DE3220381C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der periodischen Wellenbewegung einer Flüssigkeit in nutzbare Energie unter Ausnutzung der Relativbewegung zwischen einem Schwimmer und einem Traggestell mit einer Energieumwandlungseinrichtung und einer Mutter- Spindel-Anordnung, wobei Mutter und Spindel axial und drehbar relativ zueinander beweglich sind, und wobei ein Teil der Mutter-Spindel-Anordnung mit dem Schwimmer verbunden ist und das andere Teil der Mutter-Spindel- Anordnung über eine Kupplung mit der Energieumwand­ lungseinrichtung verbunden ist, wobei diese Verbindung bei einer Bewegungsrichtung des Schwimmers hergestellt und bei der anderen Bewegungsrichtung des Schwimmers gelöst wird.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus der FR-PS 24 66 636 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der Schwimmer fest mit einer vertikal beweglichen Spindel­ stange verbunden, auf der eine Mutter sitzt, die in vertikaler Richtung festgelegt ist. An einer mit der Mutter fest verbundenen Welle sind zwei Riemenscheiben konzentrisch angeordnet, die Freiläufe in verschiedenen Drehrichtungen aufweisen. Jede dieser Riemenscheiben ist über einen Riemen mit einer weiteren Riemenscheibe verbunden, die auf der Achse des elektrischen Genera­ tors befestig ist. Einer der Riemen ist über Kreuz geführt, so daß der elektrische Generator sowohl bei der Auf- als auch bei der Abwärtsbewegung der Spindel­ stange immer in einer bestimmten Richtung angetrieben wird. Sowohl in der Mutter-Spindel-Anordnung als auch in der Kupplung dieser Vorrichtung treten jedoch Reibungsverluste auf, die den Wirkungsgrad der Energie­ umwandlung nachteilig beeinflussen. Selbst beim Lösen der Verbindung zwischen Mutter und elektrischem Genera­ tor sind die Freiläufe noch mit einer gewissen Reibung behaftet.

Zur Verringerung der Reibung einer auf einer Spindel rotierenden Mutter sind Kugellager bekannt, wobei die Kugeln zwischen den Gewindegängen der Spindel und der Mutter angeordnet sind und über einen Rücklaufkanal in der Mutter zirkulieren können. Ein solches Kugelumlauf­ lager ist in der US-PS 35 12 426 beschrieben. Dabei erstreckt sich der Kugelrücklaufkanal in axialer Richtung innerhalb der Mutter zwischen den beiden Enden ihres Gewindeganges. An den beiden in dem Gewindegang führenden Öffnungen des Kugelrücklaufkanals sind Stifte zur Ablenkung der Kugeln aus dem Zwischenraum zwischen den Gewindegängen der Mutter und Spindel in den Rücklaufkanal angeordnet. Besondere Anwendungsmöglich­ keiten sind dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung periodischer Wellenbewegungen in nutzbare Energie werden anstelle der Mutter-Spindel-Anordnung andere Kraftübertragungseinrichtungen verwendet. So ist nach der US-PS 9 94 728 eine Welle mit einem Rechts- und einem Linksgewinde vorgesehen, die am Schwimmer be­ festigt ist. Die Welle treibt zwei Räder an, die beide über Ratscheneinrichtungen mit einem einzelnen An­ triebsrad verbunden sind und dieses in einer Richtung antreiben. Derartige Ratscheneinrichtungen sind jedoch mit noch höheren mechanischen Verlusten behaftet als die oben erwähnten Freilaufeinrichtungen. Aus der US-PS 7 73 285 ist eine stationäre Gewindespindel bekannt, die durch die Auf- und Abwärtsbewegung eines Schwimmers in Drehung versetzt wird. Während der Aufwärtsbewegung des Schwimmers greift ein Stift einer Hülse in den Gewindeteil der Spindel ein, um die Spindel anzutrei­ ben.

Anstelle einer Spindel werden bei anderen bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung der Bewegungsenergie von Meereswellen in elektrische Energie Zahnstangen und Rädertriebe verwendet. Nach der DE-OS 29 34 288 sind Zahnstangenantriebe vorgesehen, die mit je zwei mit einem Freilauf versehenen Zahnrädern zusammenwirken. Die Zahnräder sind ihrerseits über Kegelräder, ein Schwungrad und ein Übersetzungsgetriebe mit der An­ triebswelle eines Generators verbunden. Eine Doppel­ zahnstange mit zwei Rädertrieben ist ebenfalls aus der FR-PS 5 31 060 bekannt. In allen Fällen sind beträcht­ liche Reibungsverluste vorhanden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umwandlung der periodischen Wellenbewegung einer Flüssigkeit in nutzbare Energie dahingehend zu verbessern, daß die bei der Umwandlung entstehenden mechanischen und elektrischen Verluste verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Spindel und der Mutter eine Kugelumlaufla­ gerung angeordnet ist und daß das Teil der Mutter-Spin­ del-Anordnung, das über die Kupplung mit der Energieum­ wandlungseinrichtung verbunden ist, in eine erste Stellung, in der dieses Teil mit der Energieumwand­ lungseinrichtung in Eingriff steht, anhebbar und in eine zweite Stellung, in der dieses Teil von der Energieumwandlungseinrichtung getrennt ist, absenkbar ist.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion werden sowohl die Reibungsverluste in der Mutter-Spindel-An­ ordnung, als auch in der Verbindung zwischen der Mutter und der Energieumwandlungseinrichtung erheblich ver­ ringert. Insbesondere besteht im ausgekuppelten Fall keinerlei Verbindung mehr zwischen An- und Abtrieb.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem ein elektrischer Generator als Energieumwandlungseinrich­ tung mit einem relativ zu dem Traggestell feststehenden Generatorteil und einem relativ zu dem Traggestell drehbaren Generatorteil verwendet wird, ist die Spindel mit dem Schwimmer und die Mutter über die Kupplung mit dem drehbaren Generatorteil verbunden.

Dabei kann die Kupplung so ausgebildet sein, daß sie eine Kupplungsplatte, die an der Mutter befestigt ist, mit einer kegelstumpfförmigen äußeren Kupplungsfläche aufweist, daß der drehbare Generatorteil wirksam mit einem Kupplungsring verbunden ist, der eine kegel­ stumpfförmige umlaufende innere Kupplungsfläche auf­ weist, und daß die äußere Kupplungsfläche der Kupp­ lungsplatte an die innere Kupplungsfläche des Kupp­ lungsrings in der ersten Stellung der Mutter anlegbar ist.

Zur weiteren Vermeidung elektrischer Verluste ist zweckmäßigerweise eine Schaltereinrichtung vorgesehen, die zwischen dem elektrischen Generator und der Kupplung angeordnet ist und mit der der Generator erregbar ist, wenn die Mutter sich in ihrer ersten Stellung befindet, und der Generator entregbar ist, wenn die Mutter sich in ihrer zweiten Stellung befindet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Ausführungs­ beispiels,

Fig. 2 eine vergrößerte, schematische Schnittansicht des elektrischen Generators und der Mutter-Spindel- Anordnung, wobei zur Veranschaulichung be­ stimmter Details einige Teile weg­ gebrochen sind.

Die Vorrichtung zur Umwandlung der periodischen Wel­ lenbewegungen der Oberfläche von Wasser in elektrische Energie ist allgemein mit 10 bezeichnet.

Nach Fig. 1 umfaßt die Vorrichtung 10 ein Traggestell 12, das in einer relativ zur Oberfläche des Wassers 14 im wesentlichen festen Position aufstellbar ist und ein beträchtliches Stück über die Wasseroberfläche 14 hinausragt. Das Traggestell 12 kann gleich oder ähnlich aufgebaut sein wie eine Bohrinsel und umfaßt Beine 16, die von einer Basis 17 nach oben ragen. Die Basis 17 ist am Grunde des Wassers in geeigneter Form ver­ ankert. Die Beine 16 tragen eine Plattform 18 und die Plattform 18 dient zur Aufnahme eines Generatorge­ häuses 20 und einer Turmplattform 21. Die Turmplatt­ form 21 trägt über dem Generatorgehäuse 20 ein Rahmen­ gestell 22, das ähnlich aufgebaut ist wie ein Ölbohr­ turm. Es sei bemerkt, daß die oben beschriebenen Ge­ stelle nur schematisch dargestellt sind und an unter­ schiedliche Umgebungen durch entsprechende Änderung der Konstruktion angepaßt werden können.

Weiter ist ein Schwimmer 23 vorgesehen, der mit einem inneren Hohlraum 24 versehen ist. Der Hohlraum 24 kann wahlweise mit Wasser gefüllt und wieder entleert werden und ist, wenn er nicht gefüllt ist, entlang einer Führung 26 in vertikaler Richtung beweglich. Die Führung 26 erstreckt sich in Längsrichtung entlang dem Traggestell 12 und ist an diesem befestigt. Der Schwim­ mer weist einen Rahmen 28 auf, an dem Lauf­ rollen 30 vorgesehen sind. Die Laufrollen 30 stehen mit der Führung 26 in rollendem Kontakt, so daß der Schwim­ mer 23 in Abhängigkeit von der Wellenbewegung der Oberfläche 14 des Wassers relativ zu der Führung 26 in vertikaler Richtung eine steigende und fallende Bewegung ausführen kann, und zwar zwischen den in Fig. 1 dargestellten Positionen, die mit ausgezogenen bzw. strichpunktierten Linien gekennzeichnet sind. Die Führung 26 kann konstruktiv auch anders ausgeführt sein, um den Schwimmer 23 bei der vertikalen Bewe­ gung zu führen. Beispielsweise könnte eine Führung vorge­ sehen sein, die völlig unabhängig von dem Tragge­ stell 12 ausgebildet ist.

Das Steigen und Fallen des Schwimmers 23 wird über eine Mutter-Spindel-Anordnung in eine Drehbewegung überführt. Die Mutter-Spindel-Anordnung weist eine mit Schraubgewinde versehene Spindel 32 und eine mit Innengewinde versehene Mutter 34 auf, wie in Fig. 2 dargestellt. Zwischen den Gewindegängen der Spindel 32 und der Mutter 34 ist eine Kugelumlauflagerung angeordnet. Die Lagerkugeln 36 zirkulieren innerhalb der Mutter-Spindel-Anordnung. Dabei weist die Mut­ ter-Spindel-Anordnung einen Kugelrücklaufkanal 38 auf, der sich innerhalb der Mutter 34 in axialer Richtung erstreckt und einen Umlauf der Lagerkugeln 36 entlang und zwischen den Gewindegängen der Mutter 34 und Spindel 32 erlaubt. Dieser Mechanismus schafft eine extrem wirksame Bewegungsübertragung von der sich linear bewegenden Spindel 32 auf die ro­ tierende Mutter 34.

Die Spindel 32 und die Mutter 34 sind relativ zueinander in axialer und in Umfangsrichtung beweglich. Die Spindel 32 weist ein erstes End­ teil auf, das bei 40 wirksam an dem Rahmen 28 des Schwimmers 23 befestigt ist. Die Verbindung 40 ist so ausgebildet, daß sie geringe seitliche und Schwenkbewegungen zwischen der Spindel 32 und dem Rahmen 28 zuläßt, jedoch eine Drehbewegung der Spindel 32 unterbindet. Die Spindel 32 ist in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung des Schwimmers 23 in vertikaler Richtung beweglich. Selbst wenn die Bewegung des Schwimmers 23 und der Spindel 32 im wesentlichen vertikal verläuft, erlaubt die Verbindung 40 eine geringe seit­ liche oder Schwenkbewegung des Schwimmers 23 und der Spindel 32 relativ zueinander.

Das obere Endteil 42 der Spindel 32 geht in­ nerhalb des Rahmengestells 22 auf und ab, wobei das Rahmengestell 22 um die Spindel 32 herum eine schützende vertikale Führungskonstruktion bildet. Das Traggestell 12 weist ferner eine der Sicherheit die­ nende Begrenzungseinrichtung 44 auf, um die Aufwärts­ bewegung des Schwimmers 23, die durch die Wellenbewegung der Wasseroberfläche 14 erzeugt wird, zu begrenzen.

In Fig. 2 ist ein elektrischer Generator 46 in sche­ matischer Darstellung veranschaulicht, der auf dem Gehäuse 20 auf der Plattform 18 oberhalb der Wasser­ oberfläche 14 befestigt ist. Der Generator 46 kann von beliebiger herkömmlicher Bauweise sein. In der Zeichnung ist er in schematischer Darstellung in Flachbauweise dargestellt. Der Generator 46 setzt sich aus einem ersten und einem zweiten ringförmigen Generatorteil 48 bzw. 50 zusammen. Der erste Gene­ ratorteil 48 ist in geeigneter Weise wirksam auf dem Traggestell 12 befestigt. Der zweite Generator­ teil 50 ist in entsprechender Weise an einem Kupp­ lungsring 51 befestigt, der mit einem ringförmigen Flansch versehen ist. Dieser Flansch läuft in Lagern 52 im Gehäuse 20 und ist somit relativ zu dem Trag­ gestell 12 und dem Generatorteil 48 drehbar gelagert, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Drehung des zweiten Generatorteils 50 mit dem Kupplungsring 51 relativ zu dem festen ersten Generatorteil 48 erzeugt also in herkömmlicher Weise Elektrizität.

An der Mutter 34 ist eine ringförmige Kupplungs­ platte 54 mit Hilfe von Befestigungselementen 56 fest­ gelegt. Die Mutter 34 sitzt in geeigneten La­ gern 58, die innerhalb eines Stützelementes 60 ange­ ordnet sind. Das Stützelement 60 ist seinerseits bei­ spielsweise mit Hilfe von Befestigungselementen 62 an der Plattform 18 befestigt. Das Stützelement 60 und die Lager 58 tragen also die Mutter 34, so daß diese eine Drehbewegung ausführen kann, wenn sich die Spindel 32 auf- und abbewegt, wobei der Mut­ ter 34 eine leichte Heb- und Senkbewegung möglich ist, und zwar im wesentlichen im Einklang mit der Spin­ del 32, wie im nachfolgenden im einzelnen beschrie­ ben. Der Kupplungsring 51 weist eine zurückgesetzte Ausnehmung auf, die eine innere ringförmige, kegel­ stumpfförmige Kupplungsfläche 53 aufweist. Die Kupp­ lungsfläche 53 kann wahlweise mit einer äußeren ring­ förmigen kegelstumpfförmigen Kupplungsfläche 55, die an der Kupplungsplatte 54 vorgesehen ist, in wirk­ samen Kupplungseingriff und außer Eingriff gebracht werden.

Es soll nun die Wirkungsweise der Anordnung beschrie­ ben werden. Es kann angenommen werden, daß sich der Schwimmer 23 in seiner tiefsten Stellung be­ findet, und zwar in einem Wellental, wie in Fig. 1 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist. In dieser Stellung liegen die Kupplungsplatte 54 und die Mutter 34 etwas unterhalb in einem Abstand von dem Kupplungsring 51, d. h., daß die Kupplungsflächen 53 und 55 außer Eingriff stehen. Wenn an dem Schwimmer 23 eine Welle vorbeiläuft, wird der Schwimmer 23 in die in Fig. 1 strichpunktiert dargestellte Lage angehoben. Wenn sich der Schwimmer 23 hebt, bewegt sich die Spindel 32 in gleicher Weise nach oben, wobei die Verbindung 40 eine Drehung der Spindel 32 verhindert. Wenn die Spindel 32 sich zu heben beginnt, so tritt zunächst keine Drehung der Mutter 34 auf, und zwar aufgrund der Herstellungstoleranzen der entsprechenden Gewinde­ gänge von Mutter 34 und Spindel 32 und der zwischen diesen angeordneten Lagerkugeln 36, und auch weil zunächst noch keine wesentliche Belastung auf die Mutter 34 ausgeübt wird. Während dieser Anfangsbewegung wer­ den also die Mutter 34 und die an dieser be­ festigte Kupplungsplatte 54 im wesentlichen im Ein­ klang mit der Spindel 32 nach oben in eine erste Stellung gehoben, in der die Kupplungsfläche 55 der Kupplungs­ platte 54 sich an die Kupplungsfläche 53 des Kupplungs­ rings 51 anlegt. Von diesem Zeitpunkt an wird eine weitere axiale oder Hebebewegung der Mutter 34 unterbunden und es erfolgt eine Drehung der Mutter 34 und der Kupplungsplatte 54 relativ zur Spindel 32, wenn sich letztere weiter in Auf­ wärtsrichtung bewegt. Als Folge davon wird der zweite Generatorteil 50 in Drehrichtung angetrieben, um Elektrizität zu erzeugen.

Das Umgekehrte geschieht, wenn der Schwimmer 23 sich abzusenken beginnt. Wenn der Schwimmer 23 über einen Wellenberg reitet und sich nach unten zu bewegen beginnt, wird die Kraft, die vorher auf die Mutter 34 ausgeübt wurde, im wesentlichen ent­ fernt, wodurch die Mutter 34 sich ein Stück nach unten bewegt, und zwar innerhalb der Lager 58 etwa im Gleichklang mit der nach unten gerichteten Bewe­ gung der Spindel 32. Dadurch wird die Kupp­ lungsplatte 54 nach unten in eine zweite Position be­ wegt, in der sie nicht mehr mit der Kupplungsfläche 53 des Kupplungsrings 51 im Eingriff steht, so daß der zweite Generatorteil 50 entkuppelt ist. Die lineare Aufwärtsbewegung des Schwimmers 23 wird also in eine Drehbewegung des Generatorteils 50 umgesetzt, während die Abwärtsbewegung des Schwimmerelementes das Mutterelement von dem Generatorteil 50 entkuppelt.

Ferner ist eine Schaltereinrichtung 64 vorgesehen, mit der die Windungen des Generators 46 wahlweise erregt und entregt werden können, wenn sich die Spindel 32 nach oben bzw. unten bewegt, so daß die Last des Generators 46 nur dann ausgeübt wird, wenn sich die Spindel 32 nach oben bewegt, um Elektrizität zu erzeugen. Während des Abwärtshubes der Spindel 32 wird die Kraft des Generators 46 eliminiert. Eine solche Schaltereinrichtung 64 ist in Fig. 2 der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar umfaßt sie einen Mikroschalter, der in einer zu­ rückgesetzten Ausnehmung des Kupplungsrings 51 ange­ ordnet ist und einen Arm 65 aufweist, der wahlweise an die obere Fläche der Kupplungsplatte 54 anlegbar und von dieser abhebbar ist. Wenn sich also die Spin­ del 32 nach oben bewegt und die Kupplungsplatte 54 an den Kupplungsring 51 anlegt, wie in Fig. 2 dar­ gestellt, wird der Mikroschalter aktiviert, um die Windungen des Generators 46 zur Erzeugung von Elektrizi­ tät zu erregen. Wenn die Spindel 32 wieder zu fallen beginnt, wie oben beschrieben, und dabei die Kupplungsplatte 54 in ihre zweite Lage bringt, in der sie von dem Kupplungsring 51 entkuppelt ist, funktio­ niert der Mikroschalter in der Weise, daß er die Windungen des Generators 46 entregt. Folglich wird der Generator 46 in einer Drehrichtung angetrieben, bei der seine Windungen erregt sind, um Elektrizität zu er­ zeugen, wenn die Spindel 32 angehoben wird, während die Windungen des Generators 46 bei der Abwärts­ bewegung der Spindel 32 entregt sind.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der zweite Generatorteil 50 und der Kupplungsring 51 während der Abwärtsbewegung der Spindel 32 als Schwungrad wirken, d. h., daß sie mit einer ver­ minderten Drehzahl weiterlaufen. Wenn die Spindel 32 ihren nächsten Bewegungszyklus nach oben beginnt und die Kupplungsplatte 54 mit dem Kupplungs­ ring 51 kuppelt, wirkt die in dem zweiten Generator­ teil 50 und dem Kupplungsring 51 gespeicherte Energie in der Weise, daß die Kraft reduziert wird, die sonst auf die Mutter-Spindel-Anordnung zu Beginn eines neuen Zyklus zur Erzeugung elektrischer Energie ausgeübt würde.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Umwandlung der periodischen Wellen­ bewegung einer Flüssigkeit in nutzbare Energie unter Ausnutzung der Relativbewegung zwischen einem Schwimmer und einem Traggestell mit einer Energieum­ wandlungseinrichtung und einer Mutter-Spindel-Anord­ nung, wobei Mutter und Spindel axial und drehbar relativ zueinander beweglich sind, und wobei ein Teil der Mutter-Spindel-Anordnung mit dem Schwimmer verbunden ist und das andere Teil der Mutter-Spin­ del-Anordnung über eine Kupplung mit der Energieum­ wandlungseinrichtung verbunden ist, wobei diese Verbindung bei einer Bewegungsrichtung des Schwim­ mers hergestellt und bei der anderen Bewegungsrich­ tung des Schwimmers gelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spin­ del (32) und der Mutter (34) eine Kugelumlauflage­ rung angeordnet ist und daß das Teil der Mutter- Spindel-Anordnung, das über die Kupplung mit der Energieumwandlungseinrichtung verbunden ist, in eine erste Stellung, in der dieses Teil mit der Energie­ umwandlungseinrichtung in Eingriff steht, anhebbar und in eine zweite Stellung, in der dieses Teil von der Energieumwandlungseinrichtung getrennt ist, absenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei Verwendung eines elektrischen Generators (46) als Energieumwandlungs­ einrichtung mit einem relativ zu dem Traggestell fest stehenden Generatorteil und einem relativ zu dem Traggestell drehbaren Generatorteil, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spindel (32) mit dem Schwimmer (23) und die Mutter (34) über die Kupplung mit dem drehbaren Generator­ teil (50) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplung eine Kupplungsplatte (54), die an der Mutter (34) befestigt ist, mit einer kegelstumpfförmigen äußeren Kupplungsfläche (55) aufweist, daß das drehbare Generatorteil (50) wirksam mit einem Kupplungsring (51) verbunden ist, der eine kegelstumpfförmige umlaufende innere Kupplungsfläche (53) aufweist, und daß die äußere Kupplungsfläche (55) der Kupplungs­ platte (54) an die innere Kupplungsfläche (53) des Kupplungsrings (51) in der ersten Stellung der Mutter (34) anlegbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekenn­ zeichnet durch eine Schaltereinrichtung (64), die zwischen dem elektrischen Generator (46) und der Kupplung angeordnet ist und mit der der Generator (46) erregbar ist, wenn die Mutter (34) sich in ihrer ersten Stellung befindet, und der Generator (46) entregbar ist, wenn die Mutter (34) sich in ihrer zweiten Stellung befindet.