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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Turbinen, insbesondere
(aber nicht ausschließlich)
zur Verwendung in Systemen zum Nutzbarmachen und Umwandeln der Energie
aus Meereswellen in besser nutzbare Energieformen wie etwa elektrische
Energie.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung ein wellengetriebenes Energiegewinnungssystem,
bei dem die oszillierende Meereswellenbewegung dazu genutzt wird,
ein Luftvolumen zu verdrängen,
um eine mit einem elektrischen Generator verbundene windgetriebene
Turbine anzutreiben. Die Wellen können in eine speziell ausgebildete
Luftverdichtungskammer geleitet werden, in deren Auslass eine geeignet betätigbare
Windturbine angeordnet ist.
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Zu
diesem Zweck weisen die verschiedenen Gebiete von Interesse Folgendes
auf eine Wellenfokussiereinrichtung; eine Luftverdichtungskammeranordnung,
die zur Verwendung mit einer Wellenfokussiereinrichtung besonders
geeignet ist; und eine Windturbine, die so betätigbar ist, dass sie sich unter periodischen
Umkehrluftströmungsbedingungen
der oben angegebenen Art unidirektional dreht.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung hier zwar im Zusammenhang mit
einem kompletten Energieumwandlungssystem beschrieben ist, die Turbine jedoch
zur Verwendung auf anderen nicht damit in Beziehung stehenden Anwendungsgebieten
geeignet sein kann. Alternativ kann sie in ähnliche Energieumwandlungsysteme
eingebaut sein, wenn sie mit neuen oder bestehenden alternativen
Komponenten kombiniert ist, die in diesem Dokument nicht im Einzelnen
beschrieben sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Überlegungen
hinsichtlich der beschränkten Ressourcen
von herkömmlichen
brennbaren Kohlenwasserstoff-Brenntstoffquellen und schädlicher Emissionen,
die aus ihrer Verwendung resultieren, haben erhebliche Forschungsarbeiten
in Bezug auf nachhaltige umweltfreundliche Energiequellen wie etwa
Wellen, Wind, Gezeiten, Geothermie und Sonnenenergie ausgelöst.
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Es
sind zwar signifikante technologische Fortschritte bei der Umwandlung
von Energie von einigen dieser alternativen Gebiete wie etwa Wind-
und Sonnenenergie gemacht worden; die meisten von den bis heute
vorgeschlagenen wellengetriebenen Erzeugungssysteme sind jedoch
physisch nicht anwendbar und/oder wirtschaftlich nicht brauchbar.
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In
diesem Zusammenhang sind zahlreiche verschiedene Typen von wellengetriebenen
Erzeugungssystemen vorgeschlagen worden, von denen die meisten auf
dem Grundprinzip der Nutzung der der Bewegung von Wellen innewohnenden
Vertikalbewegung beruhen, um eine entsprechende Vedrängung einer
Komponente des Erzeugungssystems zu bewirken. Sämtliche von den bisher vorgeschlagenen
Systemen haben jedoch ihre Beschränkungen.
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Beispielsweise
verwendet ein derartiges System oszillierende Schwimmpaddel, deren
Bewegung direkt oder indirekt in elektrische Energie umgewandelt
wird. Diese Schwimmpaddelsysteme haben jedoch im Allgemeinen einen
geringen Energieumwandlungs-Wirkungsgrad und können ungünstigen Wetterbedingungen nicht
standhalten. Dies bedeutet entweder, dass solche System auf Küstenstandorte beschränkt sind,
die nur mäßige und
vorhersagbare Wellenformen haben, oder dass die Systeme zu einer
geeigneten Schutzvorrichtung verbracht werden müssen, wenn Stürme erwartet
werden.
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Andere
Systeme umfassen diejenigen, die auf dem Gedanken des Kanalisierens
der Wellen durch Wasserverdrängerpumpen
oder alternativ in große
Speicher oder Reservoire beruht, wobei anschließend der hydrostatische Druck
des gespeicherten Wassers dazu genutzt wird, einen Turbinengenerator
oder dergleichen anzutreiben. Auch hier ist der gesamte Energieumwandlungs-Wirkungsgrad angesichts
der damit verbundenen Investitionskosten relativ gering.
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Einer
der vielversprechendsten bisher vorgeschlagenen alternativen Systemtypen,
auf dem die vorliegende Erfindung beruht, ist der Typ, bei dem die Vertikalbewegung
der Wellen in eine Drehbewegung umgewandelt wird, um einen Generator
direkt oder indirekt anzutreiben. Bei diesen Systemen wird das steigende
und fallende Seewasser zu einer Luftverdichtungskammer kanalisiert
und in dieser nutzbar gemacht. Die Kammer hat an ihrem Ausgang einen Auslasskanal
oder einen Lufttrichter, in dem eine Windturbine von der Art angeordnet
ist, die so betätigbar
ist, dass sie sich unter den von der Wellenbewegung induzierten
periodisch oszillierenden Luftströmungen unidirektional dreht.
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Die
Hauptmängel
dieser letzteren wellengetriebenen Luftturbinensysteme sind wiederum
die begrenzten insgesamt erzielbaren Energieausbeuten. Dies ist
hauptsächlich
zurückzuführen auf
die Beschränkungen,
die erstens hinsichtlich der Mittel zum Fokussieren der Wellenenergie
für die
Maximierung der Wellenverdrängungsamplitude
und zweitens hinsichtlich der der Turbinenkonstruktion innewohnenden
Betriebswirkungsgrade bestehen.
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Erstens
beruhen die meisten der bekannten Wellenfokussiereinrichtungen auf
dem planaren Zurückwerfen
der Wellenfront und/oder auf der Kanalisierung der Wellenfront durch
eine verengte Öffnung, so
dass die vertikale Verdrängung
oder Amplitude der Welle vergrößert wird.
Wieder andere weisen verschiedene Einrichtungen auf, um die Formation
des Meeresbodens zu verändern,
um die Wellenausbreitung auf steuerbare Weise zu unterbrechen, um
dadurch die Wellenamplitude an einer vorbestimmten Stelle zu maximieren.
Auch diese Systemtypen sind bisher in Bezug auf die maximal erzielbare
Wellenverstärkung
unter Berücksichtigung
eines gegebenen Kapitaleinsatzes beschränkt.
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Zweitens
sind die meisten bekannten Turbinen zur Drehung mit gleichbleibender
Geschwindigkeit als Reaktion auf die Fluidströmung in nur einer Richtung
ausgebildet und sind daher nicht imstande, als Reaktion auf die
Umkehrfluidströmungsbedingungen,
die bei wellengetriebenen Anwendungen der oben genannten Art vorliegen,
kontinuierlich zu arbeiten. Es sind jedoch eine Reihe von speziell
ausgebildeten unidirektionalen Turbinen für diese Umkehrströmungsbedingungen
konstruiert worden, wobei die am häufigsten eingesetzten auf der
als "Wells"-Turbine bekannten
Turbine beruhen.
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Die
ursprüngliche
Wells-Turbine war eine Einstufen-Konstruktion vom axialen Gebläsetyp, die sich
in Radialrichtung erstreckende Schaufeln mit Flügelprofil hatte, die im Allgemeinen
symmetrisch um die Sehne herum angeordnet sind, wobei die Schaufeln
mit ihren Ebenen mit Nullauftrieb senkrecht zu der Rotorachse befestigt
sind.
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Von
diesen frühen
Turbinen war jedoch bekannt, dass sie blockierten, was häufig in
der Abschaltung der Anlage zur Nutzbarmachung von Wellenenergie
resultierte. Dieses Blockieren tritt aufgrund der Tatsache auf,
dass eine solche Turbine um zu erwartende Luftströmungswerte
herum konstruiert werden muss, wogegen die Größe der in die Turbinenkammer
eintretenden Wellen nicht für
sämtliche Fälle gesteuert
werden kann. Wenn eine größere Welle
in die Kammer eintritt, bewirkt also ihre Bewegungsgröße eine
entsprechend größere Luftströmungsrate
durch die Turbinenschaufeln. Da die Rotationsrate der Schaufeln
angesichts ihrer Schaufelkonfiguration nicht entsprechend größer werden kann,
um dieser erhöhten
Luftströmung
zu begegnen, vergrößert sich
der Anströmwinkel
der Luftströmung
an den Schaufeln über
den Blockierwinkel hinaus, und die Turbine schaltet ab.
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Einige
spätere
bekannte Einrichtungen haben versucht, dieses Problem zu überwinden,
indem zwei Einstufen-Wells-Turbinen effektiv in Reihe eingebaut
wurden, was in einer Zweistufen-Turbine resultierte. Dieses modifizierte
System löst
zwar das Blockierproblem, jedoch auf Kosten des Gesamtwirkungsgrads.
Der Grund dafür
ist, dass es den ersten Schaufelsatz opfert, indem es zulässt, dass
er entsprechend blockiert und abschaltet, wobei dann der zweite
Schaufelsatz den Betrieb mit reduzierter Geschwindigkeit und reduziertem
Wirkungsgrad fortsetzt. Dies ist auf die Gesamtluftströmungsrate
zurückzuführen, die
nunmehr durch das Blockieren und die Unterbrechung der Luftströmung durch
die ersten Turbine verringert und vergleichmäßigt worden ist.
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Diese
bekannten Turbinen beruhen ferner gewöhnlich auf einer Niedrigdrehzahl-Konstruktion mit
großer
Masse, um eine gleichmäßige kontinuierliche
Rotation unter periodisch sich umkehrenden Antriebsluftströmungen der
in Betracht gezogenen Art zu gewährleisten.
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Es
versteht sich deshalb, dass die meisten bekannten Turbinen, die
für diesen
Anwendungstyp geeignet sind, häufig
von ziemlich komplexer Konstruktion sind und gewöhnlich erhebliche Beschränkungen
hinsichtlich der Betriebsbedingungen und/oder Wirkungsgrade haben.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine bereitzustellen,
die einen oder mehrere der oben genannten Nachteile des Stands der
Technik überwindet
oder mindestens mildert oder zumindest eine brauchbare Alternative
dazu bietet und die in einem Wellenenergiegewinnungssystem verwendet
werden kann.
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US-A-5
005 357 beschreibt eine Turbine nach dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellet eine Turbine gemäß Anspruch 1 bereit.
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Die
Turbine kann in Kombination mit einer Fokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion
für ebene
Wellen verwendet werden, wobei die Konstruktion eine offenseitige
Bucht aufweist, die von einer im Allgemeinen aufrechten Wand begrenzt
ist, wobei die Wand an ihrem Innenumfang so ausgebildet ist, dass
sie im Querschnitt von der Buchtöffnung ausgehend
zwei konvergierende Arme mit im Allgemeinen teilweise parabolischer
Krümmung
definiert, wobei die Symmetrieachsen jeder Parabel, von der die
Arme abgeleitet sind, parallel sind und die Arme in der Nähe ihrer
konvergierenden Enden miteinander verbunden sind, um einen gemeinsamen
Scheitel zu bilden, wobei die Wand so orientiert ist, dass eine sich
vorwärts
bewegende Wellenfront in einer Richtung allgemein parallel zu der
Symmetrieachse eingelassen wird, so dass die Welle beim Zurückwerfen von
der Wand zu einem Energienutzbarmachungsbereich nahe dem Scheitel
an dem oder in der Nähe des
Fokus jeder von den Parabeln konvergiert, so dass die vertikale
Verdrängung
der Welle an diesem Bereich verstärkt wird.
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Vorteilhafterweise
sind die konvergierende Arme der teilweise parabolischen Krümmung an
dem gemeinsamen Scheitel durch einen Endwandbereich miteinander
verbunden, der auch den hinteren Wandbereich einer Luftverdichtungskammer
definiert, wobei der vordere Bereich der Kammer bevorzugt von einem
vorderen Wandabschnitt definiert ist, der sich von dem hinteren
Bereich so nach vorn erstreckt, dass er einen vorbestimmten Bereich
um den Energienutzbarmachungsbereich herum umschreibt, wobei sich
der vordere Wandabschnitt nur teilweise unter dem zu erwartenden
Wasserspiegel erstreckt, so dass das Wasser unter die vordere Wand
und aufwärts
in die Kammer strömen
kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Wand so ausgebildet, dass sie im Querschnitt an ihrem Innenumfang
einen Endteil einer einzelnen Parabel oder einer guten Näherung davon
definiert, wobei die Wellen beim Zurückwerfen von der Wand in einem
Bereich an dem oder nahe dem einzigen Fokus dieser Parabel konvergieren.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die vielleicht weniger teuer in der Herstellung ist, weist die Konstruktion
eine Luftverdichtungskammer auf, wobei der hintere Wandbereich teilweise
von der vorhandenen Küstenlinie
gebildet sein kann und die Bucht einfach durch zwei möglicherweise
relativ kurze Arme mit teilweise parabolischer Krümmung definiert
ist, die sich von den Kammerwänden
erstrecken. Im Allgemeinen wird ein Kompromiss in Bezug auf die
Länge der
parabolisch gekrümmten
Arme durch Verlängerung
des Querschnittsbereichs der Luftverdichtungskammer kompensiert,
der den Energienutzbarmachungsbereich umschreibt.
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Bevorzugt
ist die Bucht ferner an ihrer Basis von einem im Allgemeinen planaren
Meeresboden begrenzt, der entlang einer zu der Symmetrieachse der
Parabel im Allgemeinen senkrechten Richtung von gleichbleibender
Tiefe ist. Die Tiefe und Neigung (falls vorhanden) des Meeresbodens
kann in Abhängigkeit
von lokalen Schichtungen und Wellenbedingungen sowie der Axt und
Weise, wie die verstärkten Wellen
für die
Energiegewinnung nutzbar gemacht werden sollen, variieren. Das allgemeine
Ziel ist es, die lokalen Bedingungen zu optimieren, um die Wellenvergrößerung zu
maximieren, und zwar im Idealfall ohne die Wellen zu brechen, bevor
sie in den Nutzbarmachungsbereich eintreten. Beispielsweise kann
bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Meeresboden zu dem Nutzbarmachungsbereich hin ansteigen, um
dazu beizutragen, das Wasser an dieser Stelle weiter nach oben zu
drücken.
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Bevorzugt
sollte die fokale Distanz der Parabel kleiner als oder gleich 1/7
der Wellenlänge
der einlaufenden Wellen sein, was in den meisten Fällen in
einer fokalen Distanz zwischen 5 und 15 m resultiert.
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Bevorzugt
sind die Schaufeln jeweils mit der Nabe so verbunden, dass der eingeschlossene
Winkel zwischen der Sehnenebene des Flügelprofils und der Achse der
Nabe gleich einem Wert zwischen 0° und
90° und
stärker
bevorzugt zwischen 0° und
beispielsweise 45° ist.
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Vorteilhafterweise
ist der oben genannte maximal eingeschlossene Winkel einstellbar.
Er wird synchron mit der Umkehrfluidströmung umgekehrt, um dadurch
den Anströmwinkel
für die
Fluidströmung
in beiden Richtungen zu optimieren.
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Es
versteht sich, dass es zahlreiche Möglichkeiten gibt, die Schaufelsteigung
umzukehren, wobei diese beispielsweise die Verwendung einer motorgetriebenen
Kegelgetriebebaugruppe einschließen, die so angeordnet ist,
dass sie ein mittiges Einsteckende, an dem jede Schaufel montiert
ist, dreht. Bei einer anderen Abwandlung ist jede Schaufel an einem
Einsteckende montiert, das einen seitlich versetzten Betriebsarm
aufweist, der mit einer spiralförmig
genuteten Betätigungswelle
zusammenwirkt, die längs
der Achse des Rotors wechselseitig verschiebbar ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
die für
eine bestimmte Menge von Bedingungen geeignet ist, ist der maximal
eingeschlossene Winkel gleich einem Wert zwischen +30° und –30° und ist umkehrbar,
damit er der Umkehrfluidströmung
entspricht. Bei einer anderen Ausführungsform, die für Anwendungsgebiete
der hier beschriebenen Art besonders geeignet ist und bei der das
Arbeitsfluid ein Gas wie etwa Luft ist, erfolgt die Richtungsumkehr der
Schaufelsteigung durch Mittel, die auf einen Druckmessumformer reagieren,
der so angeordnet ist, dass er den Umkehrpunkt der Gasströmung detektiert.
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Vorteilhafterweise
sind die Schaufeln um die mittige Nabe herum gleich beabstandet.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen,
die für
bestimmte Anwendungsgebiete geeignet sind, hat der Rotor zwischen
4 und 16 Schaufeln. Der Bedeckungsgrad kann hochvariabel sein und
liegt häufig
im Bereich zwischen 0,2 und 0,8. Das bevorzugte Schaufelsehnenverhältnis ist
18 %, und das bevorzugte Schaufelprofil umfasst zwei miteinander
vereinte Halbvorderteile eines Standardflügels nach NACA 65-418.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Meereswellen-Energiegewinnungssystem bereitgestellt,
wobei das System umfasst:
Wellenfokussierungsmittel, die zum
Vergrößern der periodischen
vertikalen Berg-Tal-Verschiebung von einlaufenden Wellen an einem
vorgegebenen Querschnittsort, der einen Energienutzbarmachungsbereich
definiert, dienen; eine Luftverdichtungskammer, die im Allgemeinen
einen Unterwasser-Wassereinlass aufweist, der an oder in unmittelbarer
Nähe neben
dem Nutzbarmachungsbereich angeordnet ist, damit die periodisch
oszillierenden Wellen ein über denselben
befindliches Luftvolumen verschieben können und dadurch eine entsprechende
periodische Umkehrluftströmung
erzeugen; wobei die Verdichtungskammer außerdem einen Luftauslass aufweist, in
dem eine luftgetriebene Turbine angeordnet ist, die sich so betreiben
lässt,
dass sie sich als Reaktion auf die Umkehrluftströmung unidirektional dreht;
wobei die Turbine Anspruch 1 entspricht.
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Bevorzugt
weisen die Wellenfokussierungsmittel eine allgemein parabolische
Fokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion
für ebene
Wellen nach dem ersten Aspekt der Erfindung auf, wobei der Fokus
der Parabel in dem vorgegebenen Querschnittsort liegt.
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Vorteilhafterweise
ist die Luftverdichtungskammer konfiguriert, um vom Wassereinlass
aus zum Luftauslass hin zusammenzulaufen, damit die Luftströmung beschleunigt
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Kammer einen Lufttrichter neben ihrem Auslass, in dessen
Engstelle die luftgetriebene Turbine angeordnet ist.
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Bei
anderen bevorzugten Ausführungsformen
können
der Luftverdichtungskammerauslass und/oder das Gehäuse und/oder
die der Turbine zugeordneten Ständer
Leitschaufeln umfassen, um die Richtung der Luftströmung in
die und/oder aus der Turbine zu optimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine Wellenokussierungs- und Verstärkungskonstruktion nach
einer ersten Ausführungsform,
wobei die Wandarme von der Buchtöffnung
ausgehend von zwei teilweise parabolischen Abschnitten gebildet sind,
die parallele und voneinander beabstandete Symmetrieachsen haben;
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2 eine
schematische mit Computer erstellte Perspektivansicht einer Fokussierungs-
und Verstärkungskonstruktion
für ebene
Wellen nach einer zweiten Ausführungsform,
wobei die Wand im Allgemeinen von einem Endbereich einer einzelnen
Parabel definiert ist, wobei die maximale Wellentalverschiebung
gezeigt ist, die an dem Nutzbarmachungsbereich erzielbar ist;
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3 eine
schematische mit Computer erstellte Perspektivansicht der in 2 gezeigten
Konstruktion, wobei die maximale Wellenbergverschiebung gezeigt
ist, die an dem Energienutzbarmachungsbereich erzielbar ist;
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4 eine
grafische mit Maßstab
versehene Darstellung der in den 2 und 3 gezeigten parabolischen
Wellenfokussierungskonstruktion für ebene Wellen nach der zweiten
Ausführungsform;
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5 eine
im Schnitt schematische Draufsicht auf eine teilweise parabolische
Wellenfokussierungs- und Verstärkungskonstruktion
für ebene
Wellen nach einer dritten Ausführungsform;
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6 eine
schematische Perspektivansicht eines Turbinenrotors nach einer ersten
Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
wobei die Schaufeln unter einem eingeschlossenen Winkel von 0° zu der Achse der
mittigen Nabe befestigt sind;
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7 eine
schematische Perspektivansicht eines Turbinenrotors nach einer zweiten
Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
wobei die Schaufelsteigung verstellbar ist und als Reaktion auf
die hin- und hergehende Luftströmung
durch die Turbine umkehrbar ist;
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8 eine
Teilansicht des Turbinenrotors von 7, die eine
Schaufel und ihre Verbindung mit der Nabe zeigt;
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9 einen
schematischen Querschnitt einer Schaufel des in den 6, 7 und 8 gezeigten
Turbinenrotors;
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10 eine
schematische Schnittansicht, die einen Turbinenschaufelsteigungsänderungs-
und Richtungsumkehrmechanismus nach einer ersten Ausführungsform
zeigt;
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11 eine
teilweise Draufsicht auf den in 10 gezeigten
Mechanismus;
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12 eine
schematische Ansicht, die einen Turbinenschaufelsteigungsänderungs-
und Richtungsumkehrmechanismus nach einer zweiten Ausführungsform
zeigt;
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13 eine
teilweise Draufsicht auf den in 12 gezeigten
Mechanismus; und
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14 eine
schematische Schnittansicht einer Meereswellen-Energiegewinnungsvorrichtung nach
einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Es
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform
einer Wellenfokussierungskonstruktion zeigt, die allgemein mit 1 bezeichnet
ist.
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Die
Konstruktion 1 weist eine offenseitige Bucht 2 auf,
die von einem allgemeinen aufrechten Seeuferdamm 3 begrenzt
ist. Die Wand 3 ist an ihrem Innenumfang 4 konkav
gekrümmt,
um im Querschnitt zwei konvergierende Arme 5 mit im Allgemeinen
teilweise parabolischer Krümmung
zu definieren, wobei die jeweiligen Symmetrieachsen 6 und 7 der
Parabeln, von denen die Arme abgeleitet sind, parallel sind. Die
Arme 5 sind in der Nähe
ihrer konvergierenden Enden miteinander verbunden, um einen gemeinsamen
Scheitel 8 zu bilden. Die Wand 3 ist so orientiert,
dass sie eine sich vorwärts
bewegende Wellenfront aufnimmt, die sich in einer allgemein parallelen
Richtung zu den Symmetrieachsen 6 und 7 ausbreitet.
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5 zeigt
eine andere Abwandlung der in 1 gezeigten
Konstruktion, die angewandt werden kann, wenn es zu teuer oder nicht
möglich
ist, den Seeuferdamm der Bucht entweder als Teil der umgebenden
Küstenlinie
zu konstruieren oder lange parabolische Arme zu haben, die sich
in die Bucht erstrecken. In diesem Fall wird ein Kompromiss erzielt, indem
relativ kurze teilweise parabolische Arme 5 konstruiert
werden, die an einen gemeinsamen Scheitel 8 direkt angeschlossen
sind, der gleichzeitig die hinteren Wandbereiche einer zugeordneten
Luftverdichtungskammer bildet, die im Querschnitt bei 11 gezeigt
ist.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
eine bevorzugte Ausführungsform,
bei der die Konstruktion als ein Endbereich einer einzelnen Parabel
oder einer guten Näherung
davon ausgebildet ist, die einen einzigen Fokus 9 hat.
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Meereswellen
enthalten enorme Energiemengen, da sie jedoch im Allgemeinen ebene
Wellen sind, wird die Energie in jedem Wellenkamm entlang diesem
Wellenkamm ausgebreitet. Das Ziel der parabolischen oder teilweise
parabolischen Wellenfokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion ist es,
diese Energie zu einem zentralen Bereich zu transportieren oder
zu konvergieren, von dem aus diese Energie besser nutzbar gemacht
werden kann.
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Im
Betrieb wird die Wellenfokussierungskonstruktion wie beschrieben
so orientiert, dass sich die ebene Welle zu der parabolischen oder
teilweise parabolischen Wand 3 hin in einer Richtung vorwärts bewegt,
die zu der Symmetrieachse (oder den Symmetrieachsen) 6 und 7 allgemein
parallel ist. Beim Auftreffen auf die parabolischen Abschnitte 5 der Wand 3 werden
die Wellen zurückgeworfen
und konvergieren zu dem entsprechenden Fokus 9 oder den Fokussen 9 und 10 jeder
entsprechenden Parabel. Wenn die Wand wie bei der in den 2, 3 und 4 gezeigten
bevorzugten zweiten Ausführungsform
einen Teil einer einzelnen Parabel definiert, konvergiert die Welle
zu dem einzigen Fokus 9 hin als eine kreisförmige oder
polare Welle. An diesem Punkt ist die Verschiebungsamplitude der
Welle signifikant vergrößert worden,
so dass sie zu dem perfekten Querschnittsort geworden ist, an dem
geeignete Mittel zum Umwandeln dieser Meereswasserverschiebung in
eine andere besser nutzbare Energieform positioniert sein sollen.
Dieser Ort ist als der Energienutzbarmachungsbereich definiert,
der allgemein bei 12 gezeigt ist und der in 5 hinsichtlich seiner
Lage der Luftverdichtungskammer 11 entspricht. Es versteht
sich, dass die Querschnittsgröße dieses
Bereichs nicht festgelegt ist und seine Bestimmung teilweise von
der erzielten Energieausbreitung innerhalb dieses Bereichs abhängig ist.
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Es
ist zu beachten, dass es einige Bedingungen gibt, die eingehalten
werden müssen,
um mit der oben beschriebenen im Allgemeinen parabolischen oder
teilweise parabolischen Wellenfokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion
eine maximale Energiefokussierung zu erzielen.
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Erstens
sollten sich die Wellenkämme
im Idealfall weitgehend parallel zu der oder jeder Symmetrieachse 6 und 7 der
Parabel ausbreiten. Es scheint, dass geringfügige Abweichungen mit nur geringen
Energieverlusten toleriert werden können; je größer jedoch der Winkel zwischen
der Symmetrieachse oder den Symmetrieachsen und der Wellenausbreitungsrichtung
ist, desto weiter ausgebreitet ist der Bereich der Energiekonzentration,
wodurch das System weniger wirkungsvoll ist. Dies ist im Allgemeinen
kein großes
Problem, vorausgesetzt die Wellenfokussierungskonstruktion wird
beim Einbau richtig orientiert, da Wellen an der Küste ihren
Einfallswinkel aufgrund der Anströmbathometrie nicht stark verändern.
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Wenn
der Abschnitt der ebenen Welle in den Bereich der Parabel eintritt,
sollte der Meeresboden im Idealfall über die Achse der Parabel oder
Parabeln einigermaßen
flach oder planar sein, um die Wellenrichtung nicht zu stören, und
ausreichend tief liegen oder anderweitig so ausgebildet sein, dass
das Brechen der Wellenkämme
vor ihrem Eintritt in den Nutzbarmachungsbereich verhindert wird,
da sie aufgrund von nichtlinearen Wirkungen wachsen. Voruntersuchungen
haben gezeigt, dass für
einen bestimmten Anwendungsfall eine Tiefe an der Buchtöffnung von
ungefähr
6 m für
die meisten Brandungsbedingungen, mit Ausnahme der größten, ausreichend sein
sollte.
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Wenn
die Energie anfangs aufgrund einer sehr kabbeligen und unregelmäßigen einlaufenden Welle
zerstreut wird, dann wird ein Teil der Energie von dem Fokus oder
den Fokussen 9 und 10 weg gestreut. Die Energieverluste
aufgrund dieser Tatsache oder irgendeiner von den oben genannten
Bedingungen können
durch angemessene Wahl der fokalen Distanz verringert werden, so
dass die Wellen weder die Zeit noch den Raum haben, sich innerhalb
des parabolischen Bereichs stark zu verändern. Auch hier haben Voruntersuchungen
gezeigt, dass eine fokale Distanz von ungefähr 1/7 der Wellenlänge bei
einer großen
Vielfalt von Anwendungsgebieten geeignet sein sollte. Da Wellen
typischerweise eine Länge von
35 bis 105 m haben, ergibt dies eine fokale Distanz von ungefähr 5 bis
15 m.
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Das
Potenzial einer Wellenfokussierungseinrichtung dieser Art ist beträchtlich,
wobei Computersimulationen zeigen, dass 24 % mehr Energie in den parabolischen
Bereich fließt,
als in einer nicht fokussierten Welle einer Länge vorhanden ist, die der Öffnungsbreite
der Parabel entspricht. Dies ergibt eine Wellenvergrößerung in
der Größenordnung
von 3. Bisher durchgeführte
Tests haben gezeigt, dass ein Vergrößerungsfaktor von 2,5 ohne
weiteres erzielbar ist.
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Es
versteht sich jedoch, dass es in Wirklichkeit zu Verlusten kommt,
die verhindern, dass die maximalen theoretischen Energiewerte erhalten
werden. Beispielsweise ist im praktischen Betrieb der Einzelparabelkonstruktion
die kreisförmige
Welle, die auf den Fokus konvergiert, in der Tat kein ganzer Kreis,
da an der offenen Meeresseite ein Sektor fehlt. An den Rändern dieses
fehlenden Sektors erfolgt eine gewisse Zerstreuung von Energie in
den Bereich der Parabel. Zu Verlusten kommt es auch durch störendes Zurückwerfen
von Wellen von Küstenausbildungen,
die sich in der Nähe
der parabolischen Bucht befinden, und durch Unregelmäßigkeiten
des Meeresbodens.
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Nachstehend
werden bevorzugten Mittel zum Erzielen dieser Energiegewinnung und
-umwandlung unter Bezugnahme auf die 6 bis 14 beschrieben.
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6 zeigt
einen Rotor 20 einer Turbine nach einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
der so betätigbar
ist, dass er sich unidirektional dreht, wenn er von sich umkehrenden,
allgemeinen axialen Fluidströmungen
durchströmt
wird.
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Der
Rotor 20 weist eine mittige Nabe 21 auf, die eine
Achse 22 hat, von der sich eine Vielzahl von geraden radial
verlaufenden Schaufeln 23 mit Flügelprofil erstrecken.
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Vorteilhafterweise
haben die Schaufeln 23 ein Flügelprofil der in 9 gezeigten
allgemeinen Konfiguration, wobei sie an der einen Seite eine allgemein
planare Oberfläche 24 und
an der gegenüberliegenden
Seite eine allgemein konvexe Oberfläche 25 haben. Die
Sehne, die auch das bezeichnet, was als die sich in Längsrichtung
erstreckende Sehnenebene der Schaufeln bezeichnet wird, ist allgemein
bei 26 gezeigt. Wie gezeigt, ist ferner der Querschnitt
jeder Schaufel um eine Linie 27 herum, welche die maximale
Wölbungshöhe des Schaufelabschnitts
definiert wird, ungefähr
symmetrisch und ist außerdem
entlang seiner sich in Radialrichtung erstreckenden Länge allgemein
gleichbleibend.
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Bei
der in 6 gezeigten ersten Ausführungsform ist die Sehnenebene
jeder Schaufel mit der mittigen Nabenachse 22 gerade ausgefluchtet oder
parallel dazu, d. h. unter einem eingeschlossenen Winkel von 0°. Dadurch
hat ein Luftstrom, der aus jeder Axialrichtung in die Turbine eintritt,
den gleichen Einfallswinkel mit den Rotorschaufeln 23 und bewirkt
die gleiche resultierende Drehung des Rotors, wie gezeigt. Dabei
ist die resultierende Kraft, die in jeder Strömungsrichtung auf die allgemein
planare Schaufeloberfläche 24 aufgebracht
wird, während das
Fluid vorbei strömt,
aufgrund des Bernoulli-Effekts und der resultierenden Druckdifferenz
zwischen den planaren und konvexen Seiten der Schaufeln in der gleichen
Richtung, wobei die Größe von den
relativen Luftströmungen
in den zwei entgegengesetzten Richtungen abhängig ist.
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Diese
unveränderliche
Schaufelkonfiguration mag zwar für
verschiedene Anwendungsfälle
mit geringer Geschwindigkeit zufriedenstellend sein; mit zunehmender
Drehgeschwindigkeit des Rotors ist jedoch der Anströmwinkel
der Antriebsströmung
nicht mehr optimal, was sich auf den Betriebswirkungsgrad der Turbine
auswirkt.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird eine zweite Ausführungsform
der Erfindung mit veränderlicher Steigung
vorgeschlagen, die in den 7 und 8 gezeigt
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist jede von den Schaufeln 23 mit der mittigen Nabe 21 durch
ein mittiges Einsteckende 28 oder dergleichen verbunden,
was durch irgendeine geeignete innere Einrichtung das Drehen der
Schaufel erleichtert, so dass ihre Steigung verändert wird.
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Es
ist zu beachten, dass die Einrichtung zum Verstellen der Schaufelsteigung
bevorzugt so ausgebildet ist, dass die Steigung synchron mit der
Umkehrfluidströmung
durch den Rotor automatisch umgekehrt werden kann, so dass der Anströmwinkel
in beiden Richtungen optimiert wird. Selbstverständlich würde dann, wenn der Rotor zur
Optimierung in nur einer Richtung angeordnet ist, die nachteilige
Wirkung bei einer Richtungsumkehr der Luftströmung in den meisten Fällen irgendwelche
Vorteile, die möglicherweise
gegenüber
der in 4 gezeigten unveränderlichen parallelen Schaufelkonfiguration
erzielbar wären,
weit übersteigen.
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In
den 10 bis 13 sind
nur beispielhaft zwei geeignete Einrichtungen gezeigt. Dabei zeigen
die 10 und 11 eine
einfache Anordnung, wobei jede Schaufel 23 durch eine Buchse 29 an
einem mittig angeordneten Einsteckende 28 befestigt ist,
das seinerseits mit der Rotornabe 21 starr verbunden ist.
Ein geeigneter Motor 30, der ein sich in Axialrichtung
erstreckendes Ritzel 31 antreibt, ist mit der Nabe 21 ebenfalls
starr verbunden. Das Ritzel kämmt
mit einer Geradverzahnung 32, die ein zugeordnetes ringförmiges Kegelrad 33 hat,
das um die mittige Nabe 21 herum frei drehen kann.
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Die
Buchse 29 des mittigen Einsteckendes 28 der Schaufel 23 hat
an ihrem Ende ein kleineres Kegelrad 34, das mit dem ringförmigen Kegelrad 33 kämmt. Für jede Schaufel
ist eine gleichartige Anordnung vorgesehen. Auf diese Weise ist
es möglich, während die
Turbine mit hoher Geschwindigkeit dreht, die Neigung der Schaufeln
relativ zu der Rotorachse durch die beschriebene Getriebeeinrichtung zu
verändern.
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Die 12 und 13 zeigen
eine alternative Anordnung, bei der das Drehen der Schaufeln 23 durch
eine wechselseitige Axialbewegung eines diagonal genuteten Betätigungsbunds 35 bewirkt
wird. Die Bundnuten sind mit Stiften 36 in Eingriff, die
an seitlich versetzten Betätigungsarmen 37 angebracht sind,
so dass bewirkt wird, dass sich die Schaufeln um das mittige Einsteckende 28 herum
drehen.
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Es
versteht sich für
den Fachmann auf dem Gebiet der Turbinenkonstruktion, dass es eine
Reihe von Parametern gibt, die im Hinblick auf die speziellen Bedingungen
und den Energiegehalt jeder vorgeschlagenen Anwendung für eine Turbine
dieses Typs bewertet werden müssen.
Diese Parameter umfassen das Seitenverhältnisses der Schaufeln (Sehnenverhältnis),
die Sehnenlänge
der Schaufel, den Bedeckungsgrad der Turbine (effektiv ein Verhältnis von Schaufellänge zu Nabendurchmesser),
die Schaufelanzahl und den maximalen Winkel, durch den sich die
Schaufeln zu der Luftströmung
drehen können
(d. h. die Schaufelsteigung). Ein Beispiel, das für eine spezielle
Anwendung als geeignet vorgeschlagen wird, hat ein Schaufelsehnenverhältnis von
18 %, eine Sehnenlänge
von 0,4 m, einen Nabendurchmesser von 1,2 m, eine Schaufellänge von
0,45 m, insgesamt 12 Schaufeln und einen maximal eingeschlossenen
Winkel zwischen der Sehnenebene der Schaufeln und der Nabenachse
von 30°.
Das bevorzugte Schaufelprofil weist zwei miteinander vereinte Halbvorderteile
eines Standardflügels
nach NACA 65-418 auf.
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Es
wird nun auf 14 Bezug genommen, die eine
schematische Schnittansicht eines Meereswellen-Energiegewinnungssystems 40 nach
einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt.
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Das
System 40 weist Wellenfokussierungsmittel auf, die allgemein
bei 41 gezeigt sind und zum Vergrößern der periodischen vertikalen
Berg-Tal-Verschiebung von einlaufenden Wellen an einem vorgegebenen
Querschnittsort oder einem Nutzbarmachungsbereich 12 dienen,
dessen Mitte durch die Linie 42 bezeichnet ist.
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An
oder in unmittelbarer Nähe
des Querschnittsorts 42 angeordnet befindet sich eine Luftverdichtungskammer 43,
die den Nutzbarmachungsbereich umschreibt. Die Kammer hat einen
allgemein unter Wasser befindlichen Wassereinlass 44 und
ist so bemessen, dass dann, wenn die periodisch oszillierenden Wellen
eingelassen werden, dadurch ein Luftvolumen 45 verdrängt wird,
um eine entsprechende periodische Umkehrluftströmung zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise
konvergiert die Verdichtungskammer zu einem Luftauslass 46 hin,
in dem oder in dessen Nähe
eine luftgetriebene Turbine angeordnet ist, die allgemein bei 47 gezeigt
ist.
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Im
Betrieb werden die einlaufenden Wellen so fokussiert, dass die periodische
vertikale Berg-Tal-Verschiebung
der Wellen in der Nähe
des Orts 42 vergrößert wird.
Auf diese Weise oszilliert eine hin- und hergehende Wassermasse
oder Wassersäule
durch den Wassereinlass 44 innerhalb der Luftverdichtungskammer 43 und
wirkt dadurch wie ein Kolben auf das darüber befindliche Luftvolumen 45.
Beispielsweise wird bei einem Aufwärtshub der Welle das Luftvolumen 45 zu
dem Luftauslass 46 hin verdrängt, wobei die konvergierenden
Kammerwände
und Kanalausbildungen eine Beschleunigung der verdrängten Luftströmung bewirken.
Diese beschleunigte Luftströmung
wird dann durch die luftgetriebene Turbine gepresst, deren Rotation
dazu genutzt werden kann, einen Generator oder dergleichen anzutreiben.
Mit Abklingen der Wellen wird Luft nach unten in die Kammer gesaugt,
was wiederum die Rotation der Turbine bewirkt, die so ausgebildet
ist, dass sie als Reaktion auf die Umkehrluftströme unidirektional arbeitet.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
verwendet das System die parabolische Wellenfokussierungseinrichtung
der 1 bis 5 in Verbindung mit der unidirektionalen
Turbine der Erfindung. Dadurch werden die außergewöhnlichen Wirkungen jeder von
diesen Einrichtungen miteinander vereinigt und resultieren in einem äußerst brauchbaren
Wellenenergiegewinnungsverfahren.
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Wie
bereits angedeutet, versteht es sich jedoch, dass die Turbine auf
anderen Anwendungsgebieten oder in Kombination mit alternativen
Einrichtungen, die hier nicht im Einzelnen beschrieben sind, verwendet
werden kann. Insbesondere kann die Turbine auf zahlreichen nicht
damit in Beziehung stehenden Anwendungsgebieten mit einem großen Bereich von
Betriebsfluiden eingesetzt werden.