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1 Beschreibung zum Kompakt Wasserrad
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Das „Kompakt Wasserrad” ist ein Wasserrad mit rotierenden Schaufelrudern in einer über spezielle Zahnradgetriebe konstruktionsbedingten kompakten Bauweise. Mit diesem Konzept lassen sich zwei Ausführungen entwickeln, die einseitige und die zweiseitige.
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1.1 Beschreibungseinleitung
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Zweiseitiges Kompakt Wasserrad, vgl. Zeichnung 1
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Hinweis zur Darstellung der Schaufelruder:
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Die Schaufelruder besitzen in der Praxis glatte Oberflächen. In den Zeichnungen werden sie durch nebeneinander aufgereihte „Streichhölzer” dargestellt, jeweils aus einem grauen und einem schwarzen Strich für je eine Seite des Schaufelruders. Der blaue Streichholzkopf soll ebenfalls die Richtung des Schaufelruders kennzeichnen.
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Das Kompakt Wasserrad setzt sich aus folgenden bevorzugten Baugruppen zusammen, vgl. Zeichnung 2:
- • Einer Spule bestehend aus einer Spulenachse (1) und zwei Spulenrädern (2).
- • 2 bis 5 Schaufelrudern (3), hier 4 Stück in Zeichnung 2, die jeweils über eine mittig angeordnete Achse gelagert und gedreht werden.
- • Zwei gleichen Zahnradgetrieben (4), die sich durch eine spezifische Anordnung von mehreren Zahnrädern mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 auszeichnen, vgl. Zeichnung 9, 10, 11 und 13.
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In der Strömung erfolgt der größte Druck des Wassers auf das senkrecht zur Fließrichtung stehende Schaufelruder, während das oder die anderen Schaufelruder in Drehrichtung nach unten beziehungsweise nach oben gedrückt werden. Dabei werden nur Kräfte in Richtung der Fließrichtung genutzt. Es entstehen keine gegenläufigen Kräfte. Während die Schaufelruder am unteren Totpunkt senkrecht zur Fließrichtung ausgerichtet sind, nehmen sie am oberen Totpunkt eine waagerechte Position ein. Über die innere zentrale Achse (7), vgl. Zeichnung 3, lässt sich die Stellung aller Schaufelruder steuern und so stets auf die optimale Kraftaufnahme oder -abgabe ausrichten.
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1.2 Angaben zum bekannten Stand der Technik
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1.2.1 DE 10 2009 035 420 A1
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- Beschreibung [0009]: Bevorzugt sind gleichviele Elektromotoren, elektromotorische Antriebe oder andere Drehantriebe, z. B. Druckluftmotoren oder hydraulische Motoren, wie Drehflächen vorgesehen, wobei die Elektromotoren oder motorischen Drehantrieb jeweils mit einem zugeordneten Stellrad gekoppelt sind, um die unterschiedlichen Stellungen der einzelnen Drehflächen bewerkstelligen zu können. Die Drehantriebe oder Elektromotoren können umschaltbar bezüglich ihrer Drehflächenstellung ausgelegt sein, um eine vorgegebene Drehflächenstellung schneller erreiche zu können, was insbesondere bei der Verwendung von Drehflächen mit einem unsymmetrischen Querschnitt oder einer unsymmetrischen Form in schnelleres Ausrichten der Drehfläche zu der Fluidströmung ermöglicht.
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Aus dem Aufbau dieser Rotationsvorrichtung anhand der 1, lässt sich noch ein ähnlicher Bewegungsablauf gegenüber dem Kompakt Wasserrad erwarten, obwohl das Antriebssystem über einzelne Stellhülsen (51, 52, 53) mit den Drehflächen (1, 2, 3) verbunden wird und dabei vorzugsweise je Drehfläche ein eigener Antrieb zum Einsatz kommen soll. Die individuelle Ausrichtung auf Drehflächen mit unsymmetrischen Querschnitten oder unsymmetrischen Formen, die mit in der Drehrichtung umschaltbaren Elektromotoren schneller in die Ausrichtung der Drehflächen zu der Fluidströmung gebracht werden können, entspricht nicht dem durchgängigen symmetrischen Aufbau und Bewegungsablauf des Kompakt Wasserrades.
- Beschreibung [0024]: Die bevorzugte Rotationsvorrichtung 71 der Erfindung ist beispielhaft für die unabhängige Einstellung von drei Drehflächen 1, 2, 3 bzw. Flügeln relativ zur Strömungsrichtung des Fluides ausgelegt.
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Die unabhängige Einstellung der drei Drehflächen (1, 2, 3) relativ zur Strömungsrichtung lässt sich nicht auf das Kompakt Wasserrad übertragen, da hier eine fest vorgegeben Stellung der Schaufelruder zwingend eingehalten werden muss. Nur wenn bei der zitierten Rotationsvorrichtung später eine Fixierung auf einen vergleichbaren Bewegungsablauf festgeschrieben wird, lässt sich, wenn überhaupt, eine vergleichbare Stellung der Drehflächen der Rotationsvorrichtung gegenüber den Schaufelrudern des Kompakt Wasserrades erreichen. Dagegen sprechen ebenfalls die individuellen Motorantriebe je Drehfläche.
- Patentanspruch 12.: Rotationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Drehflächenachsenräder (1.2, 2.2, 2.3), die gleichgroß oder doppelt so groß im Außendurchmesser wie die korrespondierenden Pendelräder (41, 42, 43) sind.
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Abgesehen davon, dass bei der Nummerierung der Drehflächenachsenträger etwas durcheinander gekommen zu sein scheint, bedeutet die Verdopplung des Außendurchmessers zu den korrespondierenden Pendelrädern eine Übersetzung in Drehverhalten von 1:2. Bei dem Kompakt Wasserrad ist nur eine einzige Übersetzung möglich und zulässig, da anderenfalls die Funktionsfähigkeit nicht mehr gegeben ist.
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Diese Ausführungen mögen genügen, um diese Entgegenhaltung zu entkräften. Darüber hinaus lassen sich weitere Argumente bei Bedarf finden.
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1.2.2 WO 2007/082506 A2
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- Patentanspruch 1.: ... dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die einen Winkel der Drehfläche zu einer Strömungsrichtung des Fluides derart einstellt, dass das Auftriebsprinzip an der Drehfläche eingehalten ist.
- Patentanspruch 2.: Rotationsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Winkel von –25° bis +25° zur Strömungsrichtung des Fluides.
- Patentanspruch 3.: Rotationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung den Winkel der Drehfläche über 0°–180° der Drehbewegung des Hauptdrehkörpers auf einem ersten, konstanten, positiven Winkel einstellt und dass die Einrichtung den Winkel der Drehfläche über 180° bis 360° der Drehbewegung des Hauptdrehkörpers auf einen zweiten, konstanten, negativen Winkel zur Strömungsrichtung des Fluides einstellt, wobei die Winkel den gleichen Wert mit umgekehrten Vorzeichen bezüglich der Strömungsrichtung des Fluides haben.
- Patentanspruch 4.: Rotationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung den Winkel der Drehfläche zur Strömungsrichtung auf einen optimalen Wert des Winkels einstellt, der nahe am Abriss des Auftriebs der Drehfläche ist.
- Patentanspruch 5.: Rotationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Steuernocken hat, der fest mit der zentralen Drehachse der Hauptdreheinrichtung gekoppelt ist, und einen Antrieb hat, der mit dem Steuernocken und der Drehfläche oder den Drehflächen gekoppelt ist und die Bewegung der Steuernocken in eine Drehbewegung der Drehfläche bzw., Drehflächen zum Einstellen des Winkels umsetzt.
- Patentanspruch 9.: Rotationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Pendelsteuerrad, das auf der Drehachse lose gelagert ist, aber nicht starr oder kraftschlüssig mit der Drehachse radial verbunden ist, das mit den Drehflächengekoppelt ist und seine Pendelbewegung auf die Drehflächen überträgt.
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Die hier beschriebene Rotationsvorrichtung arbeitet nach dem Prinzip von Pendelbewegungen der Drehflächen (20) und (21). Dabei werden die Drehflächen weitestgehend senkrecht zur Strömungsrichtung gehalten und drehen nicht um sich selbst. Daher kann man die Optimierung des Bewegungsablaufes „nahe am Abriss des Auftriebs der Drehfläche” ausrichten.
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Somit unterscheidet sich mit dem Aufbau auch der Bewegungsablauf dieser Rotationsvorrichtung von dem Kompakt Wasserrad.
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Somit ist diese Entgegenhaltung widerlegt.
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1.2.3 WO 2004/074680 A1
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Bezeichnung: rotary drive structure – Rotationsantriebsstruktur
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Diese Entgegenhaltung ist die interessanteste, da sie einige zum Teil wesentliche Baumerkmale aufweist, die sich auch beim Kompakt Wasserrad wiederfinden. Gerade deshalb werden die Unterschiede deutlich heraus gearbeitet.
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1.2.3.1 Übereinstimmung in den Drehbewegungen jedoch Unterschiede bei den Getrieben und Fehler in der Dokumentation
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Bereits bei der Zusammenfassung auf der ersten Seite kann man in der Zeichnung erkennen, dass, das gleiche Rotationsprinzip mit sich drehenden Flügeln (blades (1) of vane-like form) zum Einsatz kommen. Dabei ähnelt die Anordnung der Zahnräder zum Teil der des Kompakt Wasserrades. Allerdings befindet sich in dieser Zeichnung sowie auch in den Zeichnungen 1, 2, 3, 9, und 11 ein Fehler, indem die dargestellten Zahnräder alle die gleiche Größe besitzen. Damit erfährt die Bewegung der Flügel keine Untersetzung und der Verlauf erfolgt somit parallel zur Drehung der Trägerplatte. Für die Funktionsfähigkeit ist jedoch die Untersetzung von 2:1 zwingend erforderlich, um eine Drehung der Flügel zu bewirken. Das bedeutet, die äußeren Zahnräder müssen doppelt so groß sein wie die innen liegenden. Interessanter Weise wird diesem Sachverhalt in 10, 23, 25, 28, 29, 30, 31, 32 49, 50 und 51 Rechnung getragen. Diese Forderung wird in den Patentansprüchen in Claim 7. korrekter Weise auch verbal festgeschrieben:
- Claim 7.: A rotary drive structure according to any one of claim 1 to 6 wherein the drive members are so arranged that the blades will rotate through 180° as the central shaft rotates through 360°.
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1.2.3.2 Unterschiedliche Konstruktionsansätze
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In allen Zeichnungen und Beschreibungen zu der „rotary drive structure” wird gegenüber einer Trägerplatte oder auch Trägerrippen (11) auf der einen Seite der Flügel (1) das Steuerungsgetriebe mit (3), (4) und (5) gezeigt und beschrieben, während auf der anderen Seite der Flügel (1) eine Trägerplatte oder Trägerrippen (12) mit dem Antriebszahnrad (7) fest verbunden ist. In den Zeichnungen 15, 16 und 17 wird das Steuerungsgetriebe gegenüber dem Antriebsgetriebe an drei unterschiedlichen Positionen dargestellt. Lediglich in den beiden Zeichnungen 13 und 56 wurden zwei Steuerungsgetriebe, jeweils eines auf jeder Seite der Rotationsflügel, eingezeichnet, ohne dass dies in der Beschreibung erläutert wird.
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Im Gegensatz hierzu wurde beim Kompakt Wasserrad von Beginn an von einer Spule ausgegangen, bei der sich zwischen den Spulenrädern die Schaufelruder bewegen, die von zwei gleichartigen Getrieben gesteuert werden. Dabei befinden sich diese Getriebe jeweils außen auf den Spulenrädern. Es sind also von Beginn an zwei Getriebe für das zweiseitige Kompakt Wasserrad vorgesehen. Mit diesem unterschiedlichen Ansatz ergab sich von Beginn an die nachfolgende Eigenschaft.
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1.2.3.3 Frei bewegliche innere zentrale Achse im Gegensatz zur „rotary drive structure”
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Ausnahmslos in allen Beschreibungen und Zeichnungen zur „rotary drive structure” wird die zentrale Achse (6) bzw. ihre Verlängerung (10) fix am Rahmen oder dem Gehäuse befestigt. An dieser Achse muss der gesamten Kraft entgegengehalten werden, die von der „rotary drive structure” aufgebracht wird. Daher wird in der gesamten Beschreibung, den Claims und allen Zeichnungen von einer fixen Befestigung der zentralen Achse (6) ausgegangen.
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Beim Kompakt Wasserrad wurde die innere zentrale Achse (7) von Beginn an frei beweglich angeordnet, wodurch sich die Schaufelruder (3) so verdrehen und damit steuern lassen, dass dadurch die Schubrichtung fürs Antriebssystem verändert werden kann. Andererseits lässt sich für die Energieaufnahme die Stellung der Schaufelruder (3) genau auf die Fließrichtung des Wassers oder eines andern Strömungsmediums ausrichten. Die jeweilige Stellung der Schaufelruder ist dann optimal eingestellt, wenn alle Schaufelruder einmal pro Umdrehung des Kompakt Wasserrades eine zur Schub- oder Fließrichtung senkrechte Stellung einnehmen.
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Mit dieser Funktionalität wird praktisch eine Steuerfunktion ausgeübt, die bei waagerechtem Einsatz des Kompakt Wasserrades wie ein Höhen- oder Tiefenruder wirkt. Bei einem Außenbordmotor lasst sich dies mit der Trimmvorrichtung vergleichen, die das Boot in eine optimale Wasserlage bringt. Für U-Boote kann damit das Auf- und Abtauchen bewirkt werden.
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Bei einem senkrechten Einbau lassen sich Seitenruderbewegungen ausführen, so dass auf das konventionelle separate Steuerruder verzichtet werden kann. Wird das gesamte Kompakt Wasserrad frei drehend so eingebaut, dass sich jede Stellung zwischen „waagerecht” und „senkrecht” einstellen lasst, so wir praktisch eine Steuerung erschlossen, die in alle drei Dimensionen „vorwärts/rückwärts”, „links/rechts” und „oben/unten” erschließt.
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Bei den Beschreibungen und den Zeichnungen zur „rotary drive structure” wird an keiner Stelle auf eine vergleichbare Funktionalität durch eine frei beweglich gelagert zentrale Achse (6) hingewiesen. Es besteht immer eine feste Verbindung zwischen der zentralen Achse (6) und dem Rahmen oder dem Gehäuse. Insbesondere wird dies bei den Zeichnungen 24 und 25 deutlich, wo zwischen zwei aufeinander ausgerichteten „rotary drive structures” ein Leitflügel oder auch Steuerruder dargestellt wird. Bei einer derartigen Anordnung der Flügel beziehungsweise der Schaufelruder würde eine Drehung der inneren zentralen Achse dazu führen, dass gegenläufige, sich im Strömungsablauf behindernde Stellungen entstehen.
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In Zeichnung 39 wird eine Segelboot ähnliche Konstruktion skizziert, bei der weder die Segel, mit einer ähnlichen Aufbaukonstruktion auf die Windrichtung ausgerichtet werden können, noch die von ihr angetriebenen beiden „rotary drive structures” unter Wasser zur Steuerung der Fahrtrichtung genutzt werden. Hierfür wurde ein eigenes Steuerruder eingezeichnet.
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In den beiden Außenbordmotor-Darstellungen 40 und 41 wird ein „input shaft” (66), also eine kraftzuführende Antriebswelle gezeigt, ohne dass sich die Schubrichtung weder nach oben noch nach unten verändern lasst.
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In den Zeichnungen 42 und 43 sind Schiffsantriebe dargestellt, wobei die Steuerung über ein separates Steuerruder erkennbar ist.
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Zeichnungen 51 und 52 zeigen eine Gebläse Konstruktion mit festen Lufteintritts- und Auslassöffnungen.
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Bei der Hubschrauber ähnlichen Konstruktion, die in den Zeichnungen 53A, 53B, 53C und 53D dargestellt sind, existiert auch kein Hinweis auf eine Steuerungsfunktion wie zuvor beschrieben, obwohl sie gerade hier hilfreich wäre.
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Entsprechendes gilt auch für die Entwürfe zu einem Flugzeug vgl. 54A, 54B und 56. Bei der letzten Zeichnung 56 wird der Antrieb über eine Kette deutlich sichtbar. Auch hier ist keine weitere Steuerungsfunktion erkennbar.
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Aus den Zeichnungen 55A, 55B und 55C lässt sich das Grundprinzip der rotierenden Flügel (1) gut ablesen und erkennen, dass eine Veränderung der Schubrichtung dargestellt wurde. Auf die bedingte beziehungsweise verursachende Konstruktion wurde nicht eingegangen.
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Somit kann die frei bewegliche innere zentrale Achse (7) als wesentlicher Unterschied und Neuerung verstanden werden.
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1.2.3.4 Optimiertes Zahnradgetriebe im Gegensatz zur „rotary drive structure”
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Zur Würdigung der enormen Kräfte, die in Fließwasser wirken, wurde bei der Konstruktion des Zahnradgetriebes besonders darauf geachtet, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung aller genutzten Bauteile erreicht wird. Angesichts der Tatsache, dass die Belastung auf dem senkrecht zur Fließrichtung stehenden Schaufelruder am größten ist und gleichzeitig alle anderen Schaufelruder einer kleineren Belastung ausgesetzt sind, erscheint das Bemühen nach gleichmäßiger Auslastung kaum möglich. Gerade deshalb sollten vermeidbare Belastungen reduziert werden.
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Vor diesem Hintergrund wurde eine Zahnradanordnung fürs Getriebe gewählt, bei der symmetrisch jeweils zwei bis fünf gleich große Zahnräder (8) (mittlere Zahnräder) um ein zentrales ebenfalls gleichgroßes Zahnrad (9) angesiedelt sind. Sie werden ergänzt wiederum jeweils um zwei bis fünf doppelt so große Zahnräder (5), die jeweils in zwei benachbarte mittlere Zahnräder eingreifen. Diese Verteilung sorgt dafür, dass bei Turbulenzen, seitlichen Strömungen oder Strudeln, die unterschiedlichen Belastungen der Schaufelruder ausgeglichen werden und ein möglichst reibungsloser gleichmäßiger Rotationsverlauf zustande kommt, vgl. Zeichnungen 9 bis 13.
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Aufgrund der geometrischen Randbedingungen lassen sich nicht mehr als fünf gleichgroße Zahnräder um ein ebenfalls gleichgroßes platzieren. Jede Erweiterung bedeutet also eine Veränderung dieses Ansatzes, etwa mit Ketten oder Zahnriemen. Dabei lasst sich die Anzahl der großen Zahnräder (Kettenzahnräder) dann geradzahlig erweitern, um dabei die Symmetrie beizubehalten.
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Im Vergleich zur „rotary drive structure” stellt sich diese Optimierung des Getriebes als Neuerung heraus, da in keiner Beschreibung oder Zeichnung eine vergleichbare Anordnung der Zahnräder, insbesondere mit dem zweifachen Kontakt der großen Zahnräder (5) zu jeweils zwei mittleren kleinen Zahnrädern (8) zu finden ist. Die Übertragung der Kräfte erfolgt in dem für das Kompakt Wasserrad bevorzugten Getriebe sternförmig, das heißt über mehrere nahezu gleichmäßig verteilte Übertragungskontakte von der zentralen Achse (7) über mehrere mittlere Zahnräder (8) auf die Schaufelruder mit den großen Zahnrädern (5). Dabei existieren für jedes große Zahnrad (5) bei der bevorzugten Getriebeausführung (4) zwei Verbindungen zu den mittleren Zahnrädern (8).
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Genau diese spezifische Ausprägung mit jeweils zwei Kraftübertragungskontakten zu den mittleren Zahnrädern unterscheidet die bevorzugte Getriebeausführung des Kompakt Wasserrades von den Getriebeausführungen der „rotary drive structure”.
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Bei den Getriebemodifikationen mit Kettenantrieben, werden auch ein beziehungsweise mehrere große Zahnräder (5) mit einem beziehungsweise auch mehreren kleinen Zahnrädern (9) und (8) verbunden. Auch hier erfolgt eine Verteilung der Kräfte auf mehrere Übertragungskontakte. Dies stellt wiederum ein klares Unterscheidungsmerkmal gegenüber der „rotary drive structure” dar.
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Da keine vergleichbare Anordnung der Zahnräder ggf. mit Ketten oder Zahnriemen mit mehreren Kraftübertragungskontakten bei der „rotary drive structure” existiert, dort weder beschrieben noch in irgendeiner Zeichnung berücksichtigt wurde, stellen diese Getriebeformen des Kompakt Wasserrades Neuerungen gegenüber der „rotary drive structure” dar.
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1.2.4 US 1 374 801 A
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Das in dieser Entgegenhaltung beschriebene „in der Eintauchtiefe einstellbare Wasserrad” weist nur geringfügige Ähnlichkeiten mit dem Kompakt Wasserrad auf. So besitzt es unbewegliche fest montierte Schaufelruder wie ein klassisches Wasserrad. Demzufolge kann es auch nur bis zu etwa einem Drittel des Wasserraddurchmessers unter Wasser getaucht werden.
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Somit ist diese Entgegenhaltung widerlegt.
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1.2.5 DE 4216531 A1
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Beschreibung des verbleibenden Alleinstellungsmerkmals
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Im Verlauf einer Umdrehung erfolgt die Belastung des Kompakt Wasserrades stets einseitig. Dies gilt gleichermaßen auch für alle übrigen genannten Rotationsanordnungen. Diese einseitige maximale Belastung entsteht immer dann, wenn ein Schaufelruder senkrecht zu Fließrichtung des Wassers positioniert ist. Die maximale Schubleistung wird bei senkrechter Stellung jedes der Schaufelruder erreicht. Dies gilt gleichermaßen für die Gewinnung von kinetischer Energie einerseits sowie andererseits für die Erzeugung von Antriebsenergie. Aus dieser Betrachtungsweise lässt sich ein alternierender Verlauf der Leistungskurve und damit auch der Belastungskurve erkennen. Ziel ist nun die Auslenkung der Amplituden der Leistungskurve zu minimieren, um somit die Kontinuität des Kurvenverlaufs zu erhöhen.
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Diese Zielsetzung des Kompakt Wasserrades, den „Schlupf” zwischen allen Zahnrädern des Getriebes zu minimieren, wird mit dem „doppeltem Kontakt” der mittleren Zahnräder zu den großen Zahnrädern erreicht. Als „Schlupf” wird hier der Abstand zwischen zwei Zahnrädern, also das Spiel bezeichnet, das benötigt wird, um einen freien Lauf der Zahnräder zu gewährleisten.
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Bei den Zeichnungen 11 und 13 werden die Schaufelruder mit den großen Zahnrädern jeweils über ein mittleres Zahnrad miteinander verbunden, diese greifen wiederum in das zentrale kleine Zahnrad ein. Das bewirkt, dass zwei benachbarte Schaufelruder über zwei Schlüpfe miteinander wirken, also nur über ein kleines Zahnrad miteinander verbunden sind, um ihre Drehung weiterzugeben.
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Dem gegenüber wird die Drehung eines Schaufelruders bei den anderen genannten Rotationsanordnungen über drei kleine Zahnräder mit vier Schlüpfen auf das benachbarte Schaufelruder, also das große Zahnrad, übertragen, vgl. Zeichnung 12. Hierbei gibt jedes große Zahnrad seine Drehbewegung allein nur an ein kleines mittleres Zahnrad weiter, dass mit dem zentralen kleinen Zahnrad verbunden ist. Hierüber wird die Drehbewegung an die anderen mittleren Zahnräder und anschließend an die großen Zahnräder, die Schaufelruder weitergegeben.
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Betrachtet man die gesamte Anordnung der Zahnräder, etwa wie in Zeichnung 11 und 13, so wird deutlich, dass der kompakte Aufbau für kurze Verbindungen zwischen den großen Zahnrädern und damit zwischen den Schaufelrudern sorgt. Die Reduzierung der Anzahl der Schlüpfe auf die Hälfte bedeutet eine geringere Abweichung und halb so viele Toleranzen bei den Umdrehungen der Schaufelruder, was zu einer höheren Kontinuität des gesamten Bewegungsablaufes beiträgt. Hierin besteht in der Praxis ein gravierender Vorteil, da die wirkenden Kräfte unter Wasser recht stark werden. Aus diesem kompakten Aufbau resultiert auch die Begriffsbildung und Namensgebung „Kompakt Wasserrad”.
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1.3 Aufgabe – Problemstellung
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Die vorrangige Aufgabe besteht in der Erschließung von Fließwasser oder auch anderen fließenden beziehungsweise strömenden Gemengen (Fluiden), also etwa auch Wind, zur Gewinnung von Energie. Die kinetische Energie des fließenden Wassers soll in Rotationsenergie umgewandelt werden, um daraus mechanische Antriebsenergie für Maschinen oder Stromgeneratoren zu gewinnen.
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Als zweite Aufgabe soll die gleiche Konstruktion neben der Energiegewinnung auch als Antriebsaggregat genutzt werden können, etwa mit einem Motor, mit dem Rotationskräfte auf das Kompakt Wasserrad übertragen werden, ähnlich zu einem Schaufelraddampfer.
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Die grundlegende Fragestellung lautet, wie lassen sich die fließenden Massen an Wasser, die sich in einem Fluss bewegen, nutzbar machen. Besonders beeindruckend ist dies bei einer Fließgeschwindigkeit wie beim Rhein, insbesondere wenn man daneben steht und zuschaut oder darauf sitzt und rudert.
Erfahrungswerte für die Fließgeschwindigkeit des Rheins bei ... : 7,5–8 km/h
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Quellen:
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- http://forum.boote-magazin.de/archive/index.php/t-10406.html, 2006
- http://www.transverpello.de/html_dt/Rhein_bei_Bingen.htm, 2008
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Um sich auf dem Wasser fortzubewegen nutzt man seit vielen Jahren schon Ruderboote. Dabei werden die Ruder und Ruderblätter in einer bestimmten Weise, nämlich senkrecht durch das Wasser (17) gezogen und über dem Wasser waagerecht (18) wieder zurück in die Ausgangsposition, vgl. Zeichnung 8.
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Daraus ergibt sich die Frage, ob sich dieser Bewegungsablauf auch so umkehren lässt, dass man auf irgendeine Art und Weise hiermit kinetische Energie gewinnen kann.
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1.4 Lösung
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Mit Hilfe von rotierenden Schaufelrudern in einem Wasserrad werden die Fließkräfte etwa von Wasser genutzt. Die Drehung der Schaufelruder wird über ein oder zwei geeignete Zahnrad-Getriebe bewirkt. Die Schubkraft des Wassers wird also genutzt, um das Wasserrad, an dem die Schaufelruder befestigt sind, in Rotation zu versetzen und dabei gleichzeitig die Schaufelruder selbst zu drehen. Als Grundvoraussetzung hierfür muss mit einer Übersetzung von 2:1 gearbeitet werden. Das bedeutet, dass sich bei einer Umdrehung des Wasserrades von 360° die Schaufelruder um 180° drehen.
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Spezifisches Zahnradgetriebe
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Der für das Kompakt Wasserrad charakteristische Aufbau der Getriebe ist in den Zeichnungen 9, 10, 11 und 13 dargestellt. Er besteht darin, dass jedes der großen Zahnräder in jeweils zwei mittlere Zahnräder gleichzeitig eingreift, womit die gleichmäßige Verteilung der Kräfte gewährleistet ist und außerdem die geringsten Übertragungskontakte zwischen allen Zahnrädern realisiert werden. Hiermit wird ein gleichmäßiger Bewegungsverlauf sichergestellt und gleichzeitig die geringste Anzahl von Zahnrad-Kontakten erreicht. Hierin liegt die Besonderheit des spezifischen Getriebes vom Kompakt Wasserrad. Im Gegensatz hierzu finden sich modifizierte Getriebeformen, etwa so wie in Zeichnung 12 beschrieben, bei anderen Druckschriften und Offenlegungen wieder.
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Außerdem werden aufgrund der übersetzten Drehungen von Wasserrad und Schaufelrudern im Verhältnis von 2:1 während der gesamten Drehungen keine gegenläufigen Kräfte erzeugt. Dies ist ein Vorteil gegenüber Wasserrädern mit festen Schaufelrudern, wenn diese zu tief ins Wasser eingetaucht werden. Das Kompakt Wasserrad lässt sich daher ohne gegenläufige Kräfte zu erzeugen, vollständig unter Wasser betreiben.
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Der symmetrische Aufbau der Getriebe und des Wasserrades sorgt ferner dafür, dass es gleichermaßen in beide Richtungen vorwärts wie rückwärts betrieben werden kann.
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Die Kraftübertragung von den Spulenrädern (2), vgl. Zeichnung 2, auf beispielsweise einen Generator lässt sich wiederum aufgrund des symmetrischen Aufbaus umkehren und zur Kraftübertragung von etwa einem Motor zum Kompakt Wasserrad nutzen, wodurch ein Antriebssystem entsteht.
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Die frei bewegliche, etwa in Lager aufgehängte, innere „Zentrale Achse” (7) ermöglicht die Steuerung der Ausrichtung aller Schaufelräder, also zum Beispiel an welcher Stelle im Kreisverlauf alle Schaufelräder senkrecht ausgerichtet werden. Hiermit werden bei waagerechtem Einsatz des Kompakt Wasserrades Höhen- und Tiefensteuerungen bewirkt und bei senkrechtem Einsatz des Kompakt Wasserrades eine Seitensteuerung von links nach rechts, von backbord nach steuerbord und umgekehrt.
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Bewegungsablauf
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Meinen Überlegungen liegt die Nutzung eines bevorzugten Zahnradgetriebes mit folgendem Aufbau zugrunde. Die Stellungen der Schaufelruder sowie der Bewegungsablauf werden aus der Zeichnung 9 ersichtlich:
Zunächst ist das Beispiel mit 4 rotierenden Schaufelrudern skizziert. Mit einer Übersetzung von 2:1 drehen sich das Kompaktwasserrad und die Schaufelruder (3). Der symmetrische Aufbau bewirkt sowohl einen kontinuierlichen Bewegungsablauf wie auch die Lauffähigkeit in beide Richtungen, vor und zurück.
Diese Variante wurde in einem Prototyp erfolgreich erprobt.
Die Stellungsfolgen (24) der Schaufelruder (3) sind durchnummeriert. Zu Beginn des 1. Umlaufs (19) steht das untere Schaufelruder senkrecht mit der runden Markierung nach unten. Am Ende des 1. Umlaufs (20) steht es wieder senkrecht, jedoch diesmal andersherum, mit der runden Markierung nach oben. Dementsprechend steht es auch nach dem 2. Umlauf (23) wieder senkrecht in der Ausgangsposition, mit der runden Markierung nach unten. Damit ergibt sich die Drehrichtung (25) aus der Fließrichtung (26). Die Nummerierungen ➀ bis ➇ kennzeichnen die Abfolge der Stellungen der Schaufelruder.
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Bei der Ausführung für 2 rotierende Schaufelruder, vgl. Zeichnung 10, wurden von den 4 großen Zahnrädern (5) 2 gegenüberliegende weggelassen, was die Symmetrie etwas beeinträchtigt.
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Die Ausprägung des Zahnradgetriebes, das für 3 Schaufelruder ausgelegt ist, wird in Zeichnung 11 dargestellt. Sie erfordert den geringsten technischen Aufwand bei einem kontinuierlichen Bewegungsablauf und liefert dabei weniger Energie beziehungsweise weniger Vorschub wie bei den Getrieben mit 4 und 5 Schaufelrudern.
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Die Getriebeausprägung mit 5 Schaufelrädern ist die aufwendigste und in Zeichnung 13 dargestellt. Sie liefert dafür auch die meiste Energie beziehungsweise den größten Vorschub. Konstruktionsbedingt, also aufgrund geometrischer Gesetze lassen sich keine weiteren Schaufelruder (große Zahnräder) unter Verwendung von Stirnzahnrädern integrieren.
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1.5 Aufbau des Kompakt Wasserrades – Beschreibungen anhand der Zeichnungen 1 bis 15
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Der Aufbau des Kompakt Wasserrades gestaltet sich wie folgt, vgl. Zeichnung 3:
- • Die Schaufelruder (3) befinden sich zwischen den beiden Spulenrädern (2), in denen sie gelagert sind. (Bitte den Hinweis zur Darstellung der Schaufelruder beachten, vgl. Seite 2.)
- • Außerhalb, also neben den Spulenrädern (2), sind die großen Zahnräder (5) jeweils auf einer Achse der Schaufelruder (6) fest montiert.
- • Auf jedem Spulenrad (2) sind von außen die Achsen der vier äußeren kleinen Zahnräder (8) befestigt, so dass diese freien Lauf haben.
- • Auf der zentralen, inneren Achse (7) sind je ein inneres kleines Zahnrad (9) fest montiert.
- • Da die zentrale Achse (7) frei beweglich aufgehängt ist, lasst sie sich drehen und damit unterschiedliche Ausrichtungen der Schaufelruder (3) positionieren. In senkrechter Position zur Fließrichtung erfährt jedes Schaufelruder seinen größten Schub.
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Bei der Gesamtansicht, vgl. Zeichnung 4, allerdings noch ohne Halterung, wird die Position der Schaufelruder dargestellt, bei der die größte Schubbewegung ausgeübt wird. Das untere Schaufelruder steht senkrecht und bietet somit die größte Angriffsfläche zur Übertragung der kinetischen Energie. Das obere Schaufelruder steht waagerecht und bildet so den geringsten Strömungswiederstand, während es gegen die Strömung zurückgeführt wird. Gleichzeitig befinden sich die beiden mittleren Schaufelruder in einer 45° Stellung.
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Der symmetrische Aufbau des Zahnradgetriebes sorgt dafür, dass das Kompakt Wasserrad sowohl in die Fließrichtung des Wassers wie auch in die entgegen der Fließrichtung eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten, der symmetrische Aufbau der Getriebe sorgt dafür, dass beide Drehrichtungen gleichermaßen bedient werden.
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Für den jeweiligen Einsatzbereich sind unterschiedliche Halterungen denkbar, vgl. Zeichnung 5. Bei der hier skizzierten Lösung wird das Kompakt Wasserrad so in das Wasser gehalten, dass die Strömung senkrecht auf das untere Schaufelruder trifft. Bei einer derartigen Verwendung als Wasserrad zur Gewinnung von kinetischer Energie kann die Zentrale Achse (7) an der Halterung fix befestigt werden. Die erzeugte Energie lässt sich mittels eines Riemens (Keil- oder Zahnriemen) (14) oder mit einer Kette vom Spulenrad (2) abgreifen. Ein Stromgenerator (Dynamo) (13) lässt sich bereits auf der Halterung platzieren.
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Soll das Kompakt Wasserrad umgekehrt zum Antrieb benutzt werden, so kann die benötigte Antriebsenergie ebenfalls über das Spulenrad (2) geführt werden. Für ein Antriebsaggregat (13) lässt sich anstelle des Generators ein Motor, z. B. ein Elektromotor verwenden, der gegebenenfalls auch auf der Halterung befestigt werden kann. Weitere Kraftübertragungsmöglichkeiten sind denkbar, sollen hier aber nicht weiter ausgeführt werden. Bei dem waagerechten Einsatz des Kompakt Wasserrades als Antriebsaggregat lässt sich über mögliche Drehachsen zusätzlich ein Verhalten wie etwa bei einem Außenbordmotor mit Trimmeinrichtung (11) und Steuerung (12) bewirken.
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Wird die Zentrale Achse (7) frei beweglich in der Halterung (10) gelagert, so lässt sich ein Auftrieb oder ein Abtrieb durch Verdrehung dieser Achse einstellen. Einsatzmöglichkeiten sind zum Beispiel Trimm-Verhalten des Bootes oder für ein U-Boot das Auf- und Abtauchen.
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Bei senkrechtem Einbau des Kompakt Wasserrades, vgl. Zeichnung 6, wird die Wirkung des Seitenruders (12) von der Steuerung der Zentralen Achse (7) übernommen. Das bedeutet, dass die gesamte Seitensteuerung des Bootes hierüber erfolgt. Somit entfällt das herkömmliche Seitenruder (12). Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Trimmvorrichtung (11) zur Erschließung der dritten Dimension die Gesamtbewegung ergänzen.
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Aufbau des bevorzugten Getriebes
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Der Aufbau des bevorzugten Getriebes gestaltet sich wie folgt. Auf einer frei beweglich gelagerten inneren zentralen Achse (7) ist ein Zahnrad (9) fest montiert. Ringsherum werden 3, 4 oder 5 gleichgroße mittlere Zahnräder (8) mit ihren Achsen auf dem Spulenrad angebracht, vgl. Zeichnung 2, 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13 und 14. In jeweils zwei von ihnen greift dann ein doppelt so großes Zahnrad (5), das auf der Achse der Schaufelruder (6) befestigt ist. Dieser zweifache Kontakt der großen Zahnräder (5) mit je zwei mittleren Zahnrädern (8) sorgt für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der pulsierenden Kräfte, vgl. Zeichnung 21, 22, 23 und 24. Außerdem werden bei ungleichmäßigen Fremdeinflüssen, wie Strömungen, Strudel oder Turbulenzen, die Kräfte ausgleichend an die benachbarten Zahnräder weitergegeben. Beim zweiseitigen Kompakt Wasserrad sorgt darüber hinaus auch das zweite Getriebe gegebenenfalls mit eigener Kraftübertragung (14) auf die Antriebsachse (66) für eine stabilisierende Wirkung aus den Bewegungsablauf, vgl. Zeichnung 5, 19 und 20.
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Einseitiges Kompakt Wasserrad
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Zu den Markmalen des Einseitigen Kompakt Wasserades gehört die Realisierung mit einer „halben Spule”, vgl. Zeichnung 7, also nur einseitig an einem Spulenrad aufgehängte Schaufelruder, die auch nur mit einem Zahnradgetriebe bedient werden.
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In der Praxis liegt die Herausforderung in der Wahl und Umsetzung einer geeigneten einseitigen Aufhängung.
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1.6 Beispiele zur Nutzung des Kompakt Wasserrades
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1.6.1 Beispiel zur regenerierbaren Stromerzeugung
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Für die Erzeugung von Strom, vgl. Zeichnung 5 und 14, lässt sich das Kompakt Wasserrad an einer Halterung (10) montieren, an der bereits ein Stromgenerator (13) oder etwa ein Dynamo befestigt ist. Die Übertragung der Bewegungsenergie kann mit einer Kette oder einem Riemen (14) (z. B. Keil- oder Zahnriemen), u. a. erfolgen. Wird die Halterung über einer Drehachse (11) befestigt, etwa einem Scharnier, so lässt sich das Kompakt Wasserrad leicht ins Wasser Absenken und auch wieder empor bewegen. Dies kann für die Steuerung der benötigten Stromkapazität genutzt werden und auch für Wartungsarbeiten.
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1.6.2 Beispiel zum Schiffsantrieb
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Zum Einsatz für einen Schiffantrieb lässt sich das Kompakt Wasserrad beispielsweise auch senkrecht anbauen, vgl. Zeichnung 15. Dabei erfolgt der Antrieb zum Spulenrad über eine Kette (14) oder einen Riemen vom Antriebsaggregat (13), das sich im Boot befindet. Sowohl Vor- wie Rückwärtsbetrieb sind möglich. Die Steuerung lässt sich ebenfalls mit einer Kette (15) oder einem Riemen über die Zentrale Achse (7) bewirken.
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Bei einem senkrechten Einbau werden neben dem Kompakt Wasserrad selbst keine weiteren beweglichen Teile benötigt, also etwa ein Steuerruder. Das Kompakt Wasserrad kann fest am Bootsspiegel (16) montiert werden, da die Steuerung über eine Pinne oder den Kettenantrieb (15) zur Lenkung möglich ist.
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Außerdem bleibt bei einem senkrecht verbauten Kompakt Wasserrad in der Praxis zu prüfen, ob eine eigene Trimmvorrichtung tatsächlich benötigt wird. Der entstehende „Wasserstrahl” besitzt eine senkrechte längliche Struktur im Gegensatz zu dem Antrieb über eine Motorschraube. – Sollte eine Trimmvorrichtung hilfreich sein, so lässt sie sich leicht an der Halterung mit einbeziehen.
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1.7 Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die gewerbliche Nutzung ergibt sich aus den Einsatzmöglichkeiten für Entwicklungen, Produktionen, Vertrieb und Betreiberlösungen zu:
- 1. Aufbau und Produktion von Kompakt Wasserrädern in Komponentenbauweise, etwa als Außenbordsysteme oder In-Out-Systeme
- 2. zur Generierung von regenerierbarer Energie zur
• Nutzung von kinetischer Energie
• Generierung von Strom
- 3. zur Energiegewinnung für den Einbau in stationäre und mobile, schwimmende Geräte, Schiffe, Boote, Katamarane, Pontons und Schlauchboote
- 4. zum Antrieb für den Einbau in mobile, schwimmende Geräte, Schiffe, Boote, Katamarane, Schlauchboote und U-Boote
- 5. zur Hybridanwendung von Energiegewinnung und Antriebssystemen
- 6. zur Verbesserung der Manövrierfähigkeit von Schiffen und Booten
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2 Zeichnungen
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2.1 Legende zu allen Zeichnungen
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenachse
- 2
- Spulenrad
- 3
- Schaufelruder
- 4
- Zahnrad-Getriebe
- 5
- Große Zahnräder
- 6
- Achse Schaufelruder
- 7
- Zentrale Achse (auch innere zentrale Achse)
- 8
- Äußere kleine Zahnräder (auch mittlere Zahnräder)
- 9
- Inneres kleines Zahnrad (auch mittleres zentrales Zahnrad)
- 10
- Halterung, Rahmen, Gehäuse
- 11
- Absenkvorrichtung, Trimmvorrichtung
- 12
- Seitenruder/Drehachse zur Steuerung
- 13
- Stromgenerator/Antriebsaggregat
- 14
- Riemen-/Kettenantrieb
- 15
- Kettenantrieb zur Lenkung
- 16
- Befestigungspunkt z. B. Motorspiegel am Boot
- 17
- Seitenansicht der Ruder: senkrecht durchs Wasser
- 18
- Seitenansicht der Ruder: waagerecht über Wasser
- 19
- Beginn des 1. Umlaufs
- 20
- Ende des 1. Umlaufs
- 21
- Beginn des 2. Umlaufs
- 22
- Ende des 2. Umlaufs
- 23
- Beginn des nächsten Umlaufzyklus
- 24
- Durchnummerierte Stellungsfolge der Schaufelruder
- 25
- Drehrichtung
- 26
- Fließrichtung
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2.2 Liste aller Zeichnungen
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Alle Zeichnungen sind in Anlage 6. zum Antrag auf Erteilung eines Patents im Format Din A4 in schwarz-weiß ausgedruckt.
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Zeichnung 1: Kompakt Wasserrad, zweiseitig mit 4 rotierenden Schaufelrudern und Halterung
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Zeichnung 2: Kompakt Wasserrad, zweiseitig mit 4 rotierenden Schaufelrudern – Aufriss 1
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Zeichnung 3: Kompakt Wasserrad, zweiseitig mit 4 rotierenden Schaufelrudern – Aufriss 2
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Zeichnung 4: Kompakt Wasserrad, zweiseitig mit 4 rotierenden Schaufelrudern
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Zeichnung 5: Kompakt Wasserrad Beispiel zur Stromerzeugung
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Zeichnung 6 Kompakt Wasserrad, zweiseitig, senkrecht mit 4 rotierenden Schaufelrudern
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Zeichnung 7 Kompakt Wasserrad, einseitig, senkrecht mit 4 rotierenden Schaufelrudern
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Zeichnung 8 Idee – Ausgangsgedanke Stellung der Ruderblätter beim Ruderboot
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Zeichnung 9 Kompakt Wasserrad Getriebe für 4 rotierende Schaufelruder
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Zeichnung 10 Kompakt Wasserrad Getriebe für 2 rotierende Schaufelruder
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Zeichnung 11 Kompakt Wasserrad Getriebe für 3 rotierende Schaufelruder
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Zeichnung 12 Kompakt Wasserrad modifiziertes Getriebe für 3 Schaufelruder
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Zeichnung 13 Kompakt Wasserrad Getriebe für 5 rotierende Schaufelruder
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Zeichnung 14 Zweiseitiges Kompakt Wasserrad Beispiel zur Stromerzeugung
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Zeichnung 15 Kompakt Wasserrad Beispiel zum Schiffsantrieb
