DE4138795A1 - Windkraftmaschine fuer ein wasserfahrzeug - Google Patents

Description

Allgemein bekannt ist die klassische Segelyacht, welche die maximale Geschwindig­ keit (V max) bei Seitenwind (Kurs Golfind) erreicht, die jedoch dabei einem starken Widerstand des Luft­ stroms ausgesetzt ist, der auf sie zustößt mit einer 1,5mal größeren Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges, wobei das Boot außerdem eine starke Schlagseite erfährt und um diese zu beseitigen, einen Ballast von Hunderten von kg oder sogar Tonnen benötigt. Deshalb ist das Wasserfahrzeug nicht in der Lage, eine höhere Geschwindigkeit als 50 km/h zu erreichen.

Bekannt ist der Segelkatamaran "Kross­ bow", der den Geschwindigkeitsrekord von 70 km/h hält. Er entwickelt die ma­ ximale Geschwindigkeit gleichfalls bei Seitenwind und überwindet auch kräfti­ gen aerodynamischen Widerstand. Die Yacht braucht dank der zwei Schwimm­ körper keinen Ballast und ist außer­ dem leicht. Aus diesem Grund ist das Fahrzeug schneller.

Bekannt ist ferner der Katamaran "Hobby", der zwei Schwimmkörper und eine Luftschraube besitzt, die kinematisch mit der Unterwasserschraube verbunden ist.

Dieser Katamaran ist langsamer als Segelyachten, doch bewegt er sich in x-beliebiger Richtung, wobei er gegen den Wind die Maximalgeschwindigkeit erreicht. Dabei hat jedoch der entgegen­ wirkende Luftstrom eine zweimal größere Geschwindigkeit als der Kata­ maran selbst, d. h. der Widerstand ist ebenfalls groß. Das Windtriebwerk des Wasserfahrzeugs, das aus einer Luft­ schraube besteht, die mit einer Was­ serschraube kinematisch verbunden ist, hat einen Propeller, der ausgeführt ist in der Form einer Zugschraube, während die Wasserschraube in der Form einer Wasserturbine erstellt ist.

Ebenfalls bekannt ist das Polardia­ gramm des Professors Krjutschkow (Abb. 1).

Das Wesentliche in diesem Diagramm besteht darin, daß sich das Segelboot bei seiner Fahrt im Winkel von 135° zur Windrichtung zweimal schneller als der Wind bewegt, während die Pro­ jektion seiner Geschwindigkeit V_B·cos 45° in Richtung der Wind­ geschindigkeit 1,5mal größer ist als die Geschwindigkeit des Windes. Daraus folgt, daß das Boot auf seinem Weg von Punkt A zu Punkt B auf dem glei­ chen Kurs diese Entfernung mit der Geschwindigkeit von 0,8 V des Windes schafft, während ein Boot von Punkt A zu Punkt 8 über den Punkt C den End­ punkt um 1,5mal schneller erreicht als auf dem geraden Weg, wobei es so­ gar den Wind hinter sich läßt (Abb. 2), d. h. indem sich das Fahrzeug im Zickzack bewegt (gegen den Wind kreu­ zend) und eine größere Entfernung bewältigt, erreicht es das Ziel schnel­ ler als auf der geraden Strecke (was kennzeichnend ist für hochklassige Sportboote). Folglich schafft das Boot im Zickzackkurs die Entfernung schneller als ein Fahrzeug, das sich im Vor- dem-Wind-Kurs vorwärtsbewegt, wobei es nicht nur dieses Boot überholt, sondern auch den Wind selbst (Abb. 3).

Der Ausgangspunkt ist folglich, daß die Projektion der Bootgeschwindigkeit V_B·cos α die Windgeschwindigkeit über­ trifft. Da sich das Boot im Zickzack­ kurs bewegt und sich dem Wind abwech­ selnd einmal mit dieser und einmal mit jener Seite zuwendet (d. h. bald in rechter, bald in linker Halse), ist der Kiel solcher Yachten mit einem symmet­ rischen Profil ausgestattet. Wenn man sich jedoch vorstellt, daß sich die Yacht von Punkt A zu Punkt B im zylin­ drischen Strombett in einer Spiralbahn vorwärtsbewegt, so kann sie jetzt mit einer Halse segeln und sich nur von ei­ ner Seite auf den Kiel stützen. Deshalb ist es notwendig, den Kiel mit einem Tragflügelprofil auszustatten, denn ein solches Profil wird effektiver sein.

Auf diese Weise bewegt sich die Yacht im zylindrischen Strombett und ist mit einer Seite dem Wind zugewandt (Abb. 4). Ihr Kiel hat das optimale Profil, und zwar das Tragflügelprofil, wobei sie, sich in der Spirale ebenso wie im Zickzack bewegend, zum Punkt B mit einer 1,5mal größeren Geschwin­ digkeit als der Wind segelt. Wenn wir von dieser Seite auf das Strombett sehen (von der Stirnseite, Abb. 5),so merken wir, daß sich die Segel in der Luft im Kreis drehen und daß sich auch die Kiele im Wasser im Kreis drehen. Jetzt verbinden wir die Segel mit der Diamantplatte (Abb. 6) und ebenso die Kiele mit Hilfe der Dia­ mantplatte (Abb. 7). Nun drehen sich die Segel in der Luft und die Kiele im Wasser synchron, doch die Se­ gel müssen sich auf die Kiele stützen, deshalb verbinden wir diese Diamant­ platten mit einer gemeinsamen Welle, und nun besteht die Möglichkeit, die Se­ gel über die Oberfläche des Wassers an­ zuheben und die Kiele unter die Wasser­ oberfläche abzusenken (Abb. 8).

Die Verbindungswelle wird ferner aus­ geführt in der Art einer beliebigen, be­ kannten kinematischen Verbindung und stellt die Segel und Kiele vertikal (Abb. 9).

Danach werden die Segel und Kiele mit der kinematischen Verbindung auf dem Bootskörper des Katamarans befestigt (Abb. 10). Zu guter Letzt werden die Segel gegen eine normale, feste Luftschraube und die Kiele gegen eine Schiffsschraube ausgetauscht (Abb. 11).

Der vorgestellte Katamaran (Abb. 12) kann sich auf seiner Fahrt gegen den Wind deshalb schneller als der Wind bewegen, weil die Luftschraube (die Se­ gel) in der Form einer Zugschraube ausgeführt ist und ihr freies Ende in Richtung des auftreffenden Windes ab­ gelenkt wird und mit der Rotationsebe­ ne einen negativen Winkel-ϕ₁ bildet, während die Schiffsschraube (der Kiel) in der Form einer Wasserturbine gestaltet ist, deren Profil konkav zur auftreffenden Strömung (Profil A-A und B-B, Abb. 11) erstellt ist.

Bei dem vorgestellten Antrieb hat die Luftschraube die Form der Zugschraube eines Fahrzeuges, bei der das Blatt (der Flügel) zum Negativwinkel zuge­ wandt ist, dabei ändert sich der Nei­ gungswinkel des-ϕ Blattes von-ϕ¹ max. an der Nabe zu-ϕ₁ min. an der Peri­ pherie. Die Wasserschraube ist der Form nach eine Hydroturbine, deren Rad­ schaufeln zur selben Seite geneigt und mit dem gleichen Drall versehen, die auch die Schiffsschraube aufweist, doch ist das Profil in die entgegen­ gesetzte Seite gekrümmt.

Bei einer vorgegebenen bestimmten Windgeschwindigkeit und der erreich­ baren Geschwindigkeit des Bootes kann man die genauen Neigungswinkel der Blätter und das Übersetzungsverhält­ nis zwischen den Schrauben berechnen.

Zum Beispiel: Für die Luftschraube ⌀ 5000 mm werden die Flügel justiert auf <-ϕ₁ = 5 + 15, dabei ist die Stel­ lung der Wasserschraube ⌀ 400 + 500 mm mit einer Breite des Flügels 80 + 120 mm und einem Drall des Flügels von +ϕ₂ = 30 an der Peripherie mit dem Übersetzungsverhältnis i = 2 + 5 (mit Verstärkung auf die Schiffsschraube). Die wichtigsten Unterscheidungs­ besonderheiten des vorgestellten Antriebs von den bekannten besteht in der negativen Neigung des Flügels der Luftschraube und ihrem entgegengesetz­ ten Drall, während bei der Schiffssch­ raube das Profil konkav zur Wasser­ strömung gebogen ist. Der Form nach ist es in Wirklichkeit so: die Luft­ schraube ist eine Zugschraube, und die Wasserschraube eine Turbine, doch ist es in Wirklichkeit nicht so, da das nicht bedeutet, daß die Wasserschraube, eine Turbine, unter der Wirkung des ent­ gegenströmenden Wassers ein Drehmoment erzeugt und dieses auf die Zugschraube überträgt und diese die Zugkraft erzeugt, das Boot bewegt und erneut die Strömung auf die Turbine erhält, wäh­ rend sein Drehmoment auf die ziehende Luftschraube übertragen wird usw. Es handelt sich vielmehr darum, daß hier die Wasserschraube vor allem die sich drehenden Kiele sind, die nicht der Erzeugung des Drehmoments, sondern der Bestimmung der Spiralbahn den sich drehe­ nden Segeln (siehe Abb. 4) oder den Flügeln der Luftschraube dienen. Die Flügel der Luftschraube verwandeln das Drehmoment der Wasserschraube nicht in eine Zugkraft, sondern bremsen bei ih­ rer Bewegung in der Spiralbahn - wobei sie sich auf die Kiele (oder auf die Wasserschraube) stützen - den Wind (reduzieren seine Geschwindigkeit). Sie nehmen seinen Druck auf und bewegen das Schiff; d. h. die Luftschraube nutzt die Windenenergie und erzeugt die Zugkraft, während die Wasserschraube der kinematischen Verbindung mit dem unbewegten Wasser und der Bestim­ mung der Spiralbahn der Luftschraube dient.

Das vorgestellte Triebwerk erlaubt dem sich streng in Windrichtung vorwärtsbe­ wegenden Schiff, die Windenergie nicht nur bei geringeren Geschwindigkeiten als denen des Windes zu nutzen, son­ dern auch bei einer Bootsgeschwindig­ keit, die die Windgeschwindigkeit 3- bis 4mal übertrifft und eine Gesch­ windigkeit von 50 + 70 Knoten (Mei­ len/h) erreicht.

Claims (1)

1. Der Windkraftantrieb des Bootes, bestehend aus einer Luftschraube, die kine­ matisch mit der Wasserschraube verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, daß man, um die Geschwindigkeit des Schiffes in Fahrtrichtung zu vergrößern, die Luftschraube in der Form einer Zugschraube ausführt und die Wasserschraube in der Form einer Wasserturbine.