Motoren sind die Schwingflügel für das Schwenken um eine Achse drehbar mit dem Träger verbunden, die sich quer zur Fahrtrichtung erstreckt. Während der Relativbe­ wegung zwischen dem Schwingflügel und dem umgebenden Was­ ser wird der Schwingflügel in der einen oder anderen Richtung ausgelenkt, so daß er am einen oder am anderen von zwei Anschlägen oder Abstützungen anliegt, die am Träger angeordnet sind. Dadurch bewirkt die weitere Relativ­ bewegung eine Veränderung der Strömungsrichtung des gegen den Schwingflügel strömenden Wassers, so daß dieses durch den Schwing­ flügel nach rückwärts in die der gewünschten Fahrtrichtung entgegengesetzte Richtung gelenkt wird. Dadurch wird eine Re­ aktionskraft erzeugt, die auf den Schwingflügel einwirkt und das Schiff oder den Schwimmkörper in der Fahrtrichtung voran­ treibt.

Bei der Anwendung der bekannten derartigen Antriebe ergeben sich einige Nachteile. Beim Anschlagen des Schwingflügels gegen die Anschläge wird der Schwingflügel abrupt gestoppt. Es können sich dadurch Stöße in den Schwimmkörper oder das Schiff fort­ pflanzen und eine Belästigung für an Bord befindliche Personen darstellen sowie möglicherweise Werkstoffbrüche hervorrufen. Außerdem ist eine Bruchgefahr oder die Gefahr der Havarie gegeben, wenn das Schiff oder der Schwimmkörper einer sehr großen Welle ausgesetzt wird. Der Schwingflügel hält in diesem Falle nach Anschlagen gegen einen der Anschläge das Schiff unten, so daß die Welle über das Schiff kommen kann, während gleichzeitig der Träger einer hohen, unkontrollierten Belastung ausgesetzt wird. Außerdem besteht die Neigung, daß in einem Wellental das Schiff aus dem Wasser gehoben wird.

Bei großen Wellen bewirken die großen Vertikalkräfte, die dabei zwischen Schiff und Schwingflügel auftreten, eine starke Wirbel­ bildung rund um den Schwingflügel, so daß die Wellenenergie in diesem Falle schlecht ausgenützt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der in Rede stehenden Art zu schaffen, der sich durch eine besonders gute Ausnutzung der Wellenenergie sowie durch hohe Funktions­ sicherheit auszeichnet.

Bei einem Motor der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Träger für eine im wesentlichen in vertikaler Richtung relativ zum Schwimmkörper verlaufende Bewegung an diesem in einer Lagerung verschiebbar gelagert ist und daß eine Rückstelleinrichtung vorgesehen ist, um den Träger bezüglich dieser vertikalen Relativbewegung nach­ giebig in einer Mittelstellung zu halten und in diese Stellung zurückzuführen, wenn der Träger sich unter Einfluß von durch den Seegang erzeugten Kräften aus der Mittelstellung bewegt hat.

Durch die DE-AS 11 99 155 ist zwar die Anordnung eines Schwing­ flügels an einem in Vertikalrichtung bewegbaren Träger an sich bekannt. Diese Druckschrift betrifft jedoch keinen die Wellen­ energie ausnutzenden Antrieb, sondern einen motorischen Antrieb. Im grundsätzlichen Unterschied zur Erfindung wird dabei der Träger nicht durch eine Rückstelleinrichtung normalerweise in einer Mittelstellung gehalten, aus der er nur gegen die Kraft der Rückstelleinrichtung aufgrund der angreifenden Wellen­ kräfte herausbewegt wird, sondern es ist ein Kraftantrieb vor­ handen, der den Schwingflügel periodisch nach beiden Seiten hin aus seiner Mittelstellung herausbewegt.

Die DE-OS 27 43 323 zeigt ebenfalls einen motorischen Antrieb, bei dem zwangsmäßig mittels eines Kraftantriebes erfolgende Auslenkbewegungen eines Schwingflügels aus einer Mittelstellung heraus vorgesehen sind, um mittels des Kraftantriebes Vortriebs­ kräfte zu erzeugen.

Zwar ist bei dem die Wellenenergie nutzenden Antrieb gemäß der US-PS 23 67 765 der Schwingflügel an einem Träger ange­ ordnet, der in einer Lagerung am Schwimmkörper vertikal zu diesem verschiebbar ist. Die Verschiebbarkeit des Trägers in der Lagerung dient hierbei jedoch nur zur Einstellung des Trägers in Anpassung an die Lage der Wasserlinie. Im Betrieb ist der Träger in der gewählten Einstellage in seiner Lagerung unbeweg­ lich festgelegt.

In der nachveröffentlichten DE-OS 28 48 864 ist bei einem die Wellenenergie nutzenden Motor, der einen vom Schwimmkörper nach unten ragenden Träger mit einem an diesem angeordneten Schwingflügel aufweist, eine Rückstelleinrichtung vorgesehen, die den Schwingflügel nachgiebig in einer horizontalen Mittel­ stellung zu halten oder in diese zurückzuführen sucht, wenn der Schwingflügel durch vom Seegang ausgeübte Kräfte aus seiner Mittelstellung verschwenkt worden ist. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung ist bei der Lösung gemäß der DE- OS 28 48 864 jedoch der Träger starr am Schwimmkörper ange­ bracht, und die Rückstellkräfte der Rückstelleinrichtung wirken unmittelbar auf den Schwingflügel ein, um dessen Schwenklage relativ zur Wasserlinie des Schwimmkörpers zu beeinflussen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Motors, gezeichnet in schematisch vereinfachter, teils aufge­ brochen und geschnitten gezeichneter Darstellung;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 eine schematisch vereinfacht gezeichnete Dar­ stellung eines ringförmigen Schwimmkörpers, der mit zwei Seegangmotoren der hier aufzu­ zeigenden Art versehen ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Träger in Form eines stangenartigen Körpers 1 vorgesehen, der an seinem oberen Ende axial verschiebbar in zwei eine Lagerung bildenden Führungsbüchsen 2 und 3 so gelagert ist, daß der stangenartige Körper in diesen nach aufwärts und abwärts gleiten kann. Die Büchsen 2, 3 sind mit dem betreffenden Schwimmkörper, beim Ausführungsbeispiel einem Boot 4, fest verbunden. Der stangenartige Körper 1 wird relativ zum Boot 4 in einer verti­ kalen Mittelstellung mit Hilfe einer federnachgiebigen Einrich­ tung gehalten, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Schraubenfedern 5 und 6 aufweist, die auf dem stangenarti­ gen Körper 1 zu beiden Seiten eines Halteglieds in Form eines Bundes 7 angeordnet sind, der am Körper 1 befestigt ist, wobei die Federn zwischen dem Bund 7 und einer der beiden Büchsen 2 und 3 eingespannt sind. Vorzugsweise weist der Körper 1 eine ovale Querschnittsform auf, so daß er sich um seine Längsachse nicht verdrehen kann.

Am unteren Ende des stangenartigen Körpers 1 ist als Schwenkelement ein plattenartiger Schwingflügel 8 mit dem durch den Körper 1 gebildeten Träger über eine Achse 9 schwenkbar verbunden, so daß der Schwingflügel nach oben und unten schwingen kann und um einen bestimmten Schwenk­ winkel ausgelenkt werden kann, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen oberen und einen unteren Anschlag 10 bzw. 11 begrenzt ist, die an dem stangenarti­ gen Körper 1 angebracht sind.

Wenn das in Fig. 1 dargestellte Boot 4 sich von einem Wellental zu einem Wellenkamm bewegt, dann wird der Schwing­ flügel 8 aufgrund des Umstandes, daß er sich in ruhigerem Wasser in einem Abstand unterhalb der Wasseroberfläche be­ findet, an seinem hinteren Rand nach abwärts geschwenkt, bis er durch den unteren Anschlag 11 angehalten wird. Dies hat zur Folge, daß das Wasser, das unmittelbar oberhalb des Schwingflügels gelegen ist, nach rückwärts gedrückt wird, was zur Folge hat, daß eine vorwärts gerichtete Reak­ tionskraft am Boot wirksam wird, die das Boot in der mit einem Pfeil F angegebenen Vorwärtsrichtung treibt. Eine weite­ re nach aufwärts gerichtete Bewegung des Boots hat zur Folge, daß die untere Schraubenfeder 6 zusammengedrückt, d. h. ge­ spannt wird. Auf diese Weise sind die zwischen dem Boot und dem Schwingflügel wirksamen vertikalen Kräfte vermittels der Federkraft unter Kontrolle gebracht, so daß die Nach­ teile vermieden sind, wie sie bei den bekannten Seegang- Motoren auftreten, was oben besprochen wurde.

Wenn die Welle kulminiert, wird die Federkraft entspannt, so daß der Schwingflügel 8 seine Auslenkung oder seinen Ablenkwinkel während einer zusätzlichen Zeitspanne beibe­ hält und während dieses Zeitintervalls zusätzliche Vor­ triebskraft oder zusätzlichen Schub liefert.

Wenn das Boot 4 sich nach abwärts in einem Wellental bewegt, bewegt sich der hintere Rand des Schwingflügels 8 nach auf­ wärts, und die obere Schraubenfeder 5 wird in entsprechender Weise gespannt und entspannt, wenn die Welle ihr Minimum erreicht.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Motors gezeigt, bei dem die federnachgiebige Einrichtung ein hydro­ pneumatisches System mit Hydraulikzylindern 12 und 13 auf­ weist, die die mechanischen Schraubenfedern 5 und 6 ersetzen. Die beiden Zylinder enthalten Kolben 14 bzw. 15, die über zugehörige Kolbenstangen 16 bzw. 17 mit einem Halteglied 18 verbunden sind, das an dem stangenartigen Körper 1 befestigt ist. Jeder der Zylinder 12 und 13 ist über eine Rohrleitung 19 bzw. 20 mit einem Ventil 21 bzw. 22 verbunden, die mit je einem herkömmlichen hydropneumatischen Speicher 23 bzw. 24 in Verbindung stehen, die je eine Membran enthalten, wel­ che das Innere des Speichers in zwei Räume unterteilt. Die Zylinder 12, 13, die Rohrleitungen 19, 20 und die mit diesen verbundenen Räume der Speicher sind mit Hydraulikflüssig­ keit, beispielsweise mit Öl, gefüllt. Die anderen Räume der Speicher 23, 24 sind mit einem Druckgas gefüllt und über Rohrleitungen 25, 26 mit zugeordneten Ventilen 27 bzw. 28 verbunden, die mit Gasbehältern 29 bzw. 30 in Verbindung sind.

Die die Zylinder 12, 13 mit den Speichern 23 bzw. 24 verbinden­ den Rohrleitungen 19 und 20 sind mit Zweigleitungen 31 bzw. 32 verbunden, die mit dem Auslaß einer Pumpe 33 in Verbindung stehen, deren Einlaßleitung 34 zu einem Tank 35 führt, der Hydraulikflüssigkeit enthält. Ein Antrieb für die Pumpe 33, der schematisiert dargestellt ist, weist einen Motor 36 auf, der die Pumpe 33 über eine Welle 37 antreibt. Die Pumpe ist so ausgebildet, daß sie Druckflüssigkeit zur einen oder anderen der Rohrleitungen 19 und 20 zuführen kann, wie es unten erläutert wird.

Wenn das in Fig. 2 gezeigte hydropneumatische System als Seegangsantrieb in ähnlicher Weise benutzt wird wie das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, dann sind die Ventile 21, 22 geöffnet, während die Ventile 27, 28 geschlossen und die Pumpe 33 stillgesetzt ist. Wird das Boot 4 durch eine Welle angehoben, so ergibt sich eine Schwenkbewegung des hinteren Randes des Schwingflügels 8, wobei die Schwenkbewegung oder Auslenkung durch den unteren Anschlag 11 begrenzt wird. Eine weitere Aufwärtsbewegung des Boots 4 hat eine Abwärtsbewegung des stangenartigen Körpers 1 zur Folge, und aufgrund der entsprechenden Bewegung des Kolbens 15 im Zylinder 13 wird Hydraulikflüssigkeit aus diesem Zylinder heraus und in den hydropneumatischen Spei­ cher 24 über die Rohrleitung 20 hineingedrückt, so daß das Gas in dem Gasraum dieses Speichers zunehmend komprimiert wird. Gleichzeitig wird (durch die Bewegung des Kolben 14 im Zylinder 12) Hydraulikflüssigkeit aus dem anderen Spei­ cher 23 über die Rohrleitung 19 in den Zylinder 12 gesogen. Wenn die Kraft am Schwingflügel 8 durch das Kumulieren der Welle abnimmt, bringt der Druck im Zylinder 13 den stangen­ artigen Körper 1 in seine Mittelstellung zurück.

Durch Öffnen eines oder beider der Ventile 27, 28 in den Rohrleitungen 25, 26 wird eine Verbindung zwischen den hydropneumatischen Speichern 23, 24 und den Gasbehältern 29, 30 geschaffen. Das zur Verfügung stehende Gasvolumen wird dadurch vergrößert, um so die Federcharakteristik des Systems zu verändern.

Durch Schließen der Ventile 21, 22 kann der stangenartige Körper in einer gewünschten Stellung verriegelt werden. Vermittels der Hydraulikpumpe 33 und ihres Motors 36 kann der stangenartige Körper 1 nunmehr fortlaufend von einer Endstellung in die andere bewegt werden, so daß sich in Verbindung mit dem Schwingflügel 8 die Wirkung eines hydro­ mechanischen Antriebs ergibt.

Es versteht sich, daß auch andere Antriebssysteme für das Erzeugen einer Bewegung des stangenartigen Körpers 1 An­ wendung finden könnten. So könnte beispielsweise eine un­ mittelbare motorische Betätigung über Ritzel und Zahnstange vorgesehen sein. Es besteht die Möglichkeit, einen kombi­ nierten Vortrieb des Boots vermittels des Antriebs durch Seegang und des Motorantriebs für den Fall anzuwenden, daß die Wellen zu klein sind, um dem Boot die erforderliche Geschwindigkeit zu verleihen. Vermittels des Motors wird in einem solchen Fall der stangenartige Körper 1 mit dem Schwingflügel 8 in einer Welle nach abwärts geschoben, die nach aufwärts verläuft, und wird in einer nach unten ver­ laufenden Welle nach oben bewegt.

Darüber hinaus kann man, wenn ausreichend große Wellen zur Verfügung stehen, Energie vermittels der Bewegung des stangenartigen Körpers 1 ansammeln oder speichern. Dies kann dadurch erfolgen, daß die Bewegung des stangenartigen Körpers 1 vermittels eines elektrischen Generators ge­ bremst oder verzögert wird oder daß hydraulischer oder pneumatischer Druck aufgebaut und innerhalb des Boots nutzbar gemacht wird. Darüber hinaus ist es auch möglich, Energie dadurch zu speichern, daß ein Schwungrad in Drehung versetzt wird. In vielen Fällen kann es von Vorteil sein, wenn der Schwingflügel, während er über den stangenartigen Körper 1 Energie aufnimmt, in seiner Neutralstellung oder in der Nähe der Neutralstellung fixiert werden kann.

Es sei auch bemerkt, daß die oben beschriebenen Ausführungs­ beispiele von Seegang-Antrieben modifiziert oder mit dem Seegang-Antrieb kombiniert werden können, wie er in der norwegischen Patentanmeldung 1 40 231 (entsprechend der DE-OS 28 48 864) des Anmelders beschrieben ist, um dadurch den Vortriebswirkungsgrad noch weiter zu verbessern. Dabei wäre der Schwingflügel, anstatt die hier gezeigten Anschläge für ihn vorzusehen, mit einer beispielsweise mechanisch arbeitenden, federnachgiebigen Einrichtung versehen, die fortwährend versucht, den Schwingflügel in die neutrale oder horizontale Stellung zurückzubewegen.

Der hier aufgezeigte Seegang-Antrieb kann mit Vorteil für den Betrieb oder den Vortrieb vielfältiger Arten von Schwimmkörpern eingesetzt werden. In der schematisch ver­ einfachten, perspektivischen Ansicht von Fig. 3 ist ein ringförmiger Schwimmkörper 38 gezeigt, der mit zwei nur sehr schematisiert dargestellten Seegang-Motoren 39 ver­ sehen ist, die dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ent­ sprechen. Eine derartige schwimmende Struktur kann mit einem, mit zwei oder mehreren derartigen Motoren versehen sein, die den obigen Vorschlägen entsprechend modifiziert sein können, um z. B. den möglicherweise verankerten Schwimm­ körper für eine Drehbewegung anzutreiben. Dieses Prinzip kann beispielsweise dazu benutzt werden, um einen Schwimm­ körper durch Seegangskräfte anzutreiben, welcher mit einer Einrichtung zur Energieerzeugung, beispielsweise zur Er­ zeugung elektrischer Energie, vermittels der durch die Motoren bewirkten Vortriebsbewegung oder Drehbewegung aus­ gerüstet ist.

Claims (5)

1. Den Seegang ausnützender Motor für den Antrieb eines Schwimmkörpers, insbesondere Schiffsantrieb, mit einem mit dem Schwimmkörper verbundenen, sich nach abwärts erstreckenden Träger, einem im wesentlichen horizontal angeordneten, platten­ artigen Schwingflügel, der in seinem, bezogen auf die Fahrt­ richtung, vorderen Bereich schwenkbar mit dem unteren Ende des Trägers verbunden ist, um aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Schwingflügel und dem umgebenden Wasser eine Schwenk­ bewegung des Schwingflügels hervorzurufen, wenn der auf dem Wasser schwimmende Schwimmkörper unter Einwirkung des Seegangs angehoben und abgesenkt wird, und einer am Träger angeordneten Einrichtung zum Begrenzen der Schwenkbewegung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (1) für eine im wesentlichen in verti­ kaler Richtung relativ zum Schwimmkörper (4) verlaufende Be­ wegung an diesem in einer Lagerung (2, 3) verschiebbar gelagert ist und daß eine Rückstelleinrichtung (5, 6, 7; 12, 13, 14) vorgesehen ist, um den Träger (1) bezüglich dieser vertikalen Relativbewegung nachgiebig in einer Mittelstellung zu halten und in diese Stellung zurückzuführen, wenn der Träger (1) sich unter Einfluß von durch den Seegang erzeugten Kräften aus der Mittelstellung bewegt hat.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger stangenartig (1) und in seiner Lagerung (2, 3) axial­ verschiebbar ist und daß die Rückstelleinrichtung als Federme­ chanismus (5, 6; 12 bis 24) ausgebildet ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus zwei Federn (5 und 6) aufweist, die sich an entgegengesetzten Seiten eines an dem Träger (1) befestigten Haltegliedes (7) abstützen, so daß die Federn (5, 6) in entgegen­ gesetzten Richtungen axial auf den Träger (1) einwirken.

4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus als hydropneumatische Einrichtung mit zwei Hydraulikzylindern (12, 13) ausgebildet ist, deren zuge­ hörige Kolben (14 bzw. 15) mit dem Träger (1) verbunden sind und in entgegengesetzten Richtungen axial auf den Träger (1) einwirken, und daß jeder der Hydraulikzylinder (12, 13) mit einem hydropneumatischen Speicher (23 bzw. 24) verbunden ist, der eine durch ein Druckgas beaufschlagte Membran enthält.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikzylinder (12, 13) mit ihren zugehörigen Speichern (23, 24) über schließbare Ventile (21, 22) verbunden sind und daß eine Hydraulikpumpe (33) vorgesehen ist, mittels deren die Kolben (14, 15) hin- und hergehend verschiebbar sind, um eine entsprechende Bewegung des Trägers (1) und des Schwing­ flügels (8) hervorzurufen.