DE3518516A1 - Windangetriebenes schiff - Google Patents

Description

• Windantrieb für Schiffe
• b) Lötung der gestellten Aufgabe Die gestellte Aufgabe ist es, d. unter a)genannten Verfahren bzw. die ihnen zugrunde liegenden physisalischen Vorgänge mit Hilfe eines im Grundaufbau identischen Gerätes zu lösen, welches lediglich durch automatisch realisierbare Variationen zu den drei Wirkungen gelangt.
• Das Segel-/Flettner-Rotor/Windkraftanlagen Gerät ("SFWG") wird mit einem unmittelbar verbundenen, flügelverstlellbaren und eintauchtiefenregelbaren Voith-Schneider-Propeller ("VSP") 4) sombiniert.
• 1.) Beschreibung der SFWG-VSP-Kombination 1.1.) Aufbau und Funktion Das SFWG (Pos. 11,17,22) besteht im Wesentlichen aus -einem drehbaren Turm (Pos.4), -vier Flügeln mit aerodynamischem Profil einer Vertikalachsrotoren-Windsraftanlage (WKA) (Pos.21) sowie -einer Ummantelung (Pos.20).
• Der Turm des SFWG hat aus Stabilitätagründen einen großen Durchmesser mit einer entsprecnenden Lagerung (Pos.5). Die Größe des Turmfußes erlaubt die Anordnung des VSP (Pos.6) im Inneren des Turmfußes.
• Die Drehenergie-Ubertragung geschieht formschlüssig (Verzahnung) im Bereich des größten Drehmomentes (Bild 5).
• Ausfahren und Einziehen des VSP geschieht durch Hydrauliszylinder (Pos.7) und -stempel (Pos.8).
• Die Bremse (Pos.9) dient der Positionierung bei Segelbetrieb und beim Festsetzen des SFWG als WKA bei Extremwinden und Windstille.
• Der E-Rotor/Generator (Pos.10) dient der Feinpositionierung des SFWG bei Segelbetrieb bzw. der elektrischen Abbremsung (und Nutzung) bei Leistungsüberschuß im7WEX-Betrieb.
• 1.1.1.) Segelbetrieb Bei Wind von achtern geschieht das "Segelsetzen" durch Bespannung eines halben SFWG (Pos.11).(Der Wind wird in einer offenen Halbschale "eingefangen".) Der VSP ist eingezogen.
• In der dargestellten Ausführung wird dabei die Bespannung mittels Laufwagen, (Pos.12,Bild 6), Stützreifen (Pos.13) sowie Straffseilen (Pos. 14) und -rollen (Pos. 15) erreicht. Die Laufwagen haben elestrischen Einzelantrieb (Pos.16). In Bild 6 ist ein Laufwagen im Bereich der Verbindung der Umspannung von Segel-und Flettner-Rotor-Betrieb dargestellt. Der um 900 versetzte Laufwagen hat einen durchgehenden Stützreifen.
• Die Höhe der Bespannung richtet sich nach der Windstärke.
• 1.1.2.) Flettner-Rotor-Betrieb Bei seitlichen Winden wird das SFWG zu einem voll umschlossenen Zylinder umspannt. (Pos.17). Die Umspannung wird durch gleichzeitiges Hochfahren aller Laufwagen realisiert. Zuvor sind die Stützreifen durch einen Verbindungsbolzen (Pos18) an den Verbindungsstellen zusammengefügt worden.
• Die Höhe der Umspannung ist eine Regelgröße, sofern der verbleibende, als WKA arbeitende Teil eine Drehrichtung erzeugt, welche dem Schiffsvortrieb entspricht. Anderenfalls, bzw.grundsätzlich wird die Rotation durch Eintauchen des VSt und dessen Anströmung durch die Relativbewegung des Wassers zum Schiff aufgebracht.
• Die Drehrichtung wird durch die übliche Verstellmechanik eines VSP (Pos.19), die Drehgeschwindigkeit des VS,vor allem über dessen Eintauchtiefe geregelt.
• Beim Anfahren des Schiffes sann die Rotation entweder mittels des E-Motors (Pos.10) erreicht werden oder indireKt über den Hilfsantrieb (Pos.Z3-.
• 1.1.3.) WKA-Betrieb Bei Wind von vorn ist die Bespannung des vierflügligen WKA-Rotors (Pos.22) in den Bereich der Verkleidung (Pos.3) herunter gefahren, Das SFWG wird durch den Wind in Rotation versetzt.
• Der VSP wird in das Wasser gesenkt. Das Schiff erfährt durch seine Rotation den Vortrieb. Die Anlage wird wie vorher beschrieben geregelt.
• 2.) Anordnung der SFWG/VSP und Schiffsform Grundsätzlich besteht die Möglichseit, ein Schiff durch ein einzelnes SFWG/VSP anzutreiben. Die argestellten Größenverhältnisse der Anlage gehen von folgenden Annahmen aus: -Die Segelfläche eines fünf-Mast-Schiffes wird auf die eines einzelnen SFWG sonzentriert.
• -Diese Segelfläche erbringt beim Wasserwiderstand eines Schwimmkörpers (Pos.1) eine akzeptable Geschwindigkeit.
• -Aus Stabilitätsgründen wird ein zweiter Schwimmsörper mit einer Plattform zu einem Katamaran gefügt.
• -Die Segelfläche des zweiten »tWW gleicht den Wasserwiderstand des zweiten Schwimmkörpers aus.
• -Die Segelfläche des dritten SFWG gleicnt den Luftwiderstand der Plattform sowie die größere Eintauchtiefe der Schwimmsörper aus und dürfte insgesamt dem Schiff eine noch größere Geschwindigkeit geben.
• -Durch die in Bild 2 dargestellte Anordnung der drei SFWt wird deren gegenseitige Abschattung bei den vier Hauptwindrichtungen vermieden. Lediglich jeweils ein SFWG wird bei Winden 300 vorn steuerbords und 600 achtern backbords abgeschattet.
• Windantrieb für Schiffe c) Vorteile der Erfindung 1.) Der aufgezeigte Antrieb nutzt die verfügbare Windenergie bei jeder Windrichtung optimal und bewirkt damit eine hohe Durchschnittsgeschwindigueit des Schiffes.
• 2.) Das Verhältnis von energetisch umsetzbarem Windvolumenstrom zur Beladungsgröße und zum Wasserwiderstand des Schiffes wird verbessert.
• 3.) Durch die Kombination von - Segel - Flettner-Rotor - Windsraftanlage -Voith-Schneider-Propeller in einem Gerät sowie durch die aufgezeigte Aufteilung von drei Geräten ergeben sich optimale Regelungsbedingungen von Betriebszuständen und deren Stufen.
• 4.) Bei diesen Betriebszuständen werden die hersömmlichen Nutzungstechniven jeweils einzeln in ihrer EffeKtivität übertroffen: - Segelantrieb - Durch den Verzicht auf hintereinander angeordnete Segel zugunsten der Konzentration der Nutzungsfläche auf ein frei angeströmtes Segel wird die SchiffsgeschwindigKeit wesentlich ernöht.
• - Eine Verringerung der effektiven Segelfläche bei seitlichem Wind tritt nicht ein, weil das günstigere Flettner-Rotor-Verfahren unter Verwendung der Segel-Einrichtungen genutzt werden kann.
• - Eine Verringerung der Durchschnittsgeschwindigiceit bei Wind vonj>orn tritt nicht ein, weildas günstigere Windkraftanlagen/Schiffspropeller-Verfahren unter Verwendung der Segel-Xinrichtungen genutzt werden kann.
• - Flettner-Rotor-Antrieb - Die gegenüber heriömmlichen Schiffen vergrößerten Rotoren sind aufgrund der Stabilität des Schiffs körpers vertretbar und bewirken bei seitlichen Winden eine erhebliche Steigerung der Schiffsgeschwindigeit.
• - Durch die Rotationsaufbringung für den Flettner-Rotor mittels des direkt gesoppelten Voith-Schneider-Propellers bzw. eines Teiles der WindAraftanlage wird das Flettner-Rotor-System fremdenrgieunabnängig und arbeitet ohne die Umsetzungsverluste bei der elektrischen Ubertragung der Rotationsenergie.
• - Bei Winden von achtern bzw. von vorn entfällt die Verwendung von thermischer Antriebsenergie weil die günstigeren Segel-bzw. Windkraftanlagen-Verfahren unter Verwendung der Flettner-Rotor-Einrichtungen genutzt werden können.
• - Windsraftanlagenantrieb - Wegen der Schiffsform können die Windsraftanlagen vergrößert und damit die Schiffsgeschwindigseit gesteigert werden.
• - Durch die Verwendung des Vertivalachsrotorprinzips im sombinierten Gerät entfällt gegenüber Horizontalachsrptoren die Windrichtungsnachführung.
• - Durch die Kombination der Windraftanlage mit einem direst angetriebenen Voi'th-Schneider-Propeller entfallen Winselgetriebe und lange Wellenleitungen (Gegenüber Horizontalachs-Windsraftanlagen und Horizontalachs-Wasserpropeller).
• - InsDesondere der mittlere Voith-Schneider-Propeller arbeitet ohne die sonst übliche Verschlechterung der Strömungsverhältnisse von Horizontal-oder Vertivalachspropeller durch den Schiffsrumpf. Gleicnes gilt für die bzw. den Hilfs-/Schleppropeller am Ende der Plattform.
• Bei Winden von hinten bzw. von der Seite entfallen die aerodynamischen Verluste bei der inergieumsetsung an der Windsraftanlage (max.59vp des Energiegehalts im Wind sind physiralisch nutzbar) und die strömungsmechanischen Verluste am Voith-Schmeider-Propeller, weil die günstigeren Segel-bzw. Flettner-Rotor-Verfahren unter Verwendung der Einrichtungen der Windkraftanlage angewendet werden können.
• Windantrieb für Schiffe Literatur-bzw. Quellenverzeichnis 1) Dr. Arnd Bernaerts und Victor Gummis, Hamburg "Energieeinsparung durch Wind" HANSA, 1983, Nr.11, S. 1012-1017 2) Claus Wagner "Technische und wirtschaftliche Aspekte für einen Windzusatzantrieb mit Rotoren am Beispiel eines 50 000-tdw-Bulkcarriers" Schif.& Hafen / tommandobrücse, 1382, Heft 9, 5.133-143 3) D.C. Marschall und A.J. iates "Leistungsverhalten eines Versuchsboots mit Windturbinen-Antrieb" Wind<raftjournal, 1982, Nr. 2, S. 59 bis 61 4) Voith-Schneider-Propeller Technik, Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/Zürich, Meyers Lexisonverlag, S. 378-379 Windantrieb für Schiffe d) Skizzen Bild 1 Gesamtansicht perspestivisch Bild 2 Draufsicht Bild 3 Hinteransicht Bild 4 Seitenansicht Bild 5 Schnitt durch SFWG mit VSP ( Links WK etrieb, Rechts Segel- bzw. Flettner-Rotor-Betrieb) Bild 6 Schnitt durch WEA-Flügel mit Laufwagen und Bespannung Liste der Positionen Pos. 1 Schwimmsörper Pos. 2 Plattform Pos. 3 SFWG-Verkleidung Pos. 4 Turm Pos. 5 Turmlager Pos. 6 VSP Pos. 7 Eydraulis-Zylinder Pos. 8 Hydraulis-Stempel Pos. 9 Bremse Pos. 10 E-Motor/-Generator Pos. 11 SFWG im Segelbetrieb Pos. 12 Laufwagen Pos. 1,3 Stützreifen eo. 14 Straffseile Pos. 15 Straffrollen Pos. 16 El. Einzelantrieb Laufrollen Pos. 1.7 SFWG im Flettner-Rotor-Betrieb Pos. 18 Verbindungsbolzen Pos. 19 Verstellung VSP Pos. 20 Ummantelung / Bespannung Pos. 21 WKA-Flügel Pos. 22 SFWG im Windkraftanlagenbetrieb Pos. 23 Hilfsantrieb / Schleppropeller

Claims (22)

1. Patentansprüche 1. W i n d a n g e t r i e b e s S c h i f f, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß Windenergie aus jeder Himmelsrichtung unmittelbar für den Schiffsvortrieb genutzt wird und bei dem durch maschinell-automatischen Betrieb ein "Gerät" umgerüstet wird, mit dessen Hilfe entsprechend den Windrichtungen die Windenergienutzungstechniken "Segelbetriebf', "Flettner-Rotor-Betrieb" sowie "Windsraftanlagen / Propeller-Betrieb" angewandt werden, wobei ein Vertivalachsrotor-Schiffspropeller in das Gerät integriert ist.
2. 2. G e r ä t nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß ein drehbar gelagerter Segelmast ebenso den zentralen Mast eines Flettner-Rotors bildet.
3. 3. G e r ä t nach Anspruch 1,, dadurch g e s e n n -z e i c h n e t, daß ein drehbar gelagertrer Segelmast ebenso den zentralen Mast einer VertiKalachsrotoren-WindKraftanlage bildet.
4. 4. G e r ä t nach Anspruch 1., dadurch g e s e n n -z e i c h n e t, daß der zentrale Mast eines Flettner-Rotors ebenso den zentralen Mast einer Vertisalachsrotoren-Windraftanlage bildet.
5. 5. G e r ä t nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Flügel einer Vertikalachsrotoren-WindKraftanlage ebenso zur Abstützung der Ummantelung eines Flettner-Rotors genutzt werden.
6. 6. G e r ä t nach Anspruch 1, dadurch g s e n n~-z e i c h n e t, daß die Flügel einer Vertisalachsrptoren-Windsraftanlage ebenso der äußeren Befestigung eines Segels dienen.
7. 7. G e r ä t nach Anspruch 1i, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Ummantelung eines Flettner-Rotors ebenso das Material für ein Segel bildet.
8. 8. W i n d an g e t r i e b e n e 5 S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 1,2,3,4,5,6 und 7, dadurch g e s e n n s e i c h n e t, daß der drehbar gelagert te zentrale Mast direkt mit einem Vertisalachsrotor-Schifispropeller verbunden ist.
9. 9. W i n d a n g e t r i e b e n e 5 S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 8, dadurch g e s e n n z e i c h n e t, daß der Vertikalachsrotor-Schiffspropeller im Inneren des im unteren Bereich durchmesservergrößerten zentralen Mastes untergebracht ist.
10. 10. K o m b i n a t i o n einer Vertisalachsrotoren-WindKraftanlage bzw. eines Flettner-Rotors mit einem Vertikalachsrotor-Schiffspropeller nach Anspruch 9, dadurch g k e n n z. e i c h n e t, daß die Kraftübertragung aus der Drehbewegung formschlüssig durch Verzahnung geschieht.
11. 111i. Leistungs- und Umdrehungszahl- R e g e 1 u n g einer Vertikalachsrotor-Windkraftanlagen / Vertisalachsrotor-Schiffspropeller - Kombination nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wassereintauchtiefe des Vertikalachsrotor-Schiffspropellers durch einen hydraulisch betätigten Zylinder verstellbar ist.
12. 1,2. R o t a t i o n 5 a u f b r i n g u n g und D r e h g e s c h w i n d i g k e i t s r e g u -1 i e r u n g eines Flettner-Rotors mittels Kombination mit einem Vertikalachsrotor-Schiffspropeller nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß dies durcn entsprechend tiefes Eintauchen des Schiffspropellers in das relativ zum Schiff sich bewegende Wasser geschieht.
13. 13. W in da n g e t r i e b. e n e s S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h ne t, daß das Gerät auf der Plattform eines Katamarans angeordnet ist.
14. 14. W i n d an 9 e t r i e b e 5 S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z e ii c h n e t, daß der Schiffspropeller bei Segelbetrieb eingezogen ist und die Wasseroberfläche nicht berührt.
15. 15. W ion d a n g e t r i e b e n e s S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 1,8 und 14, dadurch g e -k e n n z e i zue h n e t, daß mehrere Geräte auf der Plattform eines Katamarans angeordnet sind.
16. 16. W i n d a n g e t r i e b e n e 5 S c h i f f und 9 e r ä t nach Anspruch 1, 8 und 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß drei Geräte auf der Plattform eines Katamarans angeordnet sind und von oben betrachtet ein Gerät an der Spitze, eines hinten am rechten Ende und eines in der Mitte am linsen Ende (oder umgekehrt) der Plattform angeordnet ist wodurch eine gegenseitige Windverschattung der Geräte bei Winden von achtern, von vorn und von den Seiten vermieden wird.
17. 17. W in da n g e t r i e b e ne s S c h i f f und G e r ä t nach Anspruch 1,8,14,15 und t6, dadurch g e s e n n z e i c h n e t, daß die Plattform des Katamarans auftriebsfähig, von den Schwimmkörpern trennbar sowie mit ihnen starr oder beweglich verbunden ist.
18. 18. G e r ä t nach Anspruch 1 und 8, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Segel-bzw. Flettner-Rotor-Bespannung aus raffbarem Material besteht.
19. 19. G e r ä t nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Bespannung durch horizontale halbkreisförmige, zu Vollkreisen zasammenfügbare Reifen gestützt wird.
20. 20. B e 8 p a n n u n g nach Anspruch 18 und 19, dadurch g e ic e n n z e i c h n e t, daß die halb-bzw. vollsreisförmigen Stützreifen, an denen das raffbare Bespannungsmaterial befestigt ist, durch auf den Flügeln der VertiKalachsrotor-WindKraftanlage fahrbare Laufwagen vertikal bewegt werden.
21. 211. L a u f w a g e n nach Anspruch 20, dadurch g e c e n n z e i c h n e t, daß sie mit elestrischen Einzelantrieben versehen und einzeln ansteuerbar sind.
22. 22. B e 8 p a n n u n g nach Anspruch 18, 119 und 20, dadurch g e s e n n z e i c h n e t, daß deren Ausbildung zu einem halbzylindrischen Segel bzw.

    zu einem vollzylindrischen Flettner-Rotor durch am obersten Stützreifen befestigte und über unten angeordnete Seilrollen geführte straffbare Seile unterstützt wird.