DE4336894C2 - Steuerkopf - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Steuerkopf nach Patentanspruch
1.
Aus der DE 34 40 499 A1 ist eine Vorrichtung zum Nutzbarma
chen von hydromechanischer Energie bekannt, bei der eine
schwimmfähige Klappe mit einem Wandler gekoppelt ist, der
die von der Klappe ausgehende Bewegungsenergie in nutzbare
Energie umwandelt. Die Bewegung der Klappe zwischen zwei
äußeren Umkehrpunkten entspricht dabei einer Verschwenkbe
wegung ähnlich der einer Schwanzflosse eines schwimmenden
Fisches. Die Bewegungsenergie, die in nutzbare Energie um
gewandelt werden kann, hängt hauptsächlich nur von der
Strömungsgeschwindigkeit des die Klappe umfließenden Gewäs
sers ab. Die Klappe führt zwischen den beiden Umkehrpunkten
nämlich stets dieselbe Winkelbewegung bezüglich der Strö
mungsrichtung aus. Eine Optimierung des Anstellwinkels be
züglich der Strömungsrichtung zu dessen Anpassung an den
Lastbedarf ist bei dieser bekannten Vorrichtung deshalb
nicht möglich.
Ein Steuerkopf für einen Körper, welcher Teil einer Strö
mungskraftmaschine ist und unter der Einwirkung einer Strö
mung in eine Hin- und Herbewegung versetzt wird, ist bis
lang noch nicht bekannt. Jedoch ist aus der nicht vorveröf
fentlichten DE 43 08 891 A1 ein Wandlersystem für eine
Strömungskraftmaschine bekannt, das die Hin- und Herbewe
gung eines Körpers, welcher in einer Strömung angeordnet
ist, in nutzbare Energie umwandelt. Eine solche Strömung
ist z. B. die Strömung eines Flusses. Über den Fluß, quer
zur Strömungsrichtung ist nach der DE 43 08 891 A1 ein Füh
rungsbett in Form einer Linearführung angeordnet, auf wel
cher ein Laufwagen verfahrbar ist. An dem Laufwagen wie
derum ist der Körper so gelagert, daß er schräg zu der auf
ihn auftreffenden Strömung steht, die eine Querverfahrbewe
gung des Körpers und des Laufwagens hervorruft, welche wie
derum durch einen Generator oder einen Hydraulikzylinder in
elektrische bzw. pneumatische Energie umgewandelt wird.
Eine mit einem solchen Wandlersystem ausgestattete Strö
mungskraftmaschine, bei der ein Laufwagen von einem Ufer zu
dem gegenüberliegenden Ufer hin- und herpendelt, ist u. a.
ökologisch sehr vorteilhaft, da im Gegensatz zu üblichen
Strömungskraftmaschinen mit Turbinen nicht die gesamte
Strömung, wie z. B. bei einem Staudamm, kontrolliert werden
muß. Eine mit einem solchen Wandlersystem versehene Strö
mungskraftmaschine bildet zudem keine künstliche Barriere
für sich in der Strömung befindliche Teile, wie Sand,
Treibgut oder sich in der Strömung befindliche Lebewesen,
wie z. B. Fische oder Wasservögel. Sobald der Körper, der in
seinem Strömungsschwerpunkt drehbar an einer mit dem Lauf
wagen verbundenen Drehachse gelagert ist, ein Ufer erreicht
hat, wird er umgesteuert, d. h. sein Anstellwinkel zur Strö
mung wird so verändert, daß die auf ihn auftreffende Strö
mung eine Querverfahrbewegung in Richtung zum anderen Ufer
hin hervorruft. An der Drehachse selbst sind zwei Anschläge
für den Körper vorgesehen, die den Anstellwinkel in jeder
Verfahrrichtung begrenzen. Der Betrag des Anstellwinkels
des Körpers bezüglich der Strömungsrichtung bleibt daher
beim Hin- und Herfahren stets konstant, begrenzt durch den
jeweils wirkenden Anschlag.
Als geeigneter Körper für die Strömungskraftmaschine mit
dem obigen Wandlersystem wird vorzugsweise ein Strömungs
körper verwendet, wie er in der ebenfalls nicht vorveröf
fentlichten DE 43 08 892 A1 beschrieben ist. Dieser Strö
mungskörper hat eine integrierte Lenkvorrichtung aus form
veränderlichen, wenigstens einen inneren Hohlraum des Strö
mungskörpers nach außen begrenzenden Seitenwandteilen. Vor
zugsweise weist der Strömungskörper an seinen gegenüberlie
genden Seitenwänden Kammern auf, die durch Einleiten oder
Ablassen von Druckluft aufgeweitet oder verengt werden kön
nen. Der Strömungskörper verändert, wenn er schräg zur
Strömungsrichtung steht, sein normalerweise symmetrisches
Profil zu einem Flügelprofil, wie es aus dem Flugzeugbau
bekannt ist, wodurch er aufgrund der hervorgerufenen Druck
unterschiede an beiden Seitenwandteilen schneller hin- und
herfährt als ein symmetrischer Strömungskörper mit starren
Seitenwandteilen.
Da bei dem obigen Wandlersystem der Anstellwinkel des Kör
pers, wie bereits erwähnt, stets konstant zur Strömung ist,
kann bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit nur eine
maximale Verfahrgeschwindigkeit des Laufwagens erzielt wer
den, die, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, durch
einen Strömungswiderstand des Körpers in Verfahrrichtung
begrenzt wird. Um höhere Verfahrgeschwindigkeiten des Lauf
wagens zu erzielen, müßte der Körper bei hohen Geschwindig
keiten einen größeren Anstellwinkel bzgl. der Strömungs
richtung haben, damit der Strömungswiderstand des Körpers
in Verfahrrichtung erniedrigt werden würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Steuerkopf der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß der Anstellwinkel des
Körpers bzgl. der Strömungsrichtung dem Lastbedarf angepaßt
wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Steuerkopf bildet eine Verbindung zwi
schen Körper und Laufwagen, wobei der Laufwagen auf einem
Führungsbett quer zur Strömung verfahrbar ist. Der Steuer
kopf nach der Erfindung ist dabei so ausgebildet, daß er
den Anstellwinkel des Körpers bzgl. der Strömungsrichtung
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Laufwagens so
einstellt, daß sich der Anstellwinkel nach dem Umkehrpunkt
von einem kleinen Wert auf einen von der Last abhängigen
größeren Wert ändert. Dadurch wird gewährleistet, daß bei
geringer Geschwindigkeit des Laufwagens der Anstellwinkel
relativ klein ist, so daß die durch die Strömung hervorge
rufene Kraftkomponente in Verfahrrichtung hoch ist und der
Körper zusammen mit dem Laufwagen schnell beschleunigen
kann, und daß der Anstellwinkel bei zunehmender Verfahrge
schwindigkeit des Laufwagens größer ist, so daß der Strö
mungswiderstand des Körpers in Verfahrrichtung geringer
wird. Bei hoher Geschwindigkeit des Laufwagens beträgt der
Anstellwinkel annähernd 90 Grad zur Strömungsrichtung, wo
durch sich eine Art Segelstellung ergibt, die hohe Ge
schwindigkeiten ermöglicht. Der Steuerkopf stellt damit
über eine Regelgröße, nämlich die Verfahrgeschwindigkeit
des Laufwagens, den optimalen Anstellwinkel des Körpers
ein. Ein starrer Einstellwinkel, wie er bisher nach der
oben erwähnten DE 43 08 891 A1 vorgesehen ist, wird dadurch
vermieden.
Der erfindungsgemäße Steuerkopf kann den Anstellwinkel des
Körpers in einem bestimmten Winkelbereich einstellen. Eine
obere Bereichsgrenze des Winkelbereichs, welche bei der
höchsten Geschwindigkeit des Laufwagens eingestellt wird,
ist zum Beispiel in Abhängigkeit von der zu erzeugenden
nutzbaren Energiemenge einstellbar. Der Grund hierfür liegt
darin, daß es nicht sinnvoll ist, die gesamte Strömungs
kraftmaschine samt dem Steuerkopf stets mit maximaler Ge
schwindigkeit zu fahren und damit zu belasten, wenn die zu
erzeugende nutzbare Energiemenge wie z. B. bei Nachtbetrieb
der Strömungskraftmaschine dies gar nicht erforderlich ma
chen würde. Um solche unnötig hohen Belastungen zu vermei
den, wird die obere Bereichsgrenze durch den Steuerkopf bei
weniger zu erzeugender nutzbarer Energie verringert, d. h.
der maximale Anstellwinkel wird geringer und der Körper
bremst sich in der Strömung selbst, da er in Verfahrrich
tung einen hohen Strömungswiderstand aufweist. Auch die Ge
schwindigkeit des Laufwagens und damit indirekt die Strö
mungsgeschwindigkeit haben einen Einfluß auf die obere Be
reichsgrenze. Sollte die Strömung ungewöhnlich schnell sein
und damit den Laufwagen stark beschleunigen, bewirkt der
Steuerkopf eine Bremsung des Körpers durch eine Verringe
rung von dessen maximalem Anstellwinkel.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge
genstände der Unteransprüche.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 dient
ein Stellantrieb zum Einstellen des Anstellwinkels.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist er
findungsgemäß ein Getriebe mit einem Eintrieb vorgesehen,
wobei der Eintrieb mit dem Stellantrieb gekuppelt ist und
wobei das Getriebe weiter zwei Abtriebe aufweist, die in
Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Laufwagens mit
dem Körper kuppelbar sind. Wenn der Laufwagen in eine Bewe
gungsrichtung fährt, ist ein entsprechender Abtrieb gekup
pelt, wogegen der andere Abtrieb entkuppelt ist. Fährt der
Laufwagen dagegen in die entgegengesetzte Richtung, ist der
zuvor entkuppelte Abtrieb gekuppelt und der zuvor gekup
pelte Abtrieb entkuppelt. Durch diese Ausgestaltung ist
eine einfache, von der Bewegungsrichtung abhängige Kraft
übertragung gewährleistet.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist das
Getriebe ein Differentialgetriebe, wodurch ein kompakter
Bauraum des Steuerkopfes ermöglicht ist.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 sind
zwischen Abtriebskegelrädern des Differentialgetriebes und
dem Körper zwei Freiläufe mit gegensinnigen Freilaufrich
tungen vorgesehen, so daß keine komplizierte Schaltmimik
nötig ist, um die Abtriebe je nach Bewegungsrichtung zu
kuppeln oder zu entkuppeln.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 sieht vor,
daß der Stellantrieb als mechanischer Bewegungswandler aus
gebildet ist, der die Laufwagenbewegung in eine Drehbewe
gung zur Einstellung des Anstellwinkels umwandelt. Diese
erfindungsgemäße Ausbildung macht den Steuerkopf von einer
zusätzlichen Energiequelle für den Stellantrieb unabhängig.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 ist der
mechanische Bewegungswandler als Kombination eines längs
des Führungsbettes des Laufwagens feststehend angeordneten
Triebstockes und eines mit diesem formschlüssig kämmenden
Malteserrades vorgesehen, wobei der Triebstock die Ein
gangsseite des Stellantriebs und das am Laufwagen gelagerte
Malteserrad die Ausgangsseite des Stellantriebs darstellt.
In dieser Ausgestaltung ist eine feste Koppelung der Ver
fahrstrecke mit dem Anstellwinkel des Körpers vorgesehen.
Das am Laufwagen gelagerte Malteserrad rollt sich während
der Bewegung des Laufwagens quer zur Strömungsrichtung am
Triebstock ab und ändert dadurch stetig den Anstellwinkel
des Körpers. Diese Ausgestaltung, die den Anstellwinkel ab
hängig von der Verfahrstrecke des Laufwagens einstellt,
geht in ihrer Grundüberlegung davon aus, daß der Laufwagen
mit zunehmender Verfahrstrecke auch schneller wird, was in
der Praxis, insbesondere bei kurzen Verfahrstrecken, wie
z. B. bei einem schmalen Fluß, auch der Fall ist. Darüber
hinaus ist es jedoch auch möglich, anstelle des Triebstoc
kes und des Malteserrades eine Zahnstange mit einem sich
darauf abrollenden Zahnrad vorzusehen.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist eine
Einrichtung zum Einstellen des Sollwertes der zu erzeu
genden nutzbaren Energie vorgesehen, welche den Triebstock
in Längsrichtung verstellt. Dadurch wird erreicht, daß der
Anstellwinkel des Körpers bei einer größeren zu erzeugenden
nutzbaren Energiemenge größer und bei einer geringeren zu
erzeugenden nutzbaren Energiemenge kleiner wird. Über die
Einstellung des Strömungswiderstandes des Körpers quer zur
Strömungsrichtung kann damit durch die Einrichtung zum Ein
stellen des Sollwertes die zu erzeugende nutzbare Energie
menge gesteuert werden.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 umfaßt
die Sollwerteinstelleinrichtung einen Elektromotor oder
einen Pneumatikzylinder.
Neben der Ausbildung des Stellantriebs als mechanischer Be
wegungswandler nach Anspruch 6 ist es auch möglich, den
Stellantrieb als elektrischen Stellmotor auszubilden, gemäß
der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10. Der
Stellmotor ist zu seiner Betätigung mit einem Sensor zur
Erfassung der Verfahrgeschwindigkeit des Laufwagens gekop
pelt. Je nach Verfahrgeschwindigkeit stellt der Stellmotor
möglichst stufenlos den optimalen Anstellwinkel ein.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 ist
eine Überlastsicherung vorgesehen, die zwischen dem Laufwa
gen und dem Körper angeordnet und so ausgebildet ist, daß
der Körper bei zu großen auf ihn einwirkenden Momenten von
dem Laufwagen kinematisch entkoppelbar ist. Diese Ausge
staltung ist insbesondere bei einer Verwendung des Steuer
kopfes für Flußkraftwerke vorteilhaft, bei denen Treibgut
auf den Körper auftreffen und diesen beschädigen könnte,
oder bei denen auch bei Hochwasser extreme Strömungsge
schwindigkeiten auftreten könnten. Die Überlastsicherung
verhindert weitestgehend Beschädigungen des Körpers, des
Steuerkopfes und des Laufwagens.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12, umfaßt
der Steuerkopf eine Einrichtung zur Veränderung der Profil
dicke des Körpers, um die Profildicke auf die jeweilige
Verfahrgeschwindigkeit und den jeweiligen Anstellwinkel
einzustellen. Auch beim Umsteuern des Körpers an einem Ufer
können über die Veränderung der Profildicke andere Strö
mungsverhältnisse am Körper hervorgerufen werden, die das
Umsteuern erleichtern.
Der erfindungsgemäße Steuerkopf kann selbstverständlich
auch für eine entsprechende Strömungskraftmaschine verwen
det werden, die ein anderes strömendes Medium zur Energie
erzeugung verwendet, wie z. B. ein Windkraftwerk. Auch ist
die Verwendung des Steuerkopfes bei einem Strömungskraft
werk nicht auf eine horizontale Hin- und Herbewegung eines
in der Strömung angeordneten Körpers begrenzt, denn der
Körper kann sich auch vertikal bewegen und z. B. bei einem
Flußkraftwerk von dem Grund des Flusses zu der Wasserober
fläche auf- und abfahren.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerkopfes
wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä
her erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Strömungskraftmaschine
in Form eines Flußkraftwerkes mit einem in Fig. 1
nicht gezeigten Steuerkopf nach der Erfindung,
Fig. 2 eine komplette Längsansicht der Strömungskraftma
schine nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht der Strömungskraftmaschine
nach Fig. 1 mit dem Steuerkopf,
Fig. 4 eine Querschnittansicht des Steuerkopfes nach der
Erfindung mit Laufwagen und einem Wandlersystem,
Fig. 5 eine vergrößerte Frontansicht des in Fig. 4 in
Seitenansicht gezeigten mechanischen Stellan
triebs als Teil des Steuerkopfes nach der Erfin
dung, und
Fig. 6 eine detailliertere und vergrößerte Quer
schnittansicht des Steuerkopfes nach Fig. 4 ohne
Stellantrieb.
In Fig. 1 ist ein Fluß mit einer Strömung F und einem lin
ken und einem rechten Ufer gezeigt, über den sich ein Füh
rungsbett 14 quer zur Strömung F erstreckt. Ein Laufwagen
16 ist mit dem Führungsbett 14 so verbunden, daß er von ei
nem Ufer zu dem gegenüberliegenden Ufer hin- und herfahren
kann. Vom Laufwagen 16 ragt eine Welle 30 nach unten in die
Strömung F, an der ein Körper 12 an seinem Profilschwer
punkt befestigt ist. Der Körper 12, der sich in Fig. 1 am
linken Ufer befindet, hat eine Flügelprofilform mit einem
Bug 13 und einem Heck 15 und steht unter einem Anstellwin
kel α schräg zur Strömung F. Von den beiden Ufern aus ragen
stromaufwärts des Führungsbettes 14 Barrieren 19 in die
Strömung F, hinter denen sich Toträume 21 mit nahezu keiner
Strömung F, sondern nur mit stehenden Wasser ausbilden.
In Fig. 2 sind die vertikale Anordnung von Führungsbett 14,
Laufwagen 16, daran befestigter Welle 30 und Körper 12
ebenso wie die Barrieren 19 besser zu erkennen. Der Laufwa
gen 16 ist zudem in eine Gall′sche Kette 23 eingeklinkt,
welche sich annähernd über die gesamte Breite des Flusses
erstreckt. Ein linkes und ein rechtes Kettenrad 75 und 76,
um welche die Gall′sche Kette 23 umläuft, sind Teil eines
Wandlers 18, der eine Laufwagenbewegung in elektrische Energie
umwandelt, wie später noch ausführlicher erläutert
wird. Das rechte Kettenrad 76 ist dazu über eine nicht ge
zeigte Welle mit einem sich am rechten Ufer befindlichen
Generator 80 verbunden. Die Rotationsenergie des rechten
Kettenrades 76 wird damit durch den Generator 80 in elek
trische Energie umgewandelt.
In Fig. 3 ist eine Barriere 19 und der sich dahinter be
findliche in strichpunktierten Linien angedeutete Totraum
21 zu erkennen. Das Führungsbett 14 hat eine Fachwerkkon
struktion innerhalb derer zwei sich quer zur Strömung F
über den Fluß erstreckende Vierkantprofile 84 und 86 als
Führungsbahnen für den Laufwagen 16 dienen. Der mit mehre
ren Rollen 90 versehene Laufwagen 16 kann so quer zur Strö
mung F verfahren.
In Fig. 4 ist der Körper 12 nicht explizit dargestellt,
sondern nur ein Flansch 102, über den der Körper 12 dreh
fest mit der Welle 30 verbunden ist, welche wiederum an dem
Laufwagen 16 befestigt ist, wie mit Bezug auf Fig. 6 noch
näher erläutert wird. Die Welle 30 wird je nach Laufwagen
bewegung von einem oberen Stirnzahnradpaar, bestehend aus
einem linken oberen und einem rechten oberen Stirnzahnrad
104 bzw. 106 oder von einem unteren Stirnzahnradpaar, be
stehend aus einem linken unteren und einem rechten unteren
Stirnzahnrad 108 bzw. 110 angetrieben, wie später noch nä
her erläutert wird. Das linke obere und das linke untere
Stirnzahnrad 104 und 108 sind mit Abtriebskegelrädern 26
bzw. 28 eines Differentialgetriebes 22 verbunden. Ein Ein
triebskegelrad 24 des Differentialgetriebes 22 wiederum ist
mit einem in Fig. 5 deutlicher gezeigten Malteserrad 42
verbunden, welches mit einem Triebstock 36 formschlüssig
kämmt. Malteserrad 42 und Triebstock 36 bilden einen Stell
antrieb 20 für den Körper 12, der anhand von Fig. 5 später
ebenfalls näher erläutert wird. Der Triebstock 36 er
streckt sich nahezu über die gesamte Verfahrstrecke des
Laufwagens 16 und ist feststehend angeordnet, wogegen das
Malteserrad 42, das Differentialgetriebe 22 und die Welle
30 mit dem Körper 12 an dem Laufwagen 16 und somit verfahr
bar angeordnet sind. Die in Fig. 4 stilisiert gezeichnete
Gall′sche Kette 23 ist über einen an ihr befestigten Bolzen
54 mit dem Laufwagen 16 gekuppelt.
Das in Fig. 4 nicht gezeigte Kettenrad 76 sitzt auf einer
Abtriebswelle 56, auf der auch eine Schwungmasse 58 sitzt.
Die Abtriebswelle 56 steht mit dem Generator 80 über einen
um die Abtriebswelle 56 und einen Antriebsflansch 82 des
Generators 80 gelegten Riemen 60 in Verbindung. Die Ab
triebswelle 56, die Schwungmasse 58 und der Riemen 60 sind
Teil des Wandlers 18 und sind stationär am rechten Ufer be
festigt. Zusätzlich ist auch eine Rutschkupplung 66 vorge
sehen, die zwischen einem rechten Ende der Abtriebswelle 56
und dem Kettenrad 76 angeordnet ist.
Der in Fig. 5 gezeigte Stellantrieb 20 besteht im wesentli
chen aus dem Malteserrad 42 und dem Triebstock 36, welcher
über eine Lagerung 46 nachgiebig gelagert ist. Die nachgie
bige Lagerung 46 ist so ausgebildet, daß ein an dem Trieb
stock 36 angebrachter Pneumatikzylinder 52, der als Soll
werteinstelleinrichtung 50 dient, den Triebstock 36 in
Längsrichtung verstellen kann. Am Triebstock 36 vorgesehene
seitlich vorstehende Stifte 40, welche mit entsprechenden
nutenförmigen Ausnehmungen 43 im Malteserrad 42 formschlüs
sig kämmen, sind annähernd über die gesamte Lange des
Triebstocks 36 gleichmäßig beabstandet vorgesehen. Ledig
lich an den Enden des Triebstocks 36 fehlen vorstehende
Stifte 40, so daß das Malteserrad 42, wenn der Körper 12 an
einem Ufer angelangt ist, keine formschlüssige Verbindung
mit dem Triebstock 36 mehr hat, sondern kinematisch vom
Triebstock 36 entkoppelt in der Strömung F frei drehen
kann.
In Fig. 6 ist der Steuerkopf 10 ohne Stellantrieb 20 und
ohne den Körper 12 gezeigt. Auf die oberen und unteren En
den der Welle 30 sind ein oberer bzw. unterer Freilauf 32
bzw. 34 montiert, die gegensinnige Freilaufrichtungen auf
weisen. An dem oberen Freilauf 32 ist an dessen radialer
Außenfläche das rechte obere Stirnzahnrad 106 befestigt,
welches mit dem linken oberen Stirnzahnrad 104 kämmt. Das
Stirnzahnrad 104 wiederum ist über eine obere Verbindungs
welle 120 mit dem oberen Abtriebskegelrad 26 verbunden.
Entsprechend ist auch am unteren Ende der Welle 30 an der
radialen Außenfläche des Freilaufs 34 das rechte untere
Stirnzahnrad 110 aufgebracht, welches mit dem linken unte
ren Stirnzahnrad 108 kämmt, welches wiederum drehfest über
eine untere Verbindungswelle 122 mit dem unteren Abtriebs
kegelrad 28 gekoppelt ist. Das Differentialgetriebe 22 be
steht neben dem oberen und unteren Abtriebskegelrad 26
bzw. 28 auch aus dem mit diesen kämmenden Eintriebskegelrad
24 und einem gegenüber dem Eintriebskegelrad 24 angeordne
ten Zwischenkegelrad 25. Ein sich nach links in Richtung
zum nicht gezeigten Stellantrieb 20 erstreckender Wellenab
schnitt 128 des Eintriebskegelrades 24 ist ebenso wie das
Zwischenkegelrad 25 mit einer zentrischen Bohrung versehen,
durch welche sich ein Abtaststößel 64 in Richtung zur Welle
30 erstreckt. Der Abtaststößel 64 berührt einen Teil der
Welle 30, der als Steuerkurve 62 ausgebildet ist. Das linke
Ende des Abtaststößels 64 ist mit einem Servoventil 112 ge
koppelt, das Teil einer nicht näher gezeigten Einrichtung
zur Veränderung der Profildicke des Körpers 12 ist, welche
als Luftzufuhr- und Luftablaßeinrichtung wirkt. Das Servo
ventil 112 steuert dabei den Gesamtdruck von der sich in
dem Körper 12 befindlichen, mit Luft befüllbaren Kammern,
die flexible Seitenwandteile des Körpers 12 begrenzen.
Die Funktionsweise des Steuerkopfes 10 wird im folgenden im
Zusammenhang mit der Funktionsweise der gesamten Strömungs
kraftmaschine anhand der Figuren näher erläutert.
Ausgehend davon, daß der Laufwagen 16 gerade an das linke
Ufer gefahren ist, wie in Fig. 1 ersichtlich, soll nun ein
halber Arbeitszyklus der Strömungskraftmaschine erläutert
werden. Der Körper 12 ist unter einem Anstellwinkel α, der
relativ groß ist, an das linke Ufer in den Totraum 21 ge
fahren, so daß die Strömung F nicht mehr auf den Teil einer
rechten Seitenwand des Körpers 12 auftrifft, welcher vor
derhalb der Welle 30 ist, sondern nur noch auf den Teil der
rechten Seitenwand, der hinter der Welle 30 in Richtung
Heck 15 verläuft. Diese unsymmetrische Beaufschlagung des
Körpers 12 mit der Strömung F führt dazu, daß dieser sich
im Uhrzeigersinn dreht. Im Steuerkopf 20 geht dabei fol
gende Bewegung vor sich: Die Welle 30 dreht sich ebenfalls
im Uhrzeigersinn und überträgt diese Drehung über den obe
ren Freilauf 32, dessen Freilaufrichtung gegen den Uhrzei
gersinn gerichtet ist, auf das rechte obere Stirnzahnrad
106, welches über das linke obere Stirnzahnrad 104 das
obere Abtriebskegelrad 26 dreht, das wiederum das Ein
triebs- und das Zwischenkegelrad 24 und 25 in Drehung ver
setzt. Damit wird auch das untere Abtriebskegelrad 28 und
über die untere Verbindungswelle 122 das untere linke
Stirnzahnrad 106 und das rechte untere Stirnzahnrad 110 in
Drehung versetzt, jedoch kann diese Drehung nicht auf die
Welle 30 übertragen werden, da in dieser Richtung der un
tere Freilauf 34 als nicht drehmomentübertragend wirkt.
Zusammen mit dem Eintriebskegelrad 24 dreht sich auch das
auf dem Wellenabschnitt 128 angeordnete Malteserrad 42, was
deshalb möglich ist, weil der Triebstock 36 im Bereich sei
ner Enden keine vorstehenden Stifte 40 hat. Das Malteserrad
42 befindet sich also links von dem in Fig. 5 mit der Be
zugszahl 40 versehenen Stift. Ein Formschluß zwischen Mal
teserrad 42 und Triebstock 36 ist zu diesem Zeitpunkt, bei
dem sich der Laufwagen 16 an einem linken Umkehrpunkt be
findet, nicht gegeben. Der Körper 12 dreht sich folglich in
Strömungsrichtung, wobei er die Stellung mit Anstellwinkel
α = 0, im weiteren Nullstellung genannt, in Richtung Uhr
zeigersinn überfährt, was einerseits durch die träge Masse
des sich in Drehung befindlichen Körpers 12 und anderer
seits durch den Druckunterschied an den beiden Seitenwänden
des Körpers 12 erreicht wird. Die linke Seitenwand des Kör
pers 12, die bei annähernd Nullstellung in dem Totraum 21
angeordnet ist, ist aufgrund einer fehlenden Strömung mit
einem anderen Druck beaufschlagt als die sich in der Strö
mung F befindliche rechte Seitenwand. Sobald sich der Bug
13 des Körpers 12 soweit im Uhrzeigersinn gedreht hat, daß
sich der Anstellwinkel a nicht mehr wie bisher links, son
dern rechts von der Nullstellung erstreckt, bietet die
linke Seitenwand des Körpers 12 der Strömung F eine größere
Anströmfläche dar, so daß sich eine resultierende Kraft er
gibt, die quer zur Strömungsrichtung F wirkt und den Lauf
wagen 16 nach rechts verschiebt. Nachdem der Laufwagen 16
eine geringe Strecke nach rechts gefahren ist, rastet eine
Ausnehmung 43 des Malteserrades 42 in den ersten Stift 40
ein und bei der weiteren Verfahrbewegung des Laufwagens 16
zu dem rechten Ufer kämmt das Malteserrad 42 stets mit dem
Triebstock 36. Der Anstellwinkel α ist zu Beginn der Ver
fahrbewegung nach rechts relativ klein und vergrößert sich
zunehmend, da die Drehbewegung des Malteserrades 42 an die
Welle 30 über den Wellenabschnitt 128, das Eintriebskegel
rad 24, die obere Verbindungswelle 120, das linke obere
Stirnzahnrad 104, das rechte obere Stirnzahnrad 106 und den
oberen Freilauf 32 weitergeleitet wird. Mit zunehmender
Verfahrstrecke wird der Körper 12 damit immer schräger zur
Strömung F eingestellt, da davon ausgegangen werden kann,
daß der Laufwagen 16 mit zunehmender Verfahrstrecke auch
immer schneller wird. Dies ist in der Praxis auch zutref
fend, da der Körper 12 zusammen mit dem Laufwagen 16 bis zu
dem anderen Ufer annähernd stetig beschleunigt wird, so daß
die Veränderung des Anstellwinkels α nicht über eine di
rekte Geschwindigkeitsabtastung nötig ist, sondern über die
zurückgelegte Verfahrstrecke erfolgen kann. Der Körper 12
hat mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit dank des größe
ren Anstellwinkels einen geringeren Strömungswiderstand und
kann noch schneller quer zur Strömung F zum anderen Ufer
fahren. In diesem Zusammenhang kann auch von einer Segel
stellung gesprochen werden, in der die Geschwindigkeit des
Laufwagens 16 höher als die Geschwindigkeit der Strömung F
ist.
Wenn der Körper 12 annähernd rechtwinkelig zu der Strömung
F steht, also der Anstellwinkel α groß ist, ist die Steuer
kurve 62 entsprechend so ausgebildet, daß über den Abtast
stößel 64 ein Impuls das Servoventil 112 in der Weise betä
tigt, daß über die Luftablaßeinrichtung Luft aus dem Körper
12 abgelassen wird, wodurch das Profil des Körpers 12
schlanker wird und dieser noch weniger Strömungswiderstand
aufweist. Je nach Verfahrstrecke des Laufwagens 16 erreicht
der Körper 12 seine maximale Verfahrgeschwindigkeit kurz
vor Eintritt in den Totraum 21 oder bereits deutlich vor
dem Eintritt in den Totraum 21, so daß er in letzterem Fall
nach einer Beschleunigungsphase die restliche Wegstrecke
bis zum Erreichen des Totraumes 21 mit maximaler Geschwin
digkeit zurücklegt. Wenn die Verfahrstrecke aber derart
lang ist, muß der Anstellwinkel α ab Erreichen der maxima
len Geschwindigkeit konstant bleiben. Um dies zu gewährlei
sten, wird ab der gewünschten maximalen Verfahrgeschwindig
keit oder ab einer bestimmten Verfahrstrecke der Pneumatik
zylinder 52 in der Weise betätigt, daß der Triebstock 36 in
Verfahrrichtung des Laufwagens 16 verschoben wird, wodurch
der Anstellwinkel α konstant bleibt.
Der Pneumatikzylinder 52 als Teil der Sollwerteinstellein
richtung 50 wird auch dann betätigt, wenn die von dem Gene
rator 80 erzeugte elektrische Energiemenge unnötigerweise
höher als die von Verbrauchern benötigte Energiemenge ist.
Ein nicht gezeigter Belastungswächter erzeugt in diesem
Fall ein entsprechendes Signal, das den Pneumatikzylinder
52 in Verfahrrichtung des Laufwagens 16 verschiebt, so daß
ein kleinerer maximaler Anstellwinkel α eingestellt wird
und der Körper 12 zusammen mit dem Laufwagen 16 langsamer
in Richtung zum anderen Ufer fährt.
Die Verstellung des Anstellwinkels α kann auch auf elektri
schem Weg erfolgen. Dazu ist ein in Fig. 4 mit unterbro
chenen Linien angedeuteter elektrischer Stellmotor 44 vor
gesehen, der den Stellantrieb 20 bildet und das Malteserrad
42 sowie den Triebstock 36 ersetzt. Ein nicht explizit ge
zeigter Sensor zur Erfassung der Laufwagengeschwindigkeit
ist mit dem elektrischen Stellmotor 44 gekoppelt, wodurch
eine direkte Erfassung der Geschwindigkeit des Laufwagens
16 und eine entsprechende Einstellung des Anstellwinkels α
erfolgen kann.
Beim, Erreichen des gegenüberliegenden Ufers, wenn der Kör
per 12 in den Totraum 21 fährt, bremst ein nichtgezeigter
Stoßdämpfer den Laufwagen 16 ab, wobei die im Stoßdämpfer
erzeugte Energie in Form von hydraulischer Energie einem
nicht gezeigten Hydraulikspeicher zugeführt wird. Das Mal
teserrad 42 erfaßt in dieser Stellung keinen vorstehenden
Stift 40 mehr, so daß sich der Körper 12 frei entgegen der
Uhrzeigerrichtung drehen kann, wobei beim folgenden Zurück
fahren zum ursprünglichen Ufer das untere Stirnzahnradpaar
und der untere Freilauf 34 drehmomentübertragend wirken.
Während der gesamten Verfahrstrecke des Laufwagens 16 er
folgt der Antrieb des Generators 80 über die Gall′sche
Kette 23, welche über den fest an ihr fixierten Bolzen 54
mit dem Laufwagen 16 gekuppelt ist. Die Energieübertragung
erfolgt von der Gall′schen Kette 23 über das Kettenrad 76
auf die Abtriebswelle 56 und über den Riemen 60 weiter auf
den Abtriebsflansch 82. Damit die Gall′sche Kette 23 eine
kontinuierliche, gleichgerichtete Bewegung auf den Genera
tor 80 übertragen kann, rastet der Bolzen 54, sobald der
Laufwagen 16 ein Ufer erreicht hat, aus einer entsprechen
den Ausnehmung am Laufwagen 16 aus und rastet nach halbem
Umlaufen des Kettenrades 76 wieder am Laufwagen 16 in einer
zweiten Ausnehmung ein, wobei sich inzwischen der Körper
12, wie beschrieben, gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat.
Über die Luftzufuhreinrichtung wird inzwischen auch die
Profildicke des Körpers 12 vergrößert, wodurch der Druckun
terschied an den beiden Seitenwänden des Körpers 12 erhöht
wird, was wiederum das Anfahren des Körpers 12 unterstützt.
Damit die Leistung des Generators 80 beim Umlenken des Kör
pers 12 an einem Ufer, wenn dieser keine Energie erzeugt,
nicht schlagartig abfällt, überbrückt die in der Schwung
masse 58 gespeicherte Energie die Umsteuerphase des Körpers
12. Die Rutschkupplung 66 entkoppelt in Umsteuerphase die
Drehbewegung der Schwungmasse 58 von der Drehbewegung des
Kettenrades 76. Beim Beschleunigen des Körpers 12 verbindet
die Rutschkupplung 66 dann Kettenrad 76 und Schwungmasse 58
wieder miteinander.
Prototypen des Steuerkopfes 10 und der Strömungskraftma
schine haben gezeigt, daß das Maximum an Energie erzeugt
wird, wenn der Anstellwinkel α so eingestellt wird, daß die
Richtung der Relativgeschwindigkeit des Wassers zum Körper
12 konstant ca. 17° beträgt. Das heißt, bei Flossenge
schwindigkeit 0 Meter/Sekunde beträgt der Anstellwinkel α
bei einer Wassergeschwindigkeit von 2,5 Meter/Sekunde ca.
17° und bei einer Flossengeschwindigkeit von 10 Me
ter/Sekunde ca. α = 93°.
Da es sehr leicht vorkommen kann, daß Treibgut auf den Kör
per 12 prallt und diesen gerade bei hohen Verfahrgeschwin
digkeiten beschädigt, ist eine Überlastsicherung vorgese
hen, die zwischen dem Laufwagen 16 und dem Körper 12 ange
ordnet und so ausgebildet ist, daß der Körper 12 bei zu
großen auf ihn einwirkenden Momenten von dem Laufwagen 16
kinematisch entkoppelbar ist. Hierzu federt die nachgiebige
Lagerung 46 des Triebstockes 36 bei einem Schlag oder bei
zu hohen Momenten auf den Körper 12 nach unten weg, so daß
das Malteserrad 42 keinen Formschluß mehr mit dem Trieb
stock 36 besitzt, sich der Körper 12 parallel zur Strömung
F drehen und das Treibgut an ihm vorbeischwimmen kann. An
schließend verschiebt der Pneumatikzylinder 52 den Trieb
stock 36 so weit, bis der nächste vorstehende Stift 40 in
eine Ausnehmung 43 des Malteserrades 42 einrastet. Der
Pneumatikzylinder 52 verschiebt dann den Triebstock 36 ge
ringfügig weiter, um den Körper 12 für das Wiederanfahren
in einen geringen Anstellwinkel α zur Strömung F einzustel
len. Anstelle der nachgiebigen Lagerung 46 kann auch eine
Rutschkupplung zwischen Stellantrieb 20 und Wellenabschnitt
128 vorgesehen sein.
Claims (12)
1. Steuerkopf (10) für einen unter der Einwirkung ei
ner Strömung in eine Hin- und Herbewegung versetz
baren Körper (12) einer Strömungskraftmaschine,
wobei der Körper (12) mit einem auf einem Füh
rungsbett (14) quer zur Strömung verfahrbaren
Laufwagen (16) verbunden ist, welcher seinerseits
mit einem Wandler (18) zum Umwandeln der Laufwa
genbewegung in nutzbare Energie gekuppelt ist, und
wobei der Steuerkopf (10) die Verbindung zwischen
Körper (12) und Laufwagen (16) bildet und so aus
gebildet ist, daß er den Anstellwinkel (α) des
Körpers (12) bezüglich der Strömungsrichtung in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Laufwa
gens (16) so einstellt, daß sich der Anstellwinkel
(α) nach dem Umkehrpunkt von einem kleinen Wert
auf einen von der Last abhängigen größeren Wert
verändert.
2. Steuerkopf nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen durch die Laufwagenbe
wegung gesteuerten Stellantrieb (20) zum Einstel
len des Anstellwinkels (α) des Körpers (12).
3. Steuerkopf nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch ein Getriebe mit einem Ein
trieb, der mit dem Stellantrieb (20) gekuppelt
ist, und mit zwei Abtrieben, die in Abhängigkeit
von der Bewegungsrichtung des Laufwagens (16 ) mit
dem Körper (12) kuppelbar sind.
4. Steuerkopf nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Dif
ferentialgetriebe (22) mit einem Eintriebskegelrad
(24) und zwei Abtriebskegelrädern (26, 28) umfaßt.
5. Steuerkopf nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden
Abtriebskegelrädern (26, 28) und dem Körper (12)
zwei Freiläufe (32, 34) mit gegensinnigen Frei
laufrichtungen vorgesehen sind.
6. Steuerkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (20)
als mechanischer Bewegungswandler so ausgebildet
ist, daß er die Laufwagenbewegung in eine Drehbe
wegung zur Einstellung des Anstellwinkels (α) des
Körpers (12) umwandelt.
7. Steuerkopf nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (20)
eingangsseitig einen längs des Führungsbettes (14)
des Laufwagens (16) feststehend angeordneten
Triebstock (36) und ausgangsseitig ein mit dem
Triebstock (36) formschlüssig kämmendes, am Lauf
wagen (16) gelagertes Malteserrad (42) umfaßt.
8. Steuerkopf nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstel
len des Sollwertes der zu erzeugenden nutzbaren
Energie durch Verstellen des Triebstockes (36) in
Längsrichtung.
9. Steuerkopf nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstell
einrichtung einen Elektromotor oder einen Pneuma
tikzylinder (52) umfaßt.
10. Steuerkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (20)
ein elektrischer Stellmotor ist, der zu seiner Be
tätigung mit einem Sensor zur Erfassung der Lauf
wagengeschwindigkeit gekoppelt ist.
11. Steuerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ge
kennzeichnet durch eine Überlastsicherung, die
zwischen dem Laufwagen (16) und dem Körper (12)
angeordnet und so ausgebildet ist, daß der Körper
(12) bei zu großen auf ihn einwirkenden Momenten
von dem Laufwagen (16) kinematisch entkoppelbar
ist.
12. Steuerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verände
rung der Profildicke des Körpers (12).
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