DEC0000086MA - Strömungskraftmaschine - Google Patents

Description

Man macht bereits seit langer Zeit die Energie eines sich in Bewegung befindenden Strömungsmittels nutzbar, insbes. die des Windes, um sie als motorische Kraft zur Speisung von Maschinen und zum Antrieb von Mechanismen zu benutzen. Man transferiert dabei die geradlinige Bewegung der Luft in eine Rotation um eine Achse.

Bis auf den heutigen Tag bestehen diese Maschinen, insbes. die Windkraftmaschinen in der Hauptsache aus einem System radial angeordneter Flügel, die normalerweise an einer ringförmigen Armatur angeordnet sind und sich um eine Welle drehen, wobei die Flügel in schräger Lage zu der Ebene des Flügelringes angeordnet sind; durch diese schräge Anordnung entsteht beim Auftreffen des Windes das Drehmoment, denn ein Teil der Kraft des Windes, der auf diese Flügel stösst, verursacht eine translatorische Bewegung im Sinne senkrecht zum Winde, und da die Flügel im Ring angeordnet sind, verursacht diese Kraft eine Rotation um die Achse mit verschiedenen Geschwindigkeiten, die von dem Geschwindigkeiten der Winde abhängig sind, so dass auf diese Weise ein gewisser Teil der Energie des bewegten Strömungsmittels nutzbar gemacht werden kann.

Trotz zahlreicher Verbesserungen, die an dieser Art Windkraftmaschinen angebracht sind, bestehen noch gewisse Uebelstände, welche die Anwendung, insbes. zur Gewinnung grösserer Kräfte, stark beschränken.

Gegenstand der Erfindung ist ein Apparat, der die Energie eines sich in Bewegung befindenden Strömungsmittels auffangen und übertragen soll.

Bei diesem Apparat ist auf einem Chassis ein ohne Ende umlaufendes Band angeordnet, auf denen Flügel oder Klappen befestigt sind, die beim Auftreffen des Windes geschwenkt werden; das Gestell, das die Organe der Auffang- und Nutzbarmachung der

Bewegung des Fluidums trägt, ist vertikal angeordnet und mit einer festen, normalen Orientierung versehen, die in der betreffenden Landschaft der normalen Richtung der Winde dieser Landschaft entspricht. Jeder dieser Flügel schwingt frei nach Art einer Klappe, jedoch ist die Schwingungsweite der Klappe begrenzt von mindestens einem vorgesehenen Zurückhalteorgan. Die vorwärtstreibende Kraft, die auf diese an der Vorder- und Rückseite des umlaufenden Bandes angebrachten Klappen wirkt, addiert sich und gewährleistet so die Rotation der Gesamtheit immer in demselben Sinne, welches auch die Strömungs-Richtung des bewegten Strömungsmittels sein mag.

Die Zeichnungen geben in schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der Erfindung wieder. Es zeigen:

Fig. 1 drei Flügel in Seitenansicht in der Ruhestellung, also bei ruhendem Strömungsmittel,

Fig. 2 die Flügel bei bewegtem Strömungsmittel,

Fig. 3 und 4 die Flügel bei bewegtem Strömungsmittel, jedoch mit Zurückhalteorganen im aufsteigenden und absteigenden Trum,

Fig. 5 die Flügel in Vorderansicht,

Fig. 6 die Flügel in Seitenansicht in aufsteigendem Trum,

Fig. 7 und 8 eine Seitenansicht während des Laufes in zwei verschiedenen Ausführungsformen,

Fig. 9 im Schnitt und Seitenansicht einen Flügel mit der Drehung entgegengesetzt wirkenden Federn,

Fig. 10 und 11 Ansichten im Schnitt nach den Linien 10-10 der Fig. 11 und 11-11 der Fig. 10,

Fig. 12 und 13 dasselbe bei Anwendung von Spiralfedern,

Fig. 14 eine dritte Ausführungsform der Anbringung von Gegenfedern in Seitenansicht.

Der neue Apparat besteht aus den Ketten 2 (Fig. 5 und 6), Kabeln oder Riemen, die parallel angeordnet sind und sich auf den Zahnrädern 3, Riemenscheiben, Rollen o.dgl. abrollen, wobei die Zahnräder, Riemenscheiben etc. auf Wellen 4 drehbar gelagert sind.

Die Flügel 5 sind wie die Sprossen einer Leiter zwischen diesen Ketten, Kabeln oder Riemen aufgehängt, und zwar auf Wellen 7, auf denen sie jede einzeln für sich nach Art einer Klappe schwenkbar sind.

In der Stellung der Fig. 1 und 5 befinden sich diese an den Achsen 7 schwenkbar aufgehängten Flügel im Ruhezustand, in dem sie unter der Wirkung der Schwerkraft eine nahezu vertikale Lage haben.

Wenn ein Strömungsmittel in Richtung des Pfeiles 8 auf diese Flügel wirkt, so dreht sich jeder Flügel 5 um seine Aufhängeachse 7, wie in Fig. 2 dargestellt.

Wenn die Schwingungsweite der Flügel nicht begrenzt wäre, würden sie eine Stellung einnehmen, die sich der horizontalen nähert, und es könnte aus der Energie des bewegten Strömungsmittels keine nutzbare Kraft gewonnen werden.

Aber diese Flügel sind auf beiden Seiten mit Mitteln versehen, die beispielsweise aus Bügeln 9 (Fig. 3) bestehen, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an den Achsen 7 des jeweils folgenden Flügels befestigt sind und die die Schwingungsweite deer Flügel einstellbar begrenzen. Auf diese Weise können die Flügel zwar frei schwingen, aber sie können nur eine bestimmte Schwingungsweite (Alpha) erreichen. Diese Schwingungsweite kann reguliert werden durch Veränderung des Abstandes d, den die äussere Kante des Bügels 9 von der Oberfläche des Flügels 5 hat.

Die Gesamtheit der Flügel 5 ergibt somit eine resultierende Kraft, welche ihre Bewegung im Sinne des Pfeiles 11 bewirkt (Fig. 6).

Da die die Flügel 5 tragenden Achsen 7 in endlosen Ketten gelagert sind, die um die Zahnräder 3 rotieren und die Wellen 4 dieser Zahnräder genau horizontal angeordnet sind, so dass die Ketten genau vertikal umlaufen, erzeugt somit das bewegte Strömungsmittel, das in Richtung der Pfeile 8 auftritt, auf jeden einzelnen Flügel eine Kraft, die sich in beiden Kettentrums summiert, wobei eine nutzbare Rotationsbewegung um den Zahnrädchen od. dgl. entsteht.

Die einzelnen Flügel bewegen sich zunächst im Sinne des Pfeiles 11 bis zu dem oberen Zahnrad 3. Hier findet eine Richtungsänderung statt, und dann bewegen sich die Flügel im hinteren Kettentrum in entgegengesetzter Richtung nach unten. Bei diesem hinteren Kettentrum findet, da die Geschwindigkeit des bewegten Strömungsmittels nicht durch das ansteigende Ketten- trum ganz neutralisiert ist und somit das Strömungsmittel noch eine gewisse Energie besitzt, eine Wirkung auf die absteigenden Flügel 5a statt (Fig. 7). Diese Wirkung zwingt die Flügel zu einer Lage, in der sie den Winkel (Alpha) bilden (Fig. 4), der wieder durch die Bügel 9a begrenzt ist, und zwar durch dieselben Bügel, die die Schwingungsweite im aufsteigenden Ast begrenzen.

In dieser Lage erhalten die Flügel 5 (Fig. 4) eine Kraftkomponente, die sie auf die Ketten 2 übertragen und die eine absteigende Bewegungsrichtung im Sinne des Pfeiles 12 bewirkt, so dass sich diese Impulse mit den Impulsen im aufsteigenden Kettentrum addieren und somit das umlaufende Band in Bewegung halten. Auf diese Weise dreht sich der Apparat immer in der gleichen Richtung und nutzt somit ein Maximum an Kraft des bewegten Fluidums aus.

Bei den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen wurden die Schwingungsweiten der Klappen, die sie unter dem Einflu7ss der Geschwindigkeit des bewegten Strömungsmittels erhalten, durch Mittel begrenzt, welche auf den benachbarten Klappen angeordnet sind. Im Nachfolgenden werden Mittel dieser Art beschrieben, die vollkommen unabhängig von den übrigen Flügeln sind und die somit eine Selbstregulierung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des bewegten Strömungsmittels gewährleisten.

Es kommt also darauf an, eine Vorrichtung vorzusehen, welche unabhängig von der Richtung des Strömungsmittels auf den Flügel wirkt, ohne der transversalen Bewegungskomponente entgegenzuwirken, deren Richtung konstant bleibt.

Jeder Flügel, der unabhängig von jedem benachbarten Flügel ist und dessen Gewichtsmomente bezüglich der Drehachse ausgeglichen sein können, soll unter der Kontrolle einer Gegenkraft schwingen, die frei regulierbar ist und so eingestellt werden kann, dass die Oberfläche des Flügels die günstigste Lage in Bezug auf das bewegte Strömungsmittel hat, um so den besten Effekt zu erzielen.

Die Gegenkraft kann auch mittels eines doppelten Spieles von elastischen Bändern erreicht werden, deren eines Ende jeden Bandes an der Kette ohne Ende befestigt ist, während die beiden anderen Enden symmetrisch in Bezug auf die Schwingachsen des Flügels auf ein vorgesehenes Organ verteilt sind, welches die Rolle einer Kurbel spielt, wobei der Befestigungspunkt jeder dieser

Enden wie auch die Spannung der elastischen Bänder insgesamt oder jedes einzelnen Bandes variabel sein können.

Für einen solchen Apparat kann man evtl. nach einer Berechnung auch den Winkel bestimmen, in dem die Stromlinien des bewegten Strömungsmittels auf die Flügel treffen, um so ihre günstigste Einstellung bestimmen zu können. Es ist auf diese Weise möglich, den besten Effekt sowie eine gewisse Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit trotz der ständigen Geschwindigkeitsänderungen des bewegten Fluidums zu erzielen.

Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Begrenzungsvorrichtung für die Schwingungsweite mit elastischen Widerlagern zu versehen, um den Windstössen zu widerstehen und mit welchen man außerdem die Neigung der Flügel in Bezug auf die Ebene, in der sie angeordnet sind, variieren kann.

Die Bestimmung des günstigsten Stromlinienverlaufs erlaubt es ferner, den Flügeln das günstigste Querschnittsprofil zu geben, ebenso wie bei den Flügeln der Flugzeuge, und Wirbel soweit als möglich abzuschwächen.

Wenn man den Flügel 21 (Fig. 9) betrachtet, der um seine in den Kettengliedern 23 gelagerten feste Achsen 22 schwingen kann, so konstatiert man, dass dieser Flügel folgenden Drehmomenten unterworfen ist:

1.) Einem Drehmoment, das von seinem Gewicht herrührt,

2.) einem Drehmoment, das von der Wirkung der Gegenkraft herrührt, die der Drehung entgegenwirkt,

3.) einem Drehmoment, das von dem auf die Oberfläche der Flügel wirkenden Fluidum herrührt.

In der Tat bleibt der betrachtete Flügel 21 im Gleichgewicht, wenn die algebraische Summe dieser verschiedenen Drehmomente Null ist. Man kann mithin dem Drehmoment, das von seinem Gewicht herrührt, einen gewünschten Wert geben, indem man es durch ein Gegengewicht 24 verändert, das beispielsweise verstellbar am Ende eines Armes 25 angebracht ist. Dieses Drehmoment ist dann variabel mit der Neigung des Flügels 21. Durch die Herstellung des Gegengewichts läßt sich immer ein indifferentes Gleichgewicht erzielen.

Man kann gleichfalls auf das Drehmoment einwirken, das von der Gegenfeder herrührt.

Zu diesem Zweck ist jeder Flügel 21 mit einem Organ, beispielsweise einer Scheibe 26 verbunden, an welche man die Enden 27 und 28 der zwei elastischen Bänder 29 und 30 befestigt, indem man diese symmetrisch oder nicht, in Bezug auf die Achse 22 anordnet, wobei die beiden anderen Enden 32 und 33 dieser elastischen Bänder an einem Organ 34 aufgehängt sind, das im Punkte 35 drehbar an einem Kettenglied angebracht ist.

Diese beiden elastischen Bänder 29 und 30 können einen festen Teil 32, 33 haben und je einen elastischen Teil, dem man verschiedene Spannungen geben kann, indem man die Befestigungspunkte an der Scheibe 26 verändert, beispielsweise sie in einem Punkt 36, der für diesen Zweck vorgesehen ist, befestigt, oder indem Gleitflächen oder auch Federn mit verschiedenen Charakteristiken verwendet werden.

Der Wert der Spannung, den man diesen elastischen Bändern gibt, ist bestimmt durch die lokalen Verhältnisse, also durch die Lage des Apparates in der Landschaft und durch die gegebenen Verhältnisse des treibenden Strömungsmittels.

Das Drehmoment bezüglich der Flügelachse, das von dem treibenden Strömungsmittel herrührt, hängt ab von dem aerodynamischen Profil des Flügels 21, auf welchen es wirkt und von der Lage seiner Schwingachse 22. Dieses Drehmoment variiert also in Abhängigkeit vom Neigungswinkel, den der Flügel in Bezug auf die Richtung des treibenden Strömungsmittels hat. Bei diesen Gegebenheiten kann man also durch eine Beeinflussung der verschiedenen Drehmomente erreichen:

1.) dass jeder Geschwindigkeit des treibenden Strömungsmittels Flügelneigung entspricht, die den besten Effekt gibt,

2.) dass für eine Geschwindigkeit des Strömungsmittels, die oberhalb einer bestimmten Grenze liegt, der Flügel sich nahezu waagerecht stellt, wie unter 21a in Fig. 9 dargestellt, um dem Strömungsmittel den geringsten Widerstand zu bieten.

Die Befestigung der elastischen Bänder, deren Wirkung der Drehung der Flügel entgegengesetzt gerichtet ist, kann auch an einem anderen Punkt als an der endlosen Kette erfolgen.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 und 11 ist der Flügel 37 schwenkbar auf der Achse 38 gelagert, die wieder in dem Kettenglied 39 der endlosen Kette gelagert ist. Um diese Achse 38 ist eine Schraubenfeder 41 angeordnet, deren eines Ende 42 mit dem

Flügel und deren anderes Ende 43 an dem an die Achse 38 angebrachten Zapfen 43a aufgehängt ist. Aber da die Gegenwirkung dieser Feder sowohl in einem als auch in dem anderen Sinne (Pfeile 44) wirken muss, muss diese Feder in Kombination mit einer anderen konzentrischen Feder 45 der gleichen Charakteristik verwandt werden, die aber in entgegengesetztem Sinne wirkt.

Gemäss einer anderen Variante (Fig. 12 und 13) können diese beiden Schraubenfedern auch durch zwei Spiralfedern 46, 47 ersetzt werden, die wieder in entgegengesetztem Sinne wirken, wobei die Enden 48 der Federn mit dem Flügel 52 und die Enden 49 mit der Achse 50 verbunden sind, die wieder in dem Kettenglied 53 der endlosen Kette gelagert ist.

Nach einer in Fig. 14 dargestellten dritten Variante erfolgt die Regulierung der Neigung der Flügel durch zwei Druckfedern 54 und 55 mit gleicher oder ungleicher Charakteristik, die auf einem Ring 56 angebracht sind, dessen Enden 57 und 58 auf je einem Arm 59 und 60 befestigt sind, die mit dem Flügel 21 verbunden sind und der in einem Auge 62 gleitet, das an dem Träger des Flügels 21 oder an einem Kettenglied 63 befestigt ist. Die Federn 54 und 55 liegen mit je einem Ende 64 und 65 gegen das Auge 62 an, in welchem der Ring gleitet und liegen mit ihren anderen Enden 57 und 58 gegen die Arme 59 und 60 an. Umgekehrt kann der Ring 56 mit dem Auge 62 verbunden sein und die Arme 59 und 60 auf ihm gleiten.

Es ist auch möglich, dass die beiden Federn entgegengesetzt wirken, d. h. dass die eine beim Schwingen des Flügels zusammengedrückt, die andere ausgedehnt wird.

Es ist zweckmässig, in diesen verschiedenen Ausführungsformen die Federn im Innern einer Schutzhaube 51 (Fig. 10 bis 13) anzuordnen.

Diese Maschine kann besonders zum Antrieb von Stromerzeugern benutzt werden. Da sie sich immer in derselben Richtung dreht, auch bei entgegengesetzten Winden, ist es möglich und praktisch, sie fest einzubauen und sie nach den herrschenden Winden auszurichten. Im Falle des festen Einbaues werden die Apparate einzeln oder in Gruppen zweckmässig an der Stelle der stärksten Verengung eines Kanalsystems angeordnet, das das treibende Strömungsmittel führt nach Art eines Venturirohres.

Naturgemäss können alle bekannten Verfahren zur Einstellung von Windkraftmaschinen Verwendung finden, wie Steuerruder, Selbstverstellungen und Hilfsmotoren.

Weiterhin können sämtliche Teile, die gleiche Funktion haben, gleich ausgebildet sein, was die Herstellung dieser Apparate sehr verbilligt. Ferner können mehrere Apparate, die unter sich gleich oder verschieden sind, zu einer Gruppe zusammengefasst werden, was die Installation gegenüber einem Apparat mit gleicher Oberfläche verbilligt.

Für den Antrieb eines Stromerzeugers mit diesem Apparat ist es notwendig, Hilfsmittel zur Regulierung der Geschwindigkeit einzubauen. Ein bequemes Mittel, das diesen Zweck erfüllt, besteht in einem oder mehreren Schwungrädern, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind und die zwischen den angetriebenen Maschinen und der antreibenden Maschine eingebaut werden können, beispielsweise in einem Zweig der umlaufenden Ketten, Kabel oder Riemen.

Die rechteckige Form dieser Maschine erleichtert ihre Zusammenfassung bzw. Kupplung und erlaubt es, beträchtliche Flächen zum Auffangen der Energie zu erreichen.

Wenn der beschriebene Apparat auch vorzugsweise als Windkraftmaschine gedacht ist, so kann nichtsdestoweniger dasselbe Prinzip zum Bau von Wasserkraftmaschinen angewandt werden, um die Energie von Flüssen, Strömen und von Wellen der Meere auszunutzen.

Die Maschine kann auch so gebaut werden, dass die beiden Trums horizontal angeordnet sind, was insbes. dann von Vorteil sein kann, wenn es sich darum handelt, steigende und fallende Strömungen auszunutzen, beispielsweise die Bewegungsenergie der Wogen und Wellen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die einzeln beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle Ausführungsformen insbes. in Bezug auf die Ausbildung und Anbringung der Gegenkräfte, die der Bewegung der Flügel entgegen- wirken sollen.

Diese Kräfte können beispielsweise auch mittels elektromechanischer Vorrichtungen, mittels Bremsen, beispielsweise Flüssigkeitsbremsen, hervorgerufen werden. Weiterhin ist es möglich, die Flügel nicht zwischen zwei umlaufenden Ketten anzuordnen, sondern an nur einer umlaufenden Kette, die in der Mitte der Flügel angeordnet ist.

Claims (11)

1.) Strömungskraftmaschine, bei welcher das Maschinengestell senkrecht zu der durchschnittlichen Richtung des treibenden Strömungsmittels errichtet oder einstellbar ist und bei welcher an einem endlos umlaufenden Band Flügel angeordnet sind, die unter der Wirkung des treibenden Strömungsmittels ausschwenken können, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (5) vertikal übereinander an horizontalen Achsen aufgehängt sind und dass die Schwingungsweite jedes einzelnen Flügels (5) mittels eines Widerlagers (9) so begrenzt ist, dass sich die in der Bewegungsrichtung liegenden Kraftkomponenten jedes einzelnen Flügels im aufsteigenden und absteigenden Trum addieren.

2.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das endlos umlaufende Band aus einer oder mehreren Ketten besteht.

3.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das endlos umlaufende Band aus einem oder mehreren Kabeln besteht.

4.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das endlos umlaufende Band aus einem oder mehreren Riemen besteht.

5.) Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager, durch das die Schwingungsweite jedes Flügels begrenzt ist, an der Aufhängeachse (7) des benachbarten Flügels befestigt ist.

6.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager, durch das die Schwingungsweite jedes Flügels begrenzt ist, auf das umlaufende Band abgestützt ist.

7.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden umlaufenden Trums parallel zueinander angeordnet sind.

8.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Flügel in Bezug auf das treibende Strömungsmittel durch die Wirkung einer beliebig einstellbaren Gegenkraft eingestellt werden kann.

9.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft mittels des doppelten Spieles von elastischen Bändern erreicht wird, deren eine Enden an dem umlaufenden Band befestigt sind, während die beiden anderen Enden an einer mit dem Flügel verbundenen Scheibe (26) angebracht sind, welche die Rolle einer Kurbel spielt.

10.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungspunkte der elastischen Bänder verstellbar sind.

11.) Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsweite jedes einzelnen Flügels (5) in beiden Richtungen mittels Schraubenfedern oder Spiralfedern begrenzt ist.