DE4336894C2 - Steuerkopf - Google Patents

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).