DE10109475A1

DE10109475A1 - Hubflügelgenerator mit partiell linearer Kinematik

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Publication number: DE10109475A1
Application number: DE10109475A
Authority: DE
Inventors: Felix Scharstein; Wolfgang Send; Hans Scharstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: DE10109475B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen in strömendem Wasser befindlichen Tragflügel, der nach aerodynamischen Grundsätzen der Erzeugung eines dynamischen Auftriebs ausgelegt ist. Der Flügel führt eine Hubbewegung quer zur Anströmung aus, die mit einer gleichzeitigen Drehbewegung gekoppelt ist. Mit dieser Bewegung kann der Strömung Energie entzogen werden, die zur technischen Nutzung zur Verfügung steht. Zur Erhöhung der möglichen Leistungsausbeute bewegt sich die Tragfläche dabei nicht harmonisch, sondern auf einer möglichst langen Strecke mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Anstellwinkel.

Description

Die Erfindung betrifft einen in strömendem Wasser befindlichen Tragflügel, der nach aerodynamischen Grundsätzen der Erzeugung eines dynamischen Auftriebs ausge legt ist. Der Flügel führt eine Hubbewegung quer zur Anströmung aus, die mit einer gleichzeitigen Drehbewegung gekoppelt ist. Mit dieser Bewegung kann der Strömung Energie entzogen werden, die zur technischen Nutzung zur Verfügung steht. Zur Er höhung der möglichen Leistungsausbeute bewegt sich die Tragfläche dabei nicht harmonisch, sondern auf einer möglichst langen Strecke mit konstanter Geschwin digkeit und konstantem Anstellwinkel.

Stand der Technik

Aus der Aerodynamik des Flugzeugs ist bekannt, dass ein elastisch eingespannter Tragflügel eine selbsterregte Schwingung beginnen kann, die dem Fluid Energie entzieht (Birnbaum, 1924). Bei dieser Bewegung, die auch Flattern genannt wird, sind Flügelbiegung und -torsion gekoppelt. Voraussetzung ist eine Mindestgeschwin digkeit (Flattergeschwindigkeit), oberhalb der sich ein Anstellwinkel durch Torsion ergibt, der die Querkraft aus der Biegung unterstützt. Tritt dieser Fall ein, dann nimmt das schwingende System in einem solchen Maße Energie auf, dass ein Bruch des Flügels auftreten kann. Während das technisch bedeutsame und gefährliche Flattern zuverlässig verhindert werden muss, arbeitet der Hubflügel genau in diesem Bereich der angefachten Bewegung, und die aufgenommene Energie wird abgeführt.

Das Prinzip der Energiegewinnung aus freier Strömung mit dem Flattereffekt ist seit der Arbeit von Birnbaum bekannt und wiederholt studiert worden. Zu erwähnen sind McKinney, DeLaurier (1981) mit einem Experiment im Labormaßstab (engl. wing mill). Nach dieser Publikation ist 1981/82 eine experimentelle Studie mit einem Flügel größerer Spannweite für einen Feldversuch bei der Firma MBB, München, durchge führt worden (Hönlinger, 2001), die wegen der geringen Energieausbeute eingestellt wurde. Aktuelle Untersuchungen im Labormaßstab werden durchgeführt an der Naval Postgraduate School der US-Navy in Monterey, CA (Jones, Platzer, 1997, Jones, Davids, Platzer 1999, Davids 1999).

Die uns bekannten Versuche sind ohne Ausnahme mit mechanischen Führungen für eine harmonische Bewegung der Vertikalbewegung durchgeführt, wobei die Drehung des Flügels ebenfalls harmonisch verläuft. Eine eingehende strömungsmechanische Untersuchung der Leistungen für Antriebszwecke findet sich bei Send (1992). Diese Arbeit enthält die theoretischen Grundlagen für den strömungsmechanischen Teil der vorliegenden Patentschrift.

Die bisherige Beschränkung auf harmonische Kinematik ist aus zwei Gründen ver ständlich: Das Flattern von Tragflächen wird an elastischen Strukturen hervorgeru fen und ist daher vom Prinzip her bei kleinen Amplituden eine angefachte harmoni sche Bewegung. Zweitens sind die theoretischen Luftkräfte bei harmonischem Verlauf der Bewegung bis in die jüngste Zeit die einzig verfügbaren Lösungen gewesen.

Auch bei partiell linearer Kinematik gilt, dass maximale Leistung der Strömung dann entnommen wird, wenn die Phase der Drehschwingung um 90° gegen die Schlag schwingung versetzt ist, also maximaler Anstellwinkel im Nulldurchgang der Schlag bewegung auftritt. Dabei ist das Profil wie ein Flugzeugflügel so gedreht, dass durch die Drehung eine positive Kraft des Fluids in Richtung der Schlag- bzw. Hub bewegung wirkt.

Bei unserem Hubflügelgenerator mit partiell linearer Kinematik gehen wir von der harmonischen Bewegung gezielt ab, weil dadurch eine erhebliche Vergrößerung der Energieausbeute ermöglicht wird. Das sei im Folgenden dargelegt.

Ausgehend von einer harmonischen Flatterschwingung stellen wir fest, dass die dem Fluid entnommene Leistung nur in zwei Zeitpunkten den möglichen Maximalwert erreicht: Jeweils im Augenblick der beiden Nulldurchgänge der Tragfläche. Die Leistung als Produkt von Kraft mal Geschwindigkeit ist hier maximal, weil

a) die Geschwindigkeit der Tragfläche quer zur Strömung maximal ist und weil
b) der dynamische Auftrieb, der den Flügel antreibt, maximal ist, da der Flügel hier die maximalen Anstellwinkel hat.

Der Leistungsverlauf ist damit sin²-förmig (Fig. 4) mit zwei Maxima bei 0° und 180° Phasenwinkel. Dass die Maxima nicht exakt bei 0° und 180° liegen, wird durch instationäre Effekte in der Strömung bewirkt.

Prinzip der Erfindung

Der Grundgedanke unserer Erfindung besteht darin, die Aufwärts- und Abwärts bewegung des Hubflügels nicht harmonisch, sondern in beiden Halbperioden jeweils linear mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Anstellwinkel ablaufen zu lassen mit nur kurzen Phasen, in denen die Bewegungsrichtung und der Anstell winkel wechseln. Für den Grenzfall einer rein sägezahnförmigen Bewegung (Hub aufwärts und abwärts linear, Anstellwinkel jeweils konstant) ergibt sich gegenüber der harmonischen Bewegung als mathematisches Ergebnis der Zuwachs in der Leistungsaufnahme genau zu (π/2 - 1).100% ≈ 57%. Praktisch lässt sich dieser Wert nicht erreichen, da für die Umkehr der Bewegung ein endlicher Teil der Phase erforderlich ist. Daher wird die Kinematik als "partiell linear" bezeichnet. Praktisch ist ein Gewinn von 40 bis 50% zu verwirklichen.

An einem Ausführungsbeispiel unserer Erfindung soll eine mögliche Form der partiell linearen Kinematik demonstriert werden. Daran werden konstruktive Details erläutert, die in besonders geeigneter Weise unsere Vorstellungen in ein technisches Gerät umsetzen, und es werden die damit erreichbaren Verbesserungen in der Energieaus beute von Hubflügelgeneratoren erläutert. Anschließend wird auf einige weitere Ein zelheiten zu besonderen Ausführungsarten eingegangen, nach denen unsere Erfin dung konstruktiv verwirklicht werden kann. Eine Darstellung des Einsatzbereichs der Erfindung schließt die Beschreibung ab.

Mechanik der Linearbewegung

Zwei Kettenräder KR₁ und KR₂ mit dem Radius R und dem Mittenabstand D führen eine umlaufende Kette K. Ein zweites Räderpaar mit Kette (KR₁' und KR₂' mit K') ist axial versetzt dazu angebracht (Fig. 1A). Die Kettenräder KR₁ und KR₁' seien durch ein Differential DF miteinander verbunden. Markieren wir auf den Ketten K und K' die gegenüber liegenden Krafteintrittspunkte P und P', so laufen diese durch den gegenläufigen Drehsinn der Ketten auf den freien Kettenstrecken synchron nach unten und nach oben. Eine Verstellung Δϕ des Winkels des Eingriffsortes des Kegelrades im Differential verändert die relative Lage der beiden Punkte P und P', wobei diese neue Lage während des ganzen Umlaufs konstant bleibt. Auf diese Punkte P und P' wird über ein Stangengetriebe die Bewegung des Hubflügels übertragen, wobei durch die relative Lage der beiden Punkte der Anstellwinkel des Hubflügels gesteuert wird (Fig. 1B).

Der Profilhebel PH überträgt den größten Teil der Auftriebskräfte des Hubflügels, da er bei etwa 1/4 der Profiltiefe ℓ (dem Auftriebsschwerpunkt) gelenkig ansetzt; er führt zum Punkt P der Kette und koppelt die Leistung des Hubflügels an die Abtriebswelle W des Differentials. Der zweite Profilhebel PH' ist mit dem Punkt P' auf der zweiten Kette verbunden und steuert damit den Anstellwinkel des Profils: liegen P und P' auf gleicher Höhe, so bleibt das Profil in jeder Lage ohne Anstellwinkel. Führt P vor P', so zeigt die Profilnase bei der Abwärtsbewegung nach unten und bei der Aufwärts bewegung nach oben. Der Anstellwinkel bleibt damit erfindungsgemäß während des linearen Teils der Bewegung konstant und wechselt bei der Richtungsumkehr sein Vorzeichen.

Die Kettenlösung vereint einige konstruktive Vorteile: Die geforderte lineare Hin- und Herbewegung wird stetig in eine Drehbewegung mit annähernd konstanter Dreh geschwindigkeit umgewandelt (s. u.), die Abtriebswelle in der Achse des Kegelrades erlaubt zwanglos eine hohe Abtriebsdrehzahl bei relativ langsamer Hubbewegung und die kontinuierliche Verstellung des Anstellwinkels ermöglicht einen optimalen Betrieb bei unterschiedlichen Wassergeschwindigkeiten.

Die gewünschte Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Hubflügels in einer Ebene wird näherungsweise durch einen Trapezlenker bewirkt (Fig. 1B), der so ausgelegt ist, dass bei möglichst großem Hub die seitliche Abweichung von der vertikalen Bahn ein Minimum annimmt. Die erreichbare Bahngenauigkeit übertrifft damit bei weitem die Anforderungen. Wir haben in unserem Ausführungsbeispiel diese Form einer angenäherten Geradführung deshalb gewählt, weil sie nur Drehgelenke enthält und damit besonders einfach und reibungsarm aufzubauen ist.

In der hier beschriebenen Form wurde ein Funktionsmodell des Hubflügelgenerators mit den Abmessungen 4 cm Flügeltiefe und 20 cm Flügelbreite gebaut, das im Wasserkanal bei Geschwindigkeiten bis zu 2.2 m/s und Hubfrequenzen bis über 6 Hz vermessen wurde. Dazu steht auf Anfrage ein Video von 8 Minuten zu Verfügung.

Kinematik der partiell linearen Hubbewegung

Das Verhältnis der Radien der Zahnräder zum Mittenabstand legt die Parameter der Hubbewegung fest, insbesondere das Ausmaß der Linearisierung. Der Gesamthub (2 × die Hubamplitude h₀) ergibt sich mit

2h₀ = 2R + D

Die Kettenlänge L ist

L = 2Rπ + 2D

Läuft die Kette mit der Geschwindigkeit v₀ um, so bestimmt ein Umlauf die Perioden dauer T der Bewegung

Auch das Verhältnis zwischen linearem Bewegungsanteil und Umkehrbahn liegt damit fest. Ist T_U die Zeit für einen Richtungswechsel und T_L die Dauer einer linearen Bahn, so ist

T = 2T_U + 2T_L

und

In der folgenden rechnerischen Abschätzung der Kräfte und Leistungen ist dieses Verhältnis mit 2 : 1 angesetzt, je 60° der Phase eines Umlaufs nimmt jeder Rich tungswechsel ein, jeweils 120° jede der linearen Strecken. Aus dem Verhältnis

bestimmen wir das Verhältnis von Mittenabstand zu Radius

Damit liegt der Anteil des linearen Hubs an der Gesamtamplitude fest. Es ist

Diese Geometrie ist technisch unproblematisch und gibt der Richtungsumkehr genü gend Raum.

In Fig. 2 ist für diese Geometrie der Bewegungsverlauf dargestellt, zusammen mit dem geometrischen Anstellwinkel bei einer festen Einstellung der Phase zwischen den beiden Kettenrädern. Mit eingezeichnet ist die entsprechende Bahn bei harmonischer Bewegung, deutlich wird die Abweichung in den langen geraden Verläufen der Hubbewegung und vor allem bei den konstanten Teilen des Anstell winkels bei unserer Anordnung.

Die Hubbewegung der partiell linearen Anordnung erfolgt zwischen den linearen Anteilen jeweils auf einer Halbkreisbahn um die Umlenkräder, damit bildet h(t) hier jeweils die Halbwelle einer sinusförmigen Bewegung, deren Amplitude durch den Radius R gegeben ist. Die Frequenz ist im Verhältnis 2.T_U/T größer als die Um lauffrequenz, in unserem Beispiel um den Faktor 3.

Der Verlauf des Anstellwinkels α(t) wird von der Höhendifferenz h(t) - h(t - Δϕ) der Punkte P und P' festgelegt, die mit der Phasendifferenz Δϕ umlaufen sollen. Ist Δϕ und der Anstellwinkel klein, so ist der Verlauf von α(t) näherungsweise der Ableitung h'(t) der Hubbewegung proportional. Damit geht der Anstellwinkel cosinus-förmig aus der einen in die andere konstante Lage über (Fig. 2).

Bei großen Anstellwinkeln und Phasendifferenzen muss statt der Ableitung die tatsächliche Differenz h(t) - h(t - Δϕ) bestimmt und dazu berücksichtigt werden, dass der Anstellwinkel dem Sinus dieser Größe proportional ist (Fig. 1B). Das führt zu gering fügigen Korrekturen beim Zeitverlauf des schnellen Wechsels des Anstellwinkels.

Vergleicht man beide Bewegungen bei gleicher Amplitude h₀ und gleicher Perioden dauer T = 1/f, so zeigt sich, dass die Geschwindigkeit im linearen Teil der partiell linearen Kinematik langsamer ist als die Maximalgeschwindigkeit v_harm bei der harmonischen Bewegung. Der Zeitverlauf der harmonischen Bewegung mit der Amplitude h₀ und der Kreisfrequenz ω = 2πf sei

h(t) = h₀.sin(ω.t).

Die maximale Geschwindigkeit dieser Bewegung ist

v_harm = h₀.ω = h₀.2π.f = h₀.2π/T.

Im Vergleich dazu gilt für die Geschwindigkeit v_lin im linearisierten Teil der anderen Kurve

Im Grenzfall beliebig kleiner Umlenkwege (Sägezahn) erhalten wir mit R = 0

In der 2 : 1-Ausführung mit D/R = 2π ist

In jedem Fall erreicht die partiell lineare Anordnung bei gleicher Amplitude und Frequenz eine geringere Maximalgeschwindigkeit als die harmonische Anordnung. Dennoch zeigen die Diagramme Fig. 3 und Fig. 4, dass damit größerer Auftrieb und größere Leistung nicht nur im Mittel, sondern auch in den Maximalwerten erreicht werden.

Wir müssen aber daran denken, dass die Bewegung nicht dadurch erzeugt wird, dass die Zahnräder mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben werden. Es ist der dynamische Auftrieb des Hubflügels, der über die Antriebsstangen und die Ketten die Zahnräder antreibt, die wiederum den Generator bewegen. In den linearen Bewegungsphasen mit nahezu konstanter Kraft (s. Fig. 3) führt das zu konstanter Drehgeschwindigkeit, in den Umkehrphasen gibt es Bereiche, in denen der Antrieb ganz wegfällt. Tatsächlich ist zum Umkehren des Anstellwinkels der Tragfläche im Fluid Leistung nötig (Fig. 4), die in unserer bevorzugten Ausführung von einer Schwungscheibe abgegeben wird.

Vergleich des partiell linearen Antriebs mit der harmonisch bewegten Tragfläche

Zur Abschätzung der erreichbaren Leistungsausbeute wurden zur Kinematik des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels mit dem 2 : 1-Verhältnis (die lineare Flügelbewegung liegt während einer doppelt so langen Zeit vor wie die Umkehrbewegung) strömungsmechanische Berechnungen zu Kräften, Momenten und resultierenden Leistungen ausgeführt. Das geschah mit einem modernen Rechenverfahren zur Lösung der instationären Umströmung bei großen Amplituden (Hubamplitude gleich Profiltiefe und Drehamplitude von über 20°). Verwendet wurde ein sogenanntes Eulerverfahren, bei dem der Druck auf die Profiloberfläche, aber nicht die tangentiale Schubspannung der Strömung ermittelt wird.

Die Rechnungen sind für ein Profil mit dem Querschnitt NACA0012 im Mittelschnitt eines als unendlich gestreckt zu denkenden Flügels (zweidimensionale Lösung) ausgeführt worden. Die Drehamplitude liegt bei α₀ = 22.7°, Hubamplitude gleich Flügeltiefe ℓ. Gerechnet wurde für eine reduzierte Frequenz ω* = 0.15 mit

Dem entspricht bei einer Auslegungsgeschwindigkeit u₀ = 2 m/s eine Hubfrequenz von ca. 2.4 Hz.

Der effektive Anstellwinkel, der nach Berücksichtigung der gegenläufigen dynami schen Anstellung als Folge der Hubbewegung verbleibt, beträgt in dieser Rechnung 6 Grad. Während der Hubphase stellt sich jeweils eine dynamische Querkraft ein, die auf der Basis dieses effektiven Anstellwinkels näherungsweise abgeschätzt werden kann.

Dabei wird noch eine vereinfachende Annahme gemacht: Wir berechnen die im Folgenden dargestellten Größen unter der Annahme, dass die Kette mit konstanter Geschwindigkeit umläuft. Diese Annahme einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit ist aber wegen der ausgleichenden Wirkung der Schwungscheibe auf die Bewegung gerechtfertigt.

Kinematik, Auftrieb und Leistung des Hubflügels

In Fig. 2 ist dargestellt, welche Bahn der Flügel in seiner Hubschwingung h(t) und in seiner Drehschwingung α(t) im Vergleich mit einer harmonischen Hub- und Dreh schwingung ausführt, normiert auf die Maximalwerte h₀ und α₀. Deutlich sichtbar sind die linearen Verläufe von h(t) im Bereich der Phase von +-60° um die Null durchgänge bei 0° und 180°. In diesem Bereich liegt der normierte Anstellwinkel α(t) bei konstanten +1 oder -1. Aus dem linearen Verlauf von h(t) ergibt sich eine konstante maximale Hubgeschwindigkeit h'(t) (nicht eingezeichnet), die zusammen mit dem konstanten Anstellwinkel α₀ für maximale Leistung in diesen Bereichen sorgt.

In Fig. 3 sind zu dieser Kinematik die instationären Auftriebs- und Momentenbeiwerte dargestellt. Der Beiwert zur Auftriebskraft A_h(t) ergibt sich durch Division mit dem Staudruck q₀ = 1/2.ρ.u₀ ² (ρ ist die Dichte des Wassers mit 10³ kg/m³, u₀ die Geschwindigkeit der ungestörten Anströmung) und mit der Grundrissfläche S des Profils. Zum Beiwert des Momentes M_α(t) wird zusätzlich durch die Flügeltiefe ℓ dividiert.

Der Auftrieb bei partiell linearer Kinematik ist deutlich höher als der maximale Auftrieb bei harmonischer Bewegung. Der Verlauf des Auftriebs in der Umkehrphase ist geprägt von der Wirkung der schnellen Änderung des Anstellwinkels. Das Zu sammenwirken von abnehmender Hubgeschwindigkeit mit gleichzeitiger Abnahme des geometrischen Anstellwinkels der Drehung ist die eine Ursache für den Verlauf während der Umkehrphase. Hinzu kommt ein Laufzeiteffekt in der instationären Strömung (Wagner-Effekt), durch den eine Veränderung des Anstellwinkels nicht zeitgleich auch bei den Kräften auftritt, sondern sich verzögert auswirkt. Aus den gleichen Gründen ist auch der Verlauf des Moments kein reiner Sinus-Bogen.

Während das Drehmoment M_α bei harmonischer Bewegung klein bleibt und ebenfalls harmonisch verläuft, steigt es in den Umkehrphasen der partiell linearen Anordnung deutlich an: Der Flügel setzt der schnellen Drehung ein strömungsbedingtes Dreh moment entgegen.

Fig. 4 zeigt die bei der Hubbewegung auftretenden Beiwerte zu den Leistungen

P_h(t) = A_h(t).h'(t) und P_α(t) = M_α(t).α'(t).

Die Beiwerte entstehen aus den gerechneten Leistungen durch Division mit dem Staudruck q₀, der Grundrissfläche S und der Anströmgeschwindigkeit u₀. Negative Leistung wird der Strömung entnommen und kann genutzt werden. Während die harmonische Bewegung den erwarteten sin²-Verlauf der Leistungen zeigt und kleine Werte der Drehleistung, macht sich der sprunghafte Verlauf des Auftriebs auch in der Leistung der linearen Anordnung bemerkbar. Die lineare Bewegung mit ihrer deutlich höheren Leistungsausbeute führt allerdings dazu, dass ein gewisser Anteil aus dem Leistungsgewinn in die Drehung in den Umkehrpunkten zurückgeführt werden muss. Diese Leistung wird in unserem Ausführungsbeispiel einer mitrotierenden Schwung masse entnommen.

Weitere besondere Ausführungsarten des Hubflügelgenerators mit partiell linearer Kinematik

Diese betreffen vier Merkmale der Ausführung unserer Erfindung:

1. die Lösung der partiellen Linearisierung,
2. die gekoppelte Verstellung des Anstellwinkels,
3. die Aufwärts- und Abwärtsbewegung in einer Ebene und
4. die Profilform.

Als eine weitere Möglichkeit der partiellen Linearisierung der Hubbewegung schlagen wir vor, die Antriebsleistung nicht über die umlaufende Kette auf die Abtriebwelle zu übertragen, sondern durch eine Zahnstange. Diese kann entweder eine lineare Triebstockverzahnung darstellen oder auch eine auf beiden Seiten verzahnte Stange, die während des linearen Teils der Hubbewegung diese in eine konstante Drehbewegung eines eingreifenden Ritzels umsetzt. Die lineare Trieb stockverzahnung erlaubt es in den Umkehrphasen der Bewegung, dass die Zahnstange mit ihrem Ende eine halbe Umdrehung mit dem Ritzel umläuft, um sich dann in umgekehrter Richtung weiterzubewegen. Wenn diese Aufgabe wegen der geringeren Reibung und des geringeren Verschleißes einer beidseitig gezähnten Zahnstange übertragen wird, müssen beide Enden ebenfalls eine umlaufende Verzahnung aufweisen. Die Zahnstangenanordnung vermeidet die Schwierigkeiten der Krafteinspeisung vom Hubflügel auf die Kette, die sonst konstruktiv sorgfältig gelöst werden muss.

Die Ansteuerung des Anstellwinkels kann auch durch Stellmotoren oder andere direkte Antriebe erfolgen. Bei geeigneter Lage der Drehachsen sind dazu auch nur geringe Kräfte nötig und auch der Leistungsbedarf ist klein; er tritt nur in den kurzen Umkehrphasen auf. Eine weitere Lösung der Verstellung des Anstellwinkels wird zusammen mit der folgenden Führung der Hubbewegung beschrieben.

Verzichtet man auf die ausschließliche Verwendung von Drehgelenken, so kann der gewünschte ebene Verlauf der Hubbewegung über Linearführungen oder Schienen erzwungen werden. Lässt man dabei das Profil auf jeder Seite mit zwei Lagerpunkten (Zapfen) in zwei hintereinander liegenden Schienen laufen, so legt der Abstand der Schienen 2 mögliche Anstellwinkel des Profils dann fest, wenn der Schienenabstand kleiner ist als der Abstand der Lagerpunkte. Sorgt man in den Umkehrstrecken dafür, dass die Lagerpunkte die jeweils andere Anstellrichtung einnehmen können, so bewegt sich das Profil von da ab mit dem richtigen Anstellwinkel bis zum anderen Umkehrpunkt. Durch Verstellen des Abstandes der Schienen oder der Zapfen kann die Amplitude der gekoppelten Drehbewegung kontrolliert werden

Wir haben bisher immer Anordnungen betrachtet, in denen das Profil symmetrisch geformt ist, um es in der Auf- und in der Abbewegung in gleicher Weise nutzen zu können. Gestaltet man das Profil in seiner Tiefe nicht starr, sondern adaptiv verformbar, so kann beim Aufwärts- und Abwärtshub zusätzlich zur Änderung des Anstellwinkels eine geeignete Wölbung erreicht werden, wodurch die Strömungs verhältnisse verbessert und der erzielte Auftrieb erhöht werden können.

Einsatzbereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung eines Hubflügelgenerators erlaubt es in besonders effizienter Weise, Energie aus der Strömung von fließenden Gewässern zu gewinnen auch an Stellen, wo Gesichtspunkte des natürlichen Erhalts von Gewässern oder geologische Gründe gegen Staustufen und Talsperren sprechen.

Die horizontale Lage des langgestreckten Hubflügels mit seiner im Verhältnis dazu kleinen Hubamplitude erlaubt die Anwendung auch in relativ flachen Gewässern. Durch die erfindungsgemäße Bewegungsführung auf einer linearisierten Bahn wird dabei die Energie des fließenden Wassers in besonders effizienter Weise genutzt. Der Hubflügelgenerator mit partiell linearer Kinematik ist sowohl in stationären Kraftwerken, z. B. zwischen den Pfeilern einer Brücke oder den Mauern des Flußbettes, anwendbar als auch in mobilen, aber ortsfest schwimmenden Anlagen, die sich wechselnden Wasserständen anpassen und auch zu einer temporären, dezentralen Stromversorgung genutzt werden können.

Verwendete Literatur

Birnbaum, W. (1924): Das ebene Profil des schlagenden Flügels, Z. angew. Math. Mech. 4 (1924), 277-292 (Publikation zur Dissertation 1922 an der Universität Göttingen).
McKinney, W., DeLaurier, J. (1981): The wingmill: An oscillating-wing windmill. Journal of Energy, Vol. 5, No. 2, 109-115.
Send, W. (1992): The Mean Power of Forces and Moments in Unsteady Aerodynamics, Z. angew. Math. Mech. 72 (1992), 113-132.
Jones, K. D., Platzer, M. (1997): Numerical Computation of Flapping-Wing Propulsion and Power Extraction, AIAA Paper No. 97-0826, Reno, Nevada, January 1997, U.S.A.
Jones, K. D., Davids, S. T., Platzer, M. (1999): Oscillating-Wing Power Generation, ASME Paper No. FEDSM 99-7050, San Francisco, California, July 1999, U.S.A.
Davids, S. T. (1999): A computational and experimental investigation of a flutter generator, Thesis June 1999, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, U.S.A.
Hönlinger, H. (2001): persönliche Mitteilung Prof. Dr. H. Hönlinger, Direktor des Instituts für Aeroelastik, Göttingen, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), seinerzeit 1981/82 Mitarbeiter bei der Firma MBB, Ottobrunn bei München.

Legenden zu den Abbildungen

Fig. 1: Partielle Linearführung des Hubflügels
A: Prinzip der partiellen Linearisierung der Hubbewegung durch 2 umlaufende Ketten K und K'. Die zugehörigen Kettenradpaare KR, KR' werden über ein Differential DF zu einer synchronen, aber gegenläufigen Bewegung gezwungen. Damit laufen die beiden Krafteintrittspunkte P und P' auf gegenüberliegenden Seiten in gleicher Richtung auf den linearen Abschnitten auf und ab. Eine Verstellung Δϕ des Winkels des Eingriffspunktes des Kegelrades im Differential verändert den Anstellwinkel des durch Schubstangen an P und P' angekoppelten Profils der Tragfläche.
B: Stangengetriebe ("Trapezlenker") zur angenäherten Führung der Auf- und Abbewegung der Tragfläche auf einer ebenen Bahn und zur Steuerung des Anstellwinkels. Alle Verbindungen sind als Drehgelenke ausgeführt, wobei die Gelenke M und N gerätefest sind. Die Profilhebel PH und PH' greifen in Verlängerung auf die Krafteintrittspunkte P und P' der Kette zu.

Fig. 2: Flügelbahn der 2 : 1-Kettenlösung als Hubschwingung h(t) und Dreh schwingung α(t), normiert auf die Maximalwerte h₀ und α₀. Gestrichelt eingetragen sind zum Vergleich die Verläufe der harmonischen Bewegung.

Fig. 3: Beiwerte zu den instationären Auftriebskräften und Momenten (A_h(t) und M_α(t)) des gewählten Beispiels. Der Auftrieb ist bezogen auf den Staudruck und die Grundrissfläche des Hubflügels, die Momente noch zusätzlich auf die Flügeltiefe. Gestrichelt eingetragen sind die Vergleichswerte der harmonischen Bewegung.

Fig. 4: Leistungsbeiwerte zur Hubleistung P_h(t) und Drehleistung P_α(t) des Beispiels, negative Leistung wird der Strömung entnommen. Die Leistungen sind bezogen auf den Staudruck, die Grundrissfläche des Hubflügels und die Geschwindigkeit der ungestörten Anströmung. Zum Vergleich sind gestrichelt eingetragen die Daten der harmonische Bewegung. Man beachte die deutlichen Anteile, die zur Drehung des Profils in den Umkehrphasen nötig sind.

Weitere Erläuterungen zu den Abbildungen siehe Text.

Claims

1. Hubflügelgenerator, bei dem sich eine in strömendem Wasser befindliche Tragfläche mit einer gekoppelten Veränderung des Anstellwinkels auf und ab bewegt und damit der Strömung Energie erzielt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auf- und Abbewegung nicht harmonisch, sondern auf einer möglichst langen Strecke annähernd linear verläuft und dabei der Anstellwinkel jeweils einen konstanten, optimalen Wert hat.

2. Hubflügelgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell lineare Hubbewegung dadurch erzeugt wird, dass der Tragflügel von zwei um je zwei Kettenräder umlaufenden Ketten geführt wird, so dass die Bewegung längs der freien Kettenstrecke linear erfolgt und der Richtungswechsel auf den kurzen halbkreisförmigen Bögen während des Kettenradeingriffs. Dabei wird der Flügel von der einen Kette im vorderen Bereich der Profiltiefe, zweckmäßig bei etwa 1/4 davon geführt, von der anderen Kette im hinteren Bereich der Profiltiefe, um damit den Flügel während der linearen Teile seiner Bewegung in konstantem Anstellwinkel zu halten.

3. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei entsprechende Kettenräder der Bewegungssteuerung so durch ein Differential verbunden sind, dass beide Ketten mit gleicher Geschwindigkeit nebeneinander laufen, wobei eine Verstellung des Differentials die Phasenlage, also die relative Lage einander entsprechender Punkte auf den Ketten in der Umlaufperiode verstellt und damit eine Verstellung des Anstellwinkels der Tragfläche ermöglicht, die den Flügel bei seiner Abwärtsbewegung um genau soviel nach unten anstellt wie bei der Aufwärtsbewegung nach oben.

4. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Ketten und Kettenräder Zahnriemen und Zahnriemenscheiben verwendet werden.

5. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der Hubbewegung auf einer ebenen Bahn durch einen Trapezlenker angenähert wird, der ausschließlich Drehgelenke enthält und so ausgelegt ist, dass bei maximalem Hub die seitliche Abweichung von der ebenen Bahn ein Minimum einnimmt.

6. Hubflügelgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell linearisierte Schlagbbewegung dadurch erzeugt wird, dass eine Kopplung zwischen Hubflügel und Abtriebszahnrad durch eine Zahnstange hergestellt wird, die in den linearen Teilen der Bewegung zu einer konstanten Abtriebsdrehzahl führt, während in den Umkehrphasen der Bewegung dafür Sorge getragen wird, dass das Ende der Zahnstange eine halbe Umdrehung mit dem Ritzel umläuft, um von da an wieder mit konstanter Geschwindigkeit in der Gegenrichtung zu laufen, wobei die Zahnstange jetzt mit der Zahnung der Rückseite in das Zahnrad eingreift.

7. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der Hubbewegung auf einer ebenen Bahn über Linearführun gen oder Schienen erzwungen wird.

8. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1, 2, 4, 6 und 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Hubflügel auf jeder Seite in zwei hintereinander liegenden Schienen oder Linearführungen durch zwei in den Führungen laufende Lager punkte auf der Flügelsehne geführt wird, deren Abstand größer sein muss als der Abstand der Linearführungen und damit zwei symmetrische Schräglagen (Anstellwinkel) des Profils erlaubt. In den Umkehrpunkten der Bewegung läßt eine der beiden Führungen eine Drehung des Profils in den anderen Anstellwinkel zu.

9. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass der Anstellwinkel des Profils durch den Abstand der Lagerpunkte auf der Flügelsehne oder den Abstand der Linearführungen verändert wird.

10. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Anstellwinkel durch aktive Stellglieder oder Strukturelemente verändert wird.

11. Hubflügelgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil über die Flügeltiefe verformbar ist, so dass bei Auf- und Abschlag zusätzlich zur Änderung des Anstellwinkels eine geeignete Wölbung erreicht werden kann wodurch die Strömungsverhältnisse verbessert werden und damit der erzielbare Auftrieb erhöht wird.