DE69729106T2

DE69729106T2 - Energiegewinnung aus strömenden fluiden

Info

Publication number: DE69729106T2
Application number: DE69729106T
Authority: DE
Inventors: Lee Arnold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: EP0927304A4; AU727700B2; CN1088800C; KR20000048506A; BR9714342A; US6273680B1; IL129049A0; IL129049A; EP0927304B1; CN1231021A; ATE266811T1; CA2266632A1; JP2001500941A; JP4187268B2; RU2198318C2; DE69729106D1; AU4588497A; EP0927304A1; CA2266632C; KR100583934B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung umfaßt Verbesserungen gegenüber den Verfahren und Vorrichtungen, die in meinen früheren US-Patenten Nr. 4,184,805 (Januar 1980) und 4,347,036 (August 1982) beschrieben sind, und ist allgemein bei schwingenden Kaskaden-Energiesystemen (OCPS) einsetzbar.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung der kinetischen Energie eines sich bewegenden Fluidstromes und insbesondere auf eine Kaskade aus Aero- oder Hydro-Tragflügeln, die in einem solchen Strom schwingen. Diese verrichten Nutzarbeit, z. B. erzeugen Elektrizität, durch Abziehen von Energie aus dem Strom, oder schaffen einen Vortrieb durch Hinzufügen von extern zugeführter Energie, um einen negativen Sog zu erzeugen.
Beschreibung des Standes der Technik
Die anhaltende Suche nach alternativen Energiequellen hat eine Erneuerung des Interesses an der Nutzung der im wesentlichen unerschöpflichen kinetischen Energie sich bewegender Fluide, wie Wind, Strömung, Fluß- und Meeresströmungen, verursacht. Diese sind insofern derivative Solarenergiequellen, als sie durch Sonnenwärme angetrieben werden. Die Windmühle ist ein einfaches Beispiel für eine Vorrichtung, die in der Lage ist, diese Energie nutzbar zu machen, wobei sie aufgrund der erheblichen Zentrifugalkräfte, die von großen Drehflügeln erzeugt werden, der Abhängigkeit der Betriebsfrequenz von der Windgeschwindigkeit und des Bedarfs großer Erzeugungsflächen, d. h. des von den Drehflügeln beschriebenen Kreises, um aus natürlich vorkommenden Windströmungen ausreichende Leistung zu erzeugen, jedoch nur von begrenztem Nutzen ist.
Eine Alternative zur Windmühle ist im US-Patent Nr. 4,024,409 von Peter R. Payne beschrieben. Dieses Patent beschreibt eine Vorrichtung mit einem Draht, der durch das Ablösen von Wirbeln von ihm in Schwingungen versetzt wird, wobei diese Schwingungen dann in Nutzarbeit umgewandelt werden. Wie die Äolsharfe, die Tacoma Narrows-Brücke und ein Straßenschild, das in einer Windböe flattert, wird diese Art Bewegung hervorgerufen, wenn sich Wirbel von einem stumpfen Körper mit einer Frequenz in Resonanz mit der Eigenfrequenz des Objektes ablösen. Das Patent beschreibt auch die Verwendung eines einzigen Flügels, der den Windbedingungen entsprechend in Schwingung versetzt wird. Wie bei der Windmühle, ist die Energiemenge, die nutzbar gemacht werden kann, jedoch begrenzt. Ferner sind solche Schwingungen eher durch die Phänomene der Karmanschen Wirbelstraße als durch das aeroelastische Phänomen des Flatterns bedingt.
Das US-Patent Nr. 3,995,972 beschreibt ein System, das eine Schichtanordnung starr miteinander verbundener Aero-Flügel enthält, die in einem Windstrom angeordnet sind. Durch aufeinanderfolgendes Ändern des Anstellwinkels der Aero-Flügel wird eine gleichförmige Schwingungsbewegung erzeugt, um eine Stange hin- und herzubewegen, die dann ihrerseits eine Leistungsabgabevorrichtung antreibt. Wie bei der Windmühle, besteht der Nachteil dieses Systems darin, daß es keine Möglichkeit gibt, Änderungen der Windgeschwindigkeit auszugleichen, um eine im wesentlichen konstante Leistungsabgabe bei einer im wesentlichen gleichförmigen Frequenz sicherzustellen.
Es wurde auch an der Erzeugung des negativen Sogs im Falle eines einzelnen, schwingenden Aero-Flügels gearbeitet, siehe I. E. Garrick, Propulsion of a Flapping and Oscillating Airfoil, NACA Rep. Nr. 567, Mai 1936.
Es ist seit langem bekannt, daß eine große Energiemenge verfügbar ist, wenn ein Aero-Flügel dem Phänomen des aeroelastischen Flatterns ausgesetzt wird. Obwohl dieses Phänomen bei ausreichend hohen Wassergeschwindigkeiten auch für Hydro-Flügel gilt, wurde es in der Natur noch nicht beobachtet. Ferner waren Studien dieses Phänomens alleine darauf gerichtet, dessen Auftreten zu verhindern, da es, wenn es unkontrolliert bliebe, letztlich zur Zerstörung des Aero-Flügels führen würde. Meine US-Patente 4,347,036 und 4,184,805 befaßten sich mit den nützlichen Anwendungen dieses Phänomens zur Energieerzeugung und zum Vortrieb; diese werden hier erweitert, um ihre Wirksamkeit und Anwendbarkeit in natürlich vorkommenden Fluidströmen zu verbessern.
Außer wenn auf ein bestimmtes Fluid Bezug genommen wird, umfaßt der Begriff „Aero-Flügel", so wie er nachfolgend verwendet wird, auch das Konzept eines Hydro-Flügels bei entsprechend modifizierter Ausdrucksweise, z. B. Hydrosystem statt Aerosystem, usw. Der Begriff „Aero-Flügel" wird an Stelle des gebräuchlicheren „Airfoil" verwendet, um diese Verbindung sowie die Verwendung solcher Flügel zur Energieerzeugung, und nicht zum Auftrieb bei Luftfahrzeugen, zu betonen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Umwandeln von kinetischer Energie eines Fluidstromes in Nutzarbeit bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen einer Gruppe von Flügeln in dem Fluidstrom, Montieren dieser Flügel derart, daß sie mindestens zwei Freiheitsgrade haben, Hinzufügen einer Trägheit an die Gruppe von Flügeln und Bewirken einer Bewegung des Fluidstroms über die Flügel hinweg mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Flügel Flatterschwingungen unterzogen werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schritt des Hinzufügens von Trägheit an die Gruppe von Flügeln den Schritt des Hinzufügens einer Schwungradeinrichtung umfaßt, um Schwankungen der Flatterschwingungen zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zum Umwandeln von kinetischer Energie eines Fluidstroms in Nutzarbeit, wobei die Vorrichtung eine Gruppe von Flügeln, Mittel, mit denen die Flügel so montiert werden, so daß sie mindestens zwei Freiheitsgrade aufweisen, Mittel, die gestatten, daß sich ein Fluidstrom über die Flügel hinweg bewegt, um zu bewirken, daß die Flügel Flatterschwingungen unterzogen werden, um Nutzarbeit zu erzeugen, und Mittel umfaßt, die mit der Gruppe von Flügeln verbunden sind, um den Flügeln Trägheit hinzuzufügen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel, welche der Gruppe von Flügeln Trägheit hinzufügen, eine Schwungradeinrichtung umfassen, die mit den Flügeln verbunden ist, um Schwankungen der Flatterschwingungen zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, große Mengen der verfügbaren Energie aus einem sich bewegenden Fluidstrom mit einer Kaskade von darin angeordneten Flügeln nutzbar zu machen. Das Verfahren kann in einer Wasserumgebung Anwendung finden, und obwohl ein Flattern bei natürlich auftretenden Wassergeschwindigkeiten allgemein nicht zu beobachten ist, wurde ein Flattern in Wassersystemen experimentell nachgewiesen, wenn die Trägheit des Systems durch die Verwendung von Schwungrädern, die an den Genatoren oder zwischen den Hydro-Flügeln und dem Generatorsystem angebracht sind, erhöht wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die kinetische Energie von Luft dadurch in Nutzarbeit umgewandelt, daß eine Kaskade dünner Aero-Flügel in einem sich bewegenden Strom angeordnet wird, um ein aerodynamisches System festzulegen. Die Aero-Flügel haben einen Anstellwinkel von null Grad, wenn sie unbewegt sind, und jeder Aero-Flügel weist zwei Freiheitsgrade auf, wobei benachbarte Aero-Flügel phasenverschoben sind. Das System wird dann angepaßt, bis die Geschwindigkeit des Fluidstroms eine für das System kritische Geschwindigkeit ist, die ausreicht, um Flatterschwingungen zu erzeugen. Die Aero-Flügel werden dann bewegt, und die resultierenden Schwingungen der Aero-Flügel werden dazu eingesetzt, Nutzarbeit zu erzeugen. Schwankungen der Fluidgeschwindigkeit werden erkannt, und das System wird so gesteuert, daß eine kritische Geschwindigkeit und stationäre Schwingungen aufrecht erhalten werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eines Fluidstroms in Nutzarbeit bereit, die eine an einander gegenüberliegenden Enden offene Stützstruktur umfaßt, um einen Fluidfluß durch diese hindurch zuzulassen, mit einer Vielzahl dünner Aero-Flügel und Mitteln zum Montieren dieser Aero-Flügel in der Stützstruktur und unter einem Anstellwinkel von null Grad in unbewegtem Zustand. Zusätzlich sind die Aero-Flügel mit mindestens zwei Freiheitsgraden versehen, wobei benachbarte Aero-Flügel zueinander phasenverschoben beweglich sind. Die Stützstruktur besteht aus einem Rahmen mit oberen und/oder unteren und seitlichen Barrieren, um einen Strom durch die Struktur zu kanalisieren, wodurch dessen Geschwindigkeit und damit der Wirkungsgrad des Systems erhöht wird. Zudem sind auch Mittel zur Nutzung der Schwingungsbewegung der Aero-Flügel vorgesehen, um Nutzarbeit zu erzeugen.
Die Aero-Flügel sind vorzugsweise in zwei Untersystemen von alternierenden Flügeln angeordnet, wobei die Aero-Flügel jedes Untersystems so miteinander verbunden sind, daß sie in gleicher Phase schwingen. Die Untersysteme können so miteinander verbunden werden, daß sie sich 180 Grad phasenverschoben bewegen, oder sie können ausschließlich mit gegenüberliegend verbundenen mechanischen Oszillatoren verbunden sein, welche die Flatterschwingungen aufrechterhalten und verstärken und auch die anfängliche Bewegung der Aero-Flügel in dem Fluidstrom bereitstellen.
Ein Steuerungssystem kann bereitgestellt werden, um die Flatterschwingungen beizubehalten, wenn sich die Geschwindigkeit des Fluids ändert.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in dem Fluidstrom eine Vorrichtung angeordnet, die ein Paar von parallelen Platen und einen dünnen Aero-Flügel enthält, der in gleichem Abstand von jeder Platte angeordnet ist und mindestens zwei Freiheitsgrade aufweist. Die Platten sind parallel zum freien Strom angeordnet, und der Aero-Flügel hat in unbewegtem Zustand einen Anstellwinkel von null Grad, um ein aerodynamisches System festzulegen. Das System wird dann solange angepaßt, bis die Geschwindigkeit des Fluidstroms ausreicht, um Flatterschwingungen zu erzeugen; der Aero-Flügel wird bewegt und die resultierenden Schwingungen werden zum Erzeugen von Nutzarbeit genutzt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wiederum sieht eine Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eines Fluidstroms in Nutzarbeit vor, mit einer Stützstruktur, welche an einander gegenüberliegenden Enden offen ist, um einen Fluidstrom durch diese hindurch zuzulassen, und mit einer Vielzahl in gleichen Abständen voneinander angeordneter, ebener Platten, die parallel zur Richtung des Fluidstroms verlaufen, einer Vielzahl dünner Aero-Flügel innerhalb der Stützstruktur in einer Kaskade, wobei jeder Aero-Flügel mindestens zwei Freiheitsgrade aufweist und in gleichen Abständen zwischen benachbarten ebenen Platten sowie unter einem Anstellwinkel von null Grad in unbewegtem Zustand angeordnet ist, mit Mitteln zum Verbinden der Aero-Flügel derart, dass sie in gleicher Phase schwingen, und mit Mitteln, die in Wirkverbindung mit den Aero-Flügeln stehen, um deren Schwingungsbewegung zum Erzeugen von Nutzarbeit zu nutzen.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht entweder einen einzigen Aero-Flügel in einem eingegrenzten Fluid oder eine Kaskade von Aero-Flügeln in einem sich bewegenden Fluidstrom vor. Die Aero-Flügel werden mechanisch in Schwingung versetzt, um die Vortriebwirkung des Fluids bereitzustellen oder zu verstärken. Die mechanische Antriebseinrichtung kann von jeder Art sein, welche die Leistung einer Kaskade von Aero-Flügeln, die Flatterschwingungen unterliegen, miteinschließt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden unter Berücksichtigung der beigefügten Ansprüche, auf die der Leser verwiesen wird, und beim Studium der folgenden, detaillierteren Beschreibung der Erfindung deutlich. Es zeigen:
1 eine Perspektivdarstellung von entweder getrennten oder angebrachten Modulen, deren jedes eine vertikale oder eine horizontale Kaskade von Flügeln gemäß der ursprünglichen Erfindung aufweist; a) stellt ein über einer Barriere montiertes Modul dar, b) ein seitlich an der Barriere montiertes Modul und c) ein Modul, das frei verschwenkbar ist, damit es dem Strom zugewandt ist;
2 einen Graph, der zeigt, daß bei einer vorgegebenen Gruppe von Parametern die kritische Geschwindigkeit, die benötigt wird, um Flatterschwingungen zu erzeugen, bei einer Kaskade von Flügeln niedriger ist als bei einem einzigen Flügel;
3 einen Graph, der veranschaulicht, wie durch Einbringen einer Nutzeinrichtung in ein System, das Flatterschwingungen unterliegt, Energie zurückgewonnen werden kann;
die 4 und 5 Schnittdarstellungen von 1, welche die Lage der einer kritischen Geschwindigkeit ausgesetzten Flügel illustrieren, bevor bzw. nachdem sie bewegt wurden; die Flügel können entweder aerodynamisch geformte oder auch ebene Platten mit abgerundeten Vorder- und Hinterkanten sein;
6 eine schematische Teilperspektivdarstellung eines Systemmoduls mit horizontalen Flügeln, welche die Montage der Flügel gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht und die alternierenden Gestängeverbindungen sowohl mit den Vorderkanten als auch mit den Hinterkanten der Flügel zeigt;
7 eine schematische Teildarstellung eines Systems von Flügeln, die mit Schwungrädern entweder über ein vorgespanntes Kabel, das um die Welle der Schwungräder gewickelt ist, oder mittels dünner Stangen mit einer geraden Klinke, die an einem Zahnrad auf der Welle der Schwungräder angebracht ist, verbunden sind; der Rahmen ist weggelassen, um die Gestaltung besser zu illustrieren;
8 eine schematische Teildarstellung der Schwungräder und der Masse, die auf einem Arm angebracht ist, um den Vorder- und Hinterkanten jeder paarweisen Anordnung von Flügeln, die an der Schwungrad-Stützwelle angebracht sind, eine erhöhte effektive Trägheit zu verleihen; eine Stange verbindet die Oberseite des großen Schwungrades mit einer Kurbelwelle, die einen Generator antreibt;
9 eine schematische Teildarstellung einer typischen Verbindung, welche die geradzahligen/ungeradzahligen Paare von Vorder-/Hinterkanten-Flügeln mit einem Generator verbindet und der ein schweres Schwungrad nachgeschaltet ist;
10 eine schematische Teilperspektivdarstellung, die wiederum eine weitere Ausführungsform der Erfindung illustriert, bei der ein aerodynamischer Flügel mit einem Hilfsflügel verwendet wird;
11 eine Schnittdarstellung, die einen Flügel gemäß der Ausführungsform aus 10 zeigt;
12 eine schematische Teilperspektivdarstellung, die eine andere Ausführungsform nach der Erfindung darstellt;
13 einen Graph, welcher einen erhöhten Wirkungsgrad veranschaulicht, der durch die Schwingungen einer Kaskade von Flügeln in einem sich bewegenden Fluidstrom erreicht wird, um einen Vortrieb zu erzeugen;
14 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Antriebsvorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Reihe (a), (b), (c) von Energiewandlern oder Systemen (OCPS), die aus Rahmen 1 mit entweder vertikalen oder horizontalen Flügeln 2 bestehen, in verschiedenen Einstellungen. 1(a) stellt ein System dar, das über einer Barriere 3 montiert ist, bei der es sich um einen kreisförmigen oder elliptischen Zylinder handelt. Ein über dem System montierter kreisförmiger Zylinder 4 enthält die Verbindungen, Kurbelwellen und Generatoren, um sie vor den Elementen zu schützen. 1(b) zeigt ein System, das seitlich an einer bestehenden Struktur, wie z. B. einem Silo oder einem Wasserturm 5, angebracht ist. Auch hier enthält ein Zylinder 4, in dieser Darstellung an der Seite des Turmes 5 montiert, die Verbindungen, Kurbelwellen und Generatoren. Schließlich zeigt 1(c) ein freistehendes System, das auf einem Zapfen 6 mit einem Zylinder 4 darauf zur Aufnahme der Verbindungen, Kurbelwellen und Generatoren montiert ist, mit einer Flosse 7 darauf, um das System quer zur Fluidströmung auszurichten. Jeder Energiewandler umfaßt eine Vielzahl von in gleichen Abständen voneinander angeordneten Flügeln 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ , 2₅ , 2₆ , 2₇ , 2₈ , die innerhalb der Stützstruktur 1 unter einem Anstellwinkel von null Grad angeordnet sind, wenn die Flügel unbewegt sind. Die Endflügel sind in einem Abstand von den benachbarten Wänden der Stützstruktur angeordnet, der dem halben Abstand zwischen benachbarten Flügeln entspricht. Wie nachfolgend beschrieben, sind die Flügel so montiert, daß benachbarte Flügel, wenn sie unter Flatterschwingungen erzeugenden Bedingungen bewegt werden, im wesentlichen um 180 Grad phasenverschoben schwingen und diese Schwingungsbewegung zum Erzeugen von Nutzarbeit genutzt wird. Jeder Flügel ist symmetrisch mit einer abgerundeten Vorder- und Hinterkante ausgebildet und über seine verbleibende Breite gegebenenfalls eben ausgebildet ist, weist keine Wölbung auf, um Hubkräfte zu verringern, und ist im Grundriß rechteckig ausgebildet. Zwar ist typischerweise eine Kaskade von acht Flügeln gezeigt; es versteht sich jedoch, daß die Anzahl der in einer Kaskade angeordneten Flügel abhängig von der beabsichtigten Verwendung der Vorrichtung veränderlich sein kann. Die Flügel können zur Bildung der Kaskade vertikal oder horizontal gestapelt werden; sie können in jeder Richtung gestapelt werden, solange sie in unbewegtem Zustand normalerweise einen Anstellwinkel von null Grad haben.
Die vorliegende Erfindung nutzt das Phänomen der selbst angeregten Rückkopplung im Zusammenhang mit dem üblicherweise als Flattern bekannten Aeroelastik-Phänomen, das bei Luft wohlbekannt ist; es hat jedoch sein Gegenstück im Wasser, wo die in natürlich vorkommenden Wasserströmen verfügbare Energie aufgrund des großen Dichteunterschiedes deutlich größer als die in natürlich vorkommenden Luftströmen vorhandene ist. Die folgende Erörterung ist bezüglich Luftströmen formuliert, aber unter bestimmten Einschränkungen, die nachfolgend erörtert werden, auch auf Wasserströme anwendbar.
Dieses Phänomen beinhaltet die Wechselwirkung der elastischen Kräfte, der Trägheitskräfte und der Wirk-Kräfte eines Aero-Flügels mit den unsteten aerodynamischen Kräften, die sich aus der Bewegung des Aero-Flügels in einem Fluidstrom ergeben. Da der Aero-Flügel im Anstellwinkel Winkeldrehung) und im Sturz (Translationsbewegung) schwingt, entsteht eine komplexe Erzeugung alternierender Wirbel von der Hinterkante aus, die wiederum einen Nachsog bilden. Die Wirbel des Sogs laufen dann zum Aero-Flügel zurück, um eine Kraft. und eine Bewegung zu induzieren, die zur Aero-Flügelbewegung um plus oder minus 90 Grad phasenverschobene Komponenten aufweisen. Diese phasenverschobene Komponente verleiht dem Aero-Flügel eine sichtbare Dämpfung. Bei einer kritischen Geschwindigkeit (V_c) wird diese aerodynamische Dämpfungskomponente negativ und gleicht die positive mechanische Dämpfung des schwingenden Aero-Flügels aus, um an diesem harmonische Schwingungen zu erzeugen. Bei Geschwindigkeiten über der kritischen Geschwindigkeit führen Erhöhungen der aerodynamischen Energie zu großer Instabilität, und schließlich kann die aerodynamische Energie so groß werden, daß der Aero-Flügel zerstört wird. Obwohl intensiv am Phänomen des Flatterns gearbeitet wurde und die während des Flatterns verfügbaren enormen Energiemengen vor langer Zeit erkannt wurden, richtete sich die Forschung überwiegend auf die Vermeidung seiner katastrophalen Folgen, da solche Flatterschwingungen während des Fluges von Luftfahrzeugen nicht kontrolliert werden können, sondern sich stattdessen weiter aufbauen, bis der Flügel des Luftfahrzeugs schließlich zerstört wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in der Lage, das Flatterphänomen zu nutzen, da ein Steuerungssystem bereitgestellt wird, welches die Instabilität und Zerstörung verhindert, die normalerweise mit Flügelflatter-Situationen verbunden sind. Dies gestattet die Nutzung solcher Phänomene, um in kontrollierter Weise Energie zu erzeugen.
Die Verwendung einer Kaskade bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber einem einzigen Aero-Flügel, der einem Flattern ausgesetzt ist. Es kann gezeigt werden, daß bei einer vorgegebenen Gruppe von Parametern die kritische Geschwindigkeit, die benötigt wird, um die Kaskade in Schwingung zu versetzen, geringer ist als die für einen einzigen Aero-Flügel. Ferner wird die kritische Geschwindigkeit für eine bestimmte Gruppe von Parametern möglichst niedrig sein, wenn die Aero-Flügel so angeordnet sind, daß benachbarte Aero-Flügel um 180 Grad zueinander phasenverschoben schwingen.
Zwei wichtige Faktoren müssen jedoch erkannt werden. Um aus natürlich vorkommenden Windströmungen ökonomisch Energie zu erzeugen, muß entweder die Querschnittsfläche, die dem Fluidstrom ausgesetzt ist, groß sein (Windmühlen-Lösung), oder die Geschwindigkeit des Fluids muß erhöht werden, d. h. die hier beschriebene Barrieren-Lösung. Durch Anordnen einer Barriere im natürlichen Fluß, wodurch bewirkt wird, daß das Fluid dieselbe Menge an Masse durch eine kleinere Fläche hindurchführt, muß die Fluidgeschwindigkeit erhöht werden. Da die verfügbare Energie proportional zur dritten Potenz der Fluidgeschwindigkeit ist, ist die Verwendung von Barrieren sehr wirksam. Was Wasserströme angeht, so sind die Geschwindigkeiten, bei denen ein Flattern auftritt, im allgemeinen nicht natürlich vorzufinden. Wenn die effektive Masse des Systems jedoch erhöht wird, z. B. durch Anbringen von Schwungrädern an den Drehwellen, über welche die Kraftübertragung von der Translations- und Drehbewegung der Hydro-Flügel an einen Stromgenerator erfolgt, werden die für das Flattern benötigten Geschwindigkeiten auf Werte verringert, die in Flüssen, Strömen und Meeresströmungen weltweit natürlich vorhanden sind. Diese beiden Verbesserungen bilden die Grundlage der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Graph, welcher den Vorteil der Kaskade veranschaulicht. Der Parameter S/C, der in dieser Figur die Abszisse ist, legt den Abstand von Flügeln fest, die in einer Kaskade angeordnet sind, wobei S der Abstand zwischen benachbarten Flügeln und C, wie in 4 gezeigt, die Sehnenlänge ist. Die Ordinate stellt ein dimensionsloses Verhältnis der kritischen Geschwindigkeit V(S/C) für eine Kaskade, bei der benachbarte Flügel um 180 Grad phasenverschoben schwingen, zur kritischen Geschwindigkeit V∞ für einen einzigen Flügel dar. Für eine bestimmte Gruppe von Parametern ist ersichtlich, daß die kritische Geschwindigkeit, wenn S/C etwa 1/3 ist, für eine Kaskade etwa halb so groß ist, wie die zum Erzeugen von Flattern benötigte Geschwindigkeit im Falle eines einzigen Flügels. Daher kann unter Verwendung einer Kaskade zum Abziehen von Energie aus dem Fluidstrom durch das Anregen von Flattern ein Flattern bei deutlich niedrigeren Fluidgeschwindigkeiten erreicht werden als bei einem einzigen Flügel. Tatsächlich kann durch Steuerung der Parameter, wie nachfolgend erläutert, die kritische Geschwindigkeit in Luft, die benötigt wird, um harmonische Schwingungen zu induzieren, so gering wie 1 Meile pro Stunde (1 m. p. h.) sein. Dies trifft auch auf ein Flattern in Wasser zu, wenn dem System, wie nachfolgend erörtert, eine zusätzliche Trägheit hinzugefügt wird.
3 ist ein Graph, welcher die Vorteile der Integration einer Nutzeinrichtung, wie z. B. einer elektrischen Schaltung, in einer schwingenden Kaskade darstellt. Die Ordinate ist eine dimensionslose Flattergeschwindigkeit V/W_α b), worin V für die Fluidgeschwindigkeit, W_α für die Eigenschwingung im Zusammenhang mit einer reinen Anstellung, wenn V gleich Null ist, und b für die Halbsehne des Aero-Flügels steht. Die Abszisse ist das Verhältnis von W_h zu W_α, worin W_h für die Eigenschwingung im Zusammenhang mit einem reinen Sturz steht, wenn V gleich Null ist. Der Bereich unterhalb jeder Kurve legt den Bereich fest, in dem die aerodynamische Energie E_A kleiner als die mechanische Energie E_M ist. Für eine bestimmte Gruppe von Werten W_h und W_α kann die kritische Geschwindigkeit V_c abgeleitet werden. Über jeder Kurve, welche die kritische Geschwindigkeit V_c darstellt, ist E_A größer als E_M und stellt daher einen Bereich von Instabilität dar. Die untere Kurve stellt die kritische Geschwindigkeit für einen einzigen Aero-Flügel dar, während die obere Kurve die kritische Geschwindigkeit wiedergibt, wenn eine Nutzeinrichtung in das System integriert ist. Dieser Graph zeigt dann, daß durch Hinzufügen einer Nutzeinrichtung die aerodynamische Energie, die sonst bewirken würde, daß das System in den instabilen Bereich gelangt, stattdessen von der Nutzeinrichtung absorbiert wird, während das System im stabilen Bereich bleibt. Für eine Kaskade werden, da die kritische Geschwindigkeit niedriger als für eine bestimmte Gruppe von Parametern ist, die zugeordneten Kurven niedriger sein als die in 3 für einen einzigen Flügel gezeigten Kurven.
Die 4 und 5 zeigen die harmonischen Schwingungen, die entstehen, wenn eine Kaskade von Aero-Flügeln – in dieser Darstellung sind zehn gezeigt – einem Fluidstrom mit der kritischen Geschwindigkeit V_c, d. h. einem Flattern, unterliegt. Diese sind Draufsichten auf vertikale Flügel (oder Seitenansichten von horizontalen Flügeln), die in diesen Darstellungen mit einem typischen symmetrischen Airfoil-Flügelquerschnitt gezeigt sind. Wie bereits zuvor erwähnt, wird der Begriff „Aero-Flügel" für die Flügel verwendet, die hier für Luftströmungen eingesetzt werden, während der Begriff „Hydro-Flügel" für Wasserströmungen verwendet würde. Für beide oder jeden dieser Begriffe steht der Begriff „Flügel". Die Querschnitte dieser Flügel müssen nur symmetrisch sein und könnten, wie in anderen Figuren gezeigt, ebene Platten mit abgerundeten Vorder- und Hinterkanten sein. Der Begriff „Airfoil" wird für die typischen Querschnitte verwendet, die bei Luftfahrzeugen eingesetzt werden. In 4 stehen die Aero-Flügel, bevor sie bewegt werden, unter einem Anstellwinkel von null Grad. Obwohl sich die Windgeschwindigkeit auf dem kritischen Niveau befindet, erfolgt keine Bewegung der Flügel aufgrund ihrer symmetrischen Kontur. Sobald das System jedoch durch Bewegen mindestens eines der Flügel gestört wird, bewirkt das Strömungsfeld eine Kopplung benachbarter Flügel, die beginnen, um etwa 180 Grad phasenverschoben zu schwingen, wie dies in 5 schematisch gezeigt ist. Die Flügel sind alternierend mit Stangen oder Kabeln 8_e und 8_o an den geradzahligen und ungeradzahligen Flügelvorderkanten sowie 9_e und 9_o an den geradzahligen bzw. ungeradzahligen Hinterkanten verbunden. (Die obere Stange oder das obere Kabel verdeckt in diesen Ansichten die/das untere). Wie am deutlichsten in 6 gezeigt ist, sind diese Stangen oder Kabel 8 und 9 über Stifte 10₁ , 10₂ usw. an den Flügeln, an deren vorderen und hinteren Flächen, angebracht. Die Schwingungsbewegung, die bei der kritischen Geschwindigkeit auftritt, wurde erstmals bei Studien der nachteiligen Auswirkungen des Flatterns bei sich drehenden Verdichterflügeln beobachtet.
In 6 ist eine erste Ausführungsform zur Montage der Aero-Flügel gezeigt, von denen zur Vereinfachung nur vier mit 2₃ , 2₄ , 2₅ , 2₆ bezeichnete Flügel gemäß der vorliegenden Erfindung in der Stützstruktur dargestellt sind, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, obwohl nachfolgend implizit auf alle Flügel Bezug genommen wird. Diese Flügel sind in einer horizontalen Lage gezeigt; sie könnten aber ebenso leicht auch in einer vertikalen Lage montiert sein. Wie in 6 gezeigt, sind die Flügel in zwei Untersystemen, nämlich als ungeradzahlige Flügel 2₃ , 2₅ und als geradzahlige Flügel 2₄ , 2₆ , angeordnet. Das vollständige System besteht aus allen Flügeln. Die Flügel jedes Untersystems sind miteinander so verbunden, daß sie sich in gleicher Phase bewegen, wobei jeder Flügel mindestens zwei Freiheitsgrade aufweist, da mindestens zwei Freiheitsgrade erforderlich sind, um Flatterschwingungen zu erzeugen. Die Flügel sind an beiden Enden am Rahmen mittels Stützfedern 12 angebracht, die zur Vereinfachung für beide Enden des Flügels 2₃ mit 12₃ bezeichnet sind, usw. Bei vertikalen Flügeln kann die untere Feder durch eine Zugleine ersetzt sein, da sie nicht zum Abstützen benötigt wird. Paare von Stangen oder Kabeln 8_e und 8_o sind an Stiften 10₄ und 10₃ befestigt, davon je einer an oder nahe den beiden Enden der vorderen Fläche der Flügel 2₄ und 2₃ usw., wobei ähnliche Stangen oder Kabel und Stifte 9_e und 9_o an Stiften 11₄ und 11₃ an den hinteren Flächen befestigt sind. Die Stangen oder Kabel ragen durch Löcher 13_e und 13_o , die groß genug sind, um ein Festsetzen zu vermeiden, zum Anschluß an die Erzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) über den Rahmen hinaus. Wenn Stangen ausreichender Steifigkeit verwendet werden, um sowohl Druck- als auch Zugkräfte zu übertragen, ist keine andere Stütze erforderlich; wenn aber biegsame Kabel, die Zug, aber nicht Druck, übertragen, zur Übertragung der Flügelbewegung an die im Erzeugungssystem eingesetzten Verbindungen verwendet werden, werden diese mit zusätzlichen Federn 14_e und 14_o vorgespannt, welche die Kabel mit dem Rahmen verbinden. Wegen der Klarheit der übrigen Figur sind noch nicht gezeigte Anschläge vorgesehen, um den Betrag der Bewegung innerhalb des Systems zu begrenzen.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß die beiden Untersysteme in Anstellung und Sturz relativ zueinander frei schwingen können, und daß, wenn die gesamte Vorrichtung Fluidströmen mit einer kritischen Geschwindigkeit ausgesetzt wird, benachbarte Flügel um etwa 180 Grad phasenverschoben schwingen, wie dies in 5 gezeigt ist. Somit ist für eine bestimmte Gruppe von Parametern die kritische Fluidgeschwindigkeit die kleinstmögliche.
Da es notwendig ist, die Flügel zu bewegen, um die gewünschten harmonischen Schwingungen zu erreichen, ist mindestens ein mechanischer Oszillator für eines der Untersysteme vorgesehen. Dieser könnte direkt an den Untersystemen vorgesehen oder an dem (hier nicht gezeigten) elektromechanischen Erzeugungssystem vorgesehen werden, an dem die Stangen oder Kabel der Untersysteme befestigt sind. Zusätzlich zum Bereitstellen der anfänglichen Bewegung hält der Betrieb dieser Oszillatoren die Schwingungsbewegung aufrecht und verstärkt sie. Somit halten die mechanischen Oszillatoren, falls die Strömungsgeschwindigkeit auf einen Wert absinken sollte, der für das nachfolgend beschriebene Steuerungssystem zu niedrig ist, um das System bei der kritischen Geschwindigkeit zu halten, die Flügel weiterhin in Schwingung, bis die Fluidgeschwindigkeit ausreichend ansteigt, um eine Strömung mit kritischer Geschwindigkeit wiederherzustellen. Bei der vorliegenden Erfindung wird die natürliche Geschwindigkeit des Fluids als die kritische Geschwindigkeit eingesetzt. Damit diese Geschwindigkeit Flatterschwingungen erzeugen kann, müssen daher ein oder mehrere Parameter des Systems, welches das Erzeugungssystem umfaßt, verändert werden. Da sich die Fluidgeschwindigkeit mit der Zeit ändern kann, müssen diese Parameter zudem als Reaktion auf Veränderungen der Fluidgeschwindigkeit so geändert werden, daß die vorherrschende Geschwindigkeit die Schwingungen aufrechterhält. Zum Verändern der Parameter des Systems ist ein Steuerungssystem mit einem (nicht gezeigten) Detektor, wie z. B. einem Anemometer für Windgeschwindigkeiten, zum Erfassen der Fluidgeschwindigkeit oder mit einem Detektor, der die Amplituden der Schwingungen erkennt, vorgesehen. Ein Signal von diesem Detektor ergibt eine Rückkopplung in das System, um mindestens einen dessen Parameter zu ändern. Da die kritische Geschwindigkeit von der Steifigkeit der Flügel und der Lage ihres Schwerpunktes abhängt, können diese Parameter verändert werden, z. B. durch Ändern der effektiven Federsteifigkeit oder des effektiven Massemittelpunktes, durch Ändern der Impedanzen der einzeln an der Vorder- und Hinterkante jedes Untersystems angebrachten Generatoren, d. h. jedes Untersystem von geradzahligen und ungeradzahligen Aero-Flügeln besteht seinerseits wiederum aus zwei „Unter"-Untersystemen, die aus den Stangen oder Kabeln an der Vorder- und Hinterkante und dem Rest des gesamten Energiewandlersystems, an das diese angeschlossen sind, bestehen.
Während gemäß den obigen Ausführungen die dem Energiewandler zugeordneten Parameter verändert werden, gehört es auch zum Umfang der Erfindung, Schwankungen der Fluidgeschwindigkeit so zu steuern, daß an die Flügel dauerhaft eine konstante Geschwindigkeit angelegt wird.
7 zeigt ein Verfahren zum Hinzufügen einer Trägheit an das System mittels Schwungrädern. Unter Verwendung derselben Numerierung wie bei den vorhergehenden Figuren sind Verbindungsstangen oder -kabel 8_e , 8_o , 9_e und 9_o an Wellen 15_e , 15_o , 16_e und 16_o für die „Unter"-Untersysteme an der Vorderkante bzw. an der Hinterkante befestigt. Die Verbindung erfolgt bei Verbindungsstangen über Zahnräder und über das biegsame Kabel, das vorgespannt ist, um eine Übertragung sowohl von Zug- als auch von Druckkräften zuzulassen, über eine Kette mit Kettenrad. Diese Wellen werden dann mit schweren Schwungrädern 17_e , 17_o , 18_e und 18_o verbunden, die sich mit derselben Frequenz wie die Bewegung der Untersysteme drehen. Diese großen Schwungräder werden dann mittels Zahnrädern mit einer Gruppe kleinerer Schwungräder 19_e , 19_o , 20_e und 20_o verbunden, die sich aufgrund ihrer Radiendifferenz mit einem Mehrfachen der Untersystem-Frequenz drehen. An den kleinen Schwungrädern sind zusätzliche Massen 21_e , 21_o , 22_e und 22_o angebracht, die auf Armen 23_e , 23_o , 24_e und 24_o sitzen, die den Untersystemen mehr Trägheit hinzufügen und deren Lage am Arm so gesteuert werden kann, daß sich die effektive Trägheit der Untersysteme ändert. Das Tragegestell und andere Flügel, sofern vorhanden, sind nicht gezeigt, um die Verbindungen und die Schwungräder hervorzuheben.
8 zeigt eine weitere Einzelheit der oben in 7 beschriebenen Schwungrad-Masse-Kombination für das „Unter"-Untersystem an der Vorderkante eines „geradzahligen" Flügels. Eine Welle 15_e treibt ein großes Schwungrad 17_e an, das wiederum so verzahnt ist, daß es ein kleines Schwungrad 19_e mit einer Masse 21_e auf einem Arm 23_e antreibt. Das große Schwungrad ist bei dieser Ausführungsform auch über einen Stift 27_e mit einem Gestänge 25_e verbunden. Der Verbindungsarm bewirkt seinerseits, daß eine Welle 29_e sich dreht und einen Stromgenerator 31_e antreibt. Diese Kombination wird für das „Unter"-Untersystem an der Vorderkante eines ungeradzahligen Flügels, die Vorderkante des geradzahligen „Unter"-Untersystems und die Vorderkante des ungeradzahligen „Unter"-Untersystems wiederholt.
9 zeigt eine alternative Methode zum Hinzufügen einer Trägheit an die Untersysteme. Das Gestänge, in diesem Falle eine steife Stange 8_e , die von den „geradzahligen" Vorderkantenflügeln kommt, ist über einen Stift 33_e mit einer zweiten Stange 35_e verbunden, die eine Kurbelwelle 29_e dreht, welche wiederum einen Generator 31_e mit einem Schwungrad 37_e auf derselben Kurbelwelle dreht. In dieser Figur ist das Schwungrad der Klarheit wegen hinter dem Generator angeordnet; typischerweise befindet es sich jedoch vor dem Generator.
Eine weitere Ausführungsform des OCPS, bei der gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente stehen, ist in 10 gezeigt. Während bei den vorhergehenden Ausführungsformen die Flügel hinsichtlich ihrer Längs- und Querneigung frei beweglich sind, sind die Flügel bei dieser Ausführungsform nur hinsichtlich ihres Anstellwinkels frei beweglich, während getrennte Klappen 39₁ , 39₂ , 39₃ usw. verschwenkbar mit den entsprechenden Flügeln 2₁ , 2₂ , 2₃ usw. verbunden sind, um für den zweiten Freiheitsgrad zu sorgen. Jeder Flügel ist mit Stiften 40₁ , 40₂ , 40₂ am nahen Ende und 41₁ , 41₂ , 41₃ am fernen Ende versehen, um die Flügel an der Stützstruktur 1 zu montieren. Diese Stifte lassen eine Anstell-Bewegung zu und stützen zudem auch die Flügel ab, um eine Sturz-Bewegung zu verhindern. Die Klappen sind zwar federgespannt, um die in der Figur gezeigte Lage im Ruhezustand sicherzustellen, doch sie können aufgrund der fluiddynamischen Kräfte des Fluidstroms bewegt werden, wenn die Flügel im Anstellwinkel schwingen. Eine Gruppe von Stangen 8_e und 8_o sowie 9_e und 9_o , die an den vorderen bzw. hinteren, geradzahligen bzw. ungeradzahligen Flügeln befestigt sind, verbinden die Untersysteme miteinander. Der Klarheit wegen ist in dieser Figur nur eine repräsentative Gruppe von Flügeln gezeigt. 11 zeigt einen Schnitt durch die Flügel.
12 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente. Bei den vorstehenden Ausführungsformen wies das OCPS zwei Untersysteme von Flügeln auf, die sich im wesentlichen um 180 Grad phasenverschoben bewegen. Es kann gezeigt werden, daß ein einziger Flügel, der in gleichem Abstand zwischen einem Paar ebener Platten angeordnet ist, wenn er sich in seinem ungestörten Zustand befindet, als eine Endloskaskade wirken kann, da zwei Untersysteme, die um 180 Grad phasenverschoben schwingen, mit benachbarten Flügeln, die in einem Abstand s voneinander angeordnet sind, durch Symmetrie bei s/2 eine ungestörte Strömung aufweisen. Eine Strömung desselben Typs ergibt sich, wenn an Stelle der Kaskade von Flügeln eine ebene Platte bei s/2 oberhalb und unterhalb des Flügels angeordnet ist. Dies wird aus den folgenden Ausführungen deutlich.
Im Falle von zwei um 180 Grad phasenverschoben schwingenden Untersystemen mit benachbarten Flügeln, die in einem Abstand s voneinander angeordnet sind, ist das Fluid bei s/2, d. h. auf halbem Wege zwischen benachbarten Flügeln, ungestört. Eine Strömung desselben Typs ergibt sich, wenn an Stelle der Kaskade von Flügeln eine ebene Platte bei s/2 oberhalb und unterhalb eines einzigen Flügels angeordnet ist. Somit ist in 12 eine Kaskade von Flügeln vorgesehen, die in einem Abstand s/2 von beiden Enden des Stützrahmens entfernt angeordnet sind, wobei die Flügel selbst in einem Abstand s voneinander liegen. Die Flügel, Stifte, Stangen oder Kabel, der Rahmen usw. sind, wie oben, mit dem gleichen Numerierungssystem beschrieben. Allerdings werden dünne, ebene Platten 43₁ , 43₂ , 43₃ usw. in der Mitte zwischen den Flügeln (unbewegt) eingebracht, d. h. bei s/2, mit Öffnungen 44 in den Platten, die ein freies Hindurchführen der Stangen oder Kabel ohne Festsitzen zulassen.
Es versteht sich, daß jeder eingefaßte Flügel als Endloskaskade wirkt, d. h. die kleinstmögliche kritische Geschwindigkeit für eine bestimmte Gruppe von Parametern aufweist. Zusätzlich kann, da jedes Untersystem über Stangen verbunden ist, die von jedem Flügel in jedem Untersystem absorbierte Energie an eine einzige Nutzeinrichtung angelegt werden, die aus zwei Generatorsystemen, einem für die Vorderkanten und dem anderen für die Hinterkanten, bestehen könnte, um ein Verfahren zum Steuern der Bewegungen durch Ändern der jeweiligen Impedanzen der Generatorsysteme bereitzustellen.
Gleichermaßen versteht sich, daß alle der vorstehenden Ausführungsformen so gestaltet sein können, daß sie drei oder mehr Freiheitsgrade zulassen, da die Erfindung nicht auf nur zwei Freiheitsgrade beschränkt sein soll. Beispielsweise können Klappen in Kombination mit Flügeln bereitgestellt werden, die sowohl im Anstellwinkel als auch im Sturz frei beweglich sind, um ein OCPS mit drei Freiheitsgraden bereitzustellen.
Beim Betrieb wird das OCPS an einer Stelle angeordnet, an der es einer Fluidströmung ausgesetzt ist. Danach werden aufgrund der Geschwindigkeit des Fluids verschiedene Parameter eingestellt, so daß die Fluidgeschwindigkeit eine für das System kritische Geschwindigkeit ist. Dann wird mindestens ein Flügel bewegt, um harmonische Schwingungen zu erzeugen, und die Nutzeinrichtung macht die Energie aus der Fluidströmung nutzbar und wandelt sie in Nutzarbeit um, z. B. zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für eine Pumpenbetätigung. Da ein Steuerungssystem bereitgestellt wird, werden Schwankungen der Fluidgeschwindigkeit erkannt, und das System wird automatisch so eingestellt, daß die vorherrschende Geschwindigkeit weiterhin harmonische Schwingungen durch Flattern verursacht.
Bisher wurde die Erfindung dahingehend beschrieben, daß sie eine Kaskade von Flügeln aufweist, die nur durch einen sich bewegenden Fluidstrom angetrieben wird, um Nutzarbeit zu verrichten. Die Kaskade kann jedoch auch mechanisch in Schwingungen versetzt werden, so daß der Vortrieb eines sich bewegenden Fluidstromes mit der Geschwindigkeit V erhöht wird. 1936 berichtete I. E. Garrick, daß durch das Schwingen eines einzigen Airfoils in einem sich bewegenden Luftstrom ein negativer Sog erzeugt wird. 13 ist ein Graph, der dieses Phänomen veranschaulicht. Die Ordinate stellt das Verhältnis von pro Zeiteinheit verrichteter durchschnittlicher Arbeit (P_x V) zur pro Zeiteinheit verrichteten durchschnittlichen Arbeit W dar, um die Schwingungen gegen die aerodynamischen Kräfte und das Anstellmoment aufrecht zu erhalten. Die Abszisse ist eine dimensionslose Beziehung V/(W b), worin W für die Schwingungsfrequenz bei reinem Sturz und b für die Halbsehne steht. Die Kurve 104 stellt Garricks Erkenntnisse für einen einzigen Airfoil bei reinem Sturz dar, wobei S/C unendlich ist. Der Fall einer Kaskade, bei der S/c gleich 1/3 ist, ist durch die Kurve 105 dargestellt. Beispielhalber sei angenommen, daß V = 10 ft./sec, b = ½ ft., W = 40 rad./sec ist, so daß V/(W b) = ½ ist. Aus 13 ist ersichtlich, daß für einen einzigen Flügel (SIC = ∞), (P_x V/W = 0,53 ist, während für die Kaskade gilt: (S/C = 1/3), (P_x V)/W = 0,9. Beim Schwingen einer Kaskade in einem sich bewegenden Fluidstrom entspricht der Wirkungsgrad der abgeleiteten Vortriebenergie daher etwa dem 1,7-Fachen eines einzigen Flügels. Ähnliche Steigerungen des Wirkungsgrades können erreicht werden, wenn die Kaskade allein in ihrer Anstellung oder in einer Kombination aus Anstellungs- und Sturzänderung schwingt, oder wenn Klappen, entweder alleine oder in Kombination mit einer Anstellungs- und/oder Sturzänderung, bereitgestellt werden. Da die Kaskade hier nur dazu verwendet wird, den Vortrieb des Fluids, in dem die Kaskade angeordnet ist, zu unterstützen, sind Flattern und kritische Geschwindigkeit keine wichtigen Faktoren.
Die 14 und 15 zeigen Ausführungsformen dieser Erfindung zum Erhöhen des Vortriebs eines sich bewegenden Stromes. 14 zeigt eine Kaskade von Flügeln 45₁ , 45₂ , 45₃ usw., die so angeordnet sind, daß sie zwei Untersysteme (geradzahlig und ungeradzahlig) innerhalb eines Fluidstroms 46 festlegen, der durch eine Leitung 47 gepumpt wird. Die Untersysteme werden von zwei mechanischen Antriebsquellen 48₁ , 48₂ in reinem Sturz um 180 Grad phasenverschoben in Schwingung versetzt. Die Antriebsquellen können beliebiger Art sein, einschließlich eines weiteren OCPS. Daher fällt es unter den Umfang der Erfindung, eine fluidgetriebene Kaskade unter Flattern zu verwenden, um eine mechanische Bewegung zu erzeugen, durch die die Flügel in Schwingung versetzt werden. Bei einer solchen Bauweise ist eine erste Kaskade in einem ersten Fluidstrom angeordnet, der bei einer kritischen Geschwindigkeit gehalten wird, und wird dazu verwendet, eine zweite Kaskade in Schwingung zu versetzen, um dadurch den Vortrieb des zweiten Stroms zu erhöhen.
15 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verstärken des Vortriebs eines sich bewegenden Stroms. Wie in der vorhergehenden Figur, wird der Fluidstrom 46 durch eine Leitung 47 gepumpt, und die Flügel sind in zwei Untersystemen angeordnet, die jeweils auf eine der beiden mechanischen Antriebssystemquellen 48₁ , 48₂ ansprechen und um 180 Grad phasenverschoben arbeiten. Bei dieser Ausführungsform wird jedes Untersystem sowohl in seiner Anstellung, als auch im Sturz in Schwingung versetzt.
Da, wie oben ausgeführt, ein einziger Flügel, der in gleichen Abständen von den einander gegenüberliegenden Wänden eines eingegrenzten Fluids angeordnet ist, wie eine unendliche Kaskade wirkt, kann ein einziger Flügel in einem eingegrenzten Fluid in Schwingung versetzt werden, um den Vortrieb zu verstärken. Zwar ist die beschriebene Kaskade von Flügeln in den 14 und 15 in einem eingegrenzten Fluid angeordnet gezeigt, doch es fällt auch unter den Umfang dieser Erfindung, eine solche Kaskade in einem natürlich fließenden, nicht eingegrenzten Fluidstrom, z. B. einem Fluß oder einem Windstrom, einzusetzen.
Nachdem die Erfindung und ihre Verbesserungen somit unter besonderer Bezugnahme auf deren bevorzugte Formen beschrieben wurden, ist es für den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung, wenn er die Erfindung verstanden hat, ersichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne vom ursprünglichen Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Umwandeln der kinetischen Energie eines Fluidstromes in Nutzarbeit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen einer Gruppe von Flügeln (2, 39, 45) in dem Fluidstrom, Montieren dieser Flügel derart, daß sie mindestens zwei Freiheitsgrade haben, Hinzufügen einer Trägheit (8, 9, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 29, 37) an die Gruppe von Flügeln und Bewirken einer Bewegung (3, 4, 5) des Fluidstroms über die Flügel hinweg mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Flügel Flatterschwingungen unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Hinzufügens einer Trägheit an die Gruppe von Flügeln den Schritt eines Hinzufügens einer Schwungradeinrichtung (17, 18, 19, 20) umfaßt, um Schwankungen dieser Flatterschwingungen zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schwungradeinrichtung ein Getriebe aus miteinander kämmenden Zahnradelementen (17, 18, 19, 20), das mit den Flügeln verbunden ist, und Mittel umfaßt, bei denen die Zahnradelemente durch die Schwingungen der Flügel während deren Flatterns in Drehung versetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ferner den Schritt eines Umleitens eines zusätzlichen Fluids (3, 4, 5) über die Flügel hinweg umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Umleitens zusätzlichen Fluids dadurch verursacht wird, daß eine Strömungsumleitungsbarriere (3, 4, 5) in dem Fluidstrom an einer stromaufwärts und benachbart den Flügeln gelegenen Stelle angeordnet wird.
Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie eines Fluidstroms in Nutzarbeit, wobei die Vorrichtung eine Gruppe von Flügeln (2, 39, 45), Mittel (8, 9, 10, 40), mit denen die Flügel so montiert werden, daß sie mindestens zwei Freiheitsgrade aufweisen, Mittel (1), die gestatten, daß sich ein Fluidstrom über die Flügel hinweg bewegt, um zu bewirken, daß die Flügel Flatterschwingungen unterzogen werden, um Nutzarbeit zu erzeugen, und Mittel (8, 9, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 29, 37) umfaßt, die mit der Gruppe von Flügeln verbunden sind, um den Flügeln Trägheit hinzuzufügen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel, welche der Gruppe von Flügeln Trägheit hinzufügen, eine Schwungradeinrichtung (17, 18, 19, 20) umfassen, die mit den Flügeln verbunden ist, um Schwankungen der Flatterschwingungen zu minimieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Schwungradeinrichtung ein Getriebe aus miteinander kämmenden Zahnradelementen (17, 18, 19, 20), die mit den Flügeln verbunden sind, und Mittel umfaßt, bei denen die Zahnradelemente durch die Schwingungen der Flügel während deren Flatterns in Drehung versetzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, die ferner Barrieremittel (3, 4, 5) umfaßt, die stromaufwärts der Flügel (2) angeordnet sind, um die Geschwindigkeit des Fluidstroms über diese Flügel hinweg zu erhöhen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die eine zweite Gruppe von Flügeln und Mittel umfaßt, um die Schwingungen der ersten Gruppe von Flügeln dazu zu nutzen, die Flügel in der zweiten Gruppe von Flügeln zu betreiben.