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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einer Flügelanordnung, die zwei parallel zueinander ausgerichtete Flügel umfasst, mit einer Führungseinrichtung, die für eine linearbewegliche Führung der Flügel bei einer oszillierend gegenläufigen Hubbewegung der Flügel entlang eines jeweiligen Hubwegs ausgebildet ist und die einen maximalen Hubweg der Flügel bestimmt, mit Schwenkeinrichtungen, die jeweils zur Verschwenkung der Flügel um eine quer zum Hubweg ausgerichtete Schwenkachse aneinander entgegengesetzten Endbereichen des Hubwegs ausgebildet ist, sowie mit einer Getriebeanordnung, die für eine Umsetzung der Hubbewegungen der Flügel in eine unidirektionale Rotationsbewegung ausgebildet ist.
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Aus der
WO 2012/129007 A2 ist ein Windenergiekonverter zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie bekannt, bei dem jeweils endseitig mit Schubstangen verbundene Flügel paarweise einander zugeordnet sind und wobei die Schubstangen an einer Kurbelwelle angebracht sind, die mit einem Generator verbunden ist. Ferner sind Flügelhinterkanten der Flügel über Steuerstangen mit Linearmotoren verbunden, um eine Einstellung eines Anstellwinkels für die jeweiligen Flügel gegenüber dem anströmenden Wind zu ermöglichen. Dabei sind jeweils benachbart angeordnete Flügel an unterschiedlichen Schubstangen angebracht und mit unterschiedlichen Linearmotoren verbunden, sodass die benachbart angeordneten Flügel bei Vorliegen einer Windströmung derart gegenüber der Windströmung angestellt werden können, dass sie eine gegenläufig oszillierende Hubbewegung durchführen, die eine reversierende Linearbewegung der Schubstangen hervorruft. Die Schubstangen sind ihrerseits über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden und ermöglichen somit die Umsetzung der Hubbewegung der Flügel in eine unidirektionale Rotationsbewegung, mit deren Hilfe ein elektrischer Generator angetrieben werden kann. Dabei überfährt eine Gelenkverbindung zwischen der jeweiligen Pleuelstange und der Kurbelwelle eine Kreisbahn in einer vorgebbaren Bewegungsrichtung, eine Veränderung dieser Kreisbahn ist nicht vorgesehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Strömungsmaschine bereitzustellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Schwenkeinrichtung für eine variable Einstellung eines Hubwegs ausgebildet ist, der wahlweise kleiner als der maximale Hubweg oder gleich dem maximalen Hubweg ist.
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Durch die Einstellung des Hubwegs für die Flügel kann eine vorteilhafte Anpassung der Hubbewegungen der Flügel an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschine gesteigert werden. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids, insbesondere Luft oder Wasser, ist davon auszugehen, dass eine maximale Geschwindigkeit der Flügel längs des Hubwegs geringer ist als bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Dementsprechend kann es bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten vorteilhaft sein, die Verschwenkung der Flügel um die Schwenkachse an einer anderen Stelle längs des Hubwegs einzuleiten, als dies bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten vorteilhaft ist. Dementsprechend ergeben sich je nach Windgeschwindigkeit unterschiedliche Schwenkpunkte für die Verschwenkung der Flügel längs des Hubwegs. Darüber hinaus kann durch die freie Einstellbarkeit der Schwenkpunkte längs des Hubwegs auch eine Einstellung der Länge des Hubwegs vorgenommen werden, da mit der Verschwenkung der Flügel und die daraus resultierende Veränderung des Anstellwinkels der Flüge gegenüber der Fluidströmung jeweils die Umkehrung der Bewegungsrichtung für die Flügel längs des Hubwegs eingeleitet wird. Durch die variable, insbesondere freie Einstellung, des Hubwegs mit Hilfe der entsprechend ausgebildeten Schwenkeinrichtungen kann somit eine vorteilhafte Anpassung an unterschiedliche Anströmsituationen zwischen Fluidströmung und Strömungsmaschine gewählt werden. Bei dem Fluid kann es sich wahlweise um ein Gas, vorzugsweise Luft, oder um eine Flüssigkeit oder um Dampf, insbesondere Wasserdampf, handeln.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Getriebeanordnung derart eingerichtet ist, dass sie die Bereitstellung der unidirektionalen Rotationsbewegung an eine Abtriebswelle unabhängig vom eingestellten Hubweg gewährleistet. Die Getriebeanordnung erfüllt die Aufgabe einer Umsetzung der linearen Hubbewegungen der Flügel in eine Rotationsbewegung, die zur Nutzung an einem elektrischen Generator oder an einer Pumpe, insbesondere einer Fluidpumpe, genutzt werden kann. Um eine Umsetzung der im strömenden Fluids enthaltenen Energie in Rotationsenergie für die Abtriebswelle mit einem hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Abtriebswelle und der nachgeschaltete Generator beziehungsweise die nachgeschaltete Pumpe stets in der gleichen Drehrichtung, also unidirektional, betrieben werden können. Dementsprechend ist die Getriebeeinrichtung durch geeignete technische Mittel derart ausgebildet, dass sie unabhängig vom eingestellten Hubweg für die Flügel stets die benötigte unidirektionale Rotationsbewegung bereitstellt.
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Beim Stand der Technik ist ebenfalls eine Umsetzung der Linearbewegungen der Flügel in eine unidirektionale Rotationsbewegung vorgesehen. Allerdings ist beim Stand der Technik keine freie Einstellung des Hubwegs möglich, da auf Grund der Ausgestaltung der bekannten Getriebeanordnung als Kombination von Pleuelstangen und einer Kurbelwelle ein fest vorgegebener Hubweg für die Flügel vorliegt. Dementsprechend kann beim Stand der Technik weder eine freie Einstellung des Hubwegs noch eine freie Einstellung der Schwenkpunkte für die Flügel vorgenommen werden, da die Bereitstellung einer unidirektionale Rotationsbewegung der Kurbelwelle stets gewährleistet werden muss.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungseinrichtung ein ringförmig umlaufendes Zugmittel zugeordnet ist, das zwei beabstandet zueinander an der Führungseinrichtung angeordnete Umlenkrollen umschlingt und mit dem die Flügel verbunden sind, um eine Zwangskopplung der Flügel zu gewährleisten. Bei dem ringförmig umlaufenden Zugmittel kann es sich beispielsweise um einen Keilriemen oder Zahnriemen handeln, der für eine Übertragung von Zugkräften zwischen den beiden Flügeln ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Flügel vorzugsweise an im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Zugmittelabschnitten angebracht, die sich jeweils zwischen den beiden beabstandet angeordneten Umlenkrollen erstrecken. Der Abstand zwischen den Umlenkrollen bestimmt den maximalen Hubweg für die Flügel, da keine Umlenkung der Flügel um die Umlenkrollen vorgesehen ist, insbesondere da eine Schrägstellung der Flügel zueinander längs des Hubwegs nicht gewünscht ist und da das Zugmittel zur Anbringung der Flügel mit Adaptern versehen ist, die eine Umlenkung dieses Bereichs des Zugmittels um die Umlenkrollen verhindern. Vorteilhaft ist es, wenn das Zugmittel als Zahnriemen ausgebildet ist und wenigstens eine der Umlenkrollen als Zahnrad ausgeführt ist, um eine schlupffreie Kraftübertragung zwischen dem Zugmittel und der jeweiligen Umlenkrolle zu bewirken.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Getriebeanordnung mit wenigstens einer der Umlenkrollen gekoppelt ist und dass zwischen der Umlenkrolle und einer Abtriebswelle der Getriebeanordnung ein drehrichtungsabhängig wirkender Freilauf angeordnet ist. Die Aufgabe des Freilaufs besteht darin, eine Gleichrichtung der oszillierenden Hubbewegung der Flügel in die gewünschte unidirektionale Rotationsbewegung an der Abtriebswelle der Getriebeanordnung zu gewährleisten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die als Zahnrad ausgeführte Umlenkrolle mit der Getriebeanordnung gekoppelt ist, um eine Ableitung der von den Flügeln auf das Zugmittel eingeleiteten Zugkräfte an die Abtriebswelle der Getriebeanordnung zu ermöglichen.
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Beispielsweise kann der Freilauf eine Sperrklinkenanordnung umfassen, die in einer ersten Rotationsrichtung eine Drehmomentübertragung zwischen Umlenkrolle und Abtriebswelle ermöglicht und in einer zweiten Rotationsrichtung eine zumindest nahezu drehmomentfreie bzw. reibungsarme Relativbewegung zwischen Umlenkrolle und Abtriebswelle ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn beiden Umlenkrollen jeweils ein drehrichtungsabhängig wirkender Freilauf zugeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Freiläufe der jeweiligen Umlenkrollen hinsichtlich ihrer Freilaufeigenschaften gegensinnig ausgeführt sind. Somit ist gewährleistet, dass in jeder Phase der oszillierend gegenläufigen Hubbewegung der Flügel, der dadurch bewirkten linearen Reversierbewegung des Zugmittels und der daraus resultierenden Schwenkbewegungen der Umlenkrollen eine stets gleichsinnige Drehmomentübertragung auf die Abtriebswelle der Getriebeanordnung stattfindet. Somit kann ein nachgeschaltet angeordneter Generator beziehungsweise eine nachgeschaltet angeordnete Pumpe mit einer unidirektionalen Rotationsbewegung angetrieben werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Freiläufe jeweils koaxial zu den Umlenkrollen angeordnet sind und über Kopplungsmittel, bevorzugt über weitere Zugmittel, insbesondere mittels Zahnriemen, mit der gemeinsamen Abtriebswelle verbunden sind. Durch die Zuordnung der Freiläufe zu den Umlenkrollen können die bewegten Massen innerhalb der Getriebeanordnung geringgehalten werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Führungseinrichtung eine Führungsschiene umfasst, an der für jeden Flügel jeweils ein Schlitten schiebebeweglich angeordnet ist. Die Schlitten dienen der Aufnahme und Übertragung von Reaktionskräften der Flügel, die sich auf Grund des strömenden Fluids ergeben, auf die Führungsschiene. Dabei handelt es sich beispielsweise um quer zur Hubbewegung und quer zur Schwenkachse der Flügel ausgerichtete Fluidwiderstandskräfte, die durch die Anströmung der Flügel mit dem strömenden Fluid hervorgerufen werden. Vorzugsweise umfasst die Führungsschiene eine oder mehrere Führungsbahnen, auf denen Führungsrollen der Führungsschlitten rollwiderstandsarm abrollen können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass am wenigstens einem Endpunkt des Hubwegs ein elastischer Energiespeicher für eine zeitweilige Zwischenspeicherung der Bewegungsenergie der Flügel angeordnet ist. Mit Hilfe des Energiespeichers kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine erzielt werden. Mit Hilfe des Energiespeichers wird die kinetische Energie der Flügel während der Umkehr der Bewegungsrichtung der Flügel zunächst während einer Abbremsung der Flügel in dem Energiespeicher aufgenommen, anschließend wird eine Beschleunigung der Flügel in entgegengesetzter Richtung von der im Energiespeicher zwischengespeicherten Bewegungsenergie unterstützt. Bei dem Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen elastischen Energiespeicher, insbesondere in Form einer Wendelfeder aus einem elastischen Material wie Metall oder Kunststoff, einer Gasfeder oder einem elastischen Kunststoffblock. Vorzugsweise ist eine Kompressibilität des elastischen Energiespeichers derart ausgebildet, dass zumindest innerhalb eines gewissen Umkehrbereichs für den jeweiligen Flügel stets eine zumindest anteilige Zwischenspeicherung von Bewegungsenergie gewährleistet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Flügel zumindest einen freien Endbereich aufweist und abseits des ersten Endbereichs, insbesondere mit einem zweiten Endbereich, an der Führungseinrichtung angebracht ist. Während beim Stand der Technik eine Führung der Flügel aneinander entgegengesetzten Endbereichen vorgesehen ist, wird der Flügel bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine wahlweise an einem zweiten Endbereich oder in einem mittleren Bereich zwischen zwei Endbereichen geführt. Hierdurch werden fluiddynamische Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erzielt, die mit den Strömungsverhältnissen an den Flügelenden zusammenhängen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Flügel in der Flügelmitte an der Führungseinrichtung anzukoppeln, da hierdurch eine vorteilhafte Symmetrie der Strömungsmaschine bei gleichzeitiger freier Gestaltungsmöglichkeit für die Flügelenden gewährleistet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwenkeinrichtung als elektrisch oder fluidisch betreibbarer Drehantrieb ausgebildet ist. Bei dem Drehantrieb kann es sich beispielsweise um einen Schrittmotor, einen Getriebemotor, einen fluidisch betreibbaren Drehkolbenantrieb oder einen Fluidzylinder handeln, mit deren Hilfe eine besonders kompakte Ausgestaltung der Schwenkeinrichtung ermöglicht wird. Dementsprechend können die Flügel und die damit verbundenen Schwenkeinrichtungen in fluiddynamischer Hinsicht besonders vorteilhaft ausgebildet werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Drehantrieb eine Steuerungseinrichtung zugeordnet ist, die für eine Ansteuerung der Schwenkeinrichtung in Abhängigkeit von einer Hubgeschwindigkeit der Flügel ausgebildet ist. Eine Ermittlung der Hubgeschwindigkeit der Flügel kann beispielsweise mit Hilfe eines Wegmesssystems oder mittels Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitssensoren an den Flügeln vorgenommen werden. Die Hubgeschwindigkeit der Flügel bestimmt den Umkehrpunkt für die Verschwenkung der Flügel, um damit den Hubweg und die Frequenz der oszillierenden, gegenläufigen Hubbewegung für die Flügel zur besonders effizienten Ausnutzung der Fluidströmung zu bestimmen. Vorteilhaft ist es, wenn in der Steuerungseinrichtung eine Wertetabelle oder ein Algorithmus hinterlegt ist, anhand dessen der Hubweg und die Schwenkpunkte für die Flügel in Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit vorgegeben sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine gelöst. Dabei umfasst die Strömungsmaschine ein Flügelpaar zur Durchführung einer gegensinnigen Flügelbewegung und das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines ersten Ansteuersignals von einer Steuerungseinrichtung an Drehantriebe, die jeweils zur Einstellung eines Anstellwinkels eines Flügels ausgebildet sind, um einen ersten Umkehrpunkt für eine Bewegung des jeweiligen Flügels längs eines Hubwegs zu bestimmen, Durchführung einer Veränderung der Anstellwinkel der Flügel mittels der Drehantriebe, um eine Richtungsumkehr für eine Hubbewegung der Flügel zu bewirken, Bereitstellen eines zweiten Ansteuersignals von der Steuerungseinrichtung an die Drehantriebe, um einen Anstellwinkel der Flügel zu beeinflussen und eine neuerliche Richtungsumkehr für eine Hubbewegung der Flügel zu bewirken, wobei die Änderung des Anstellwinkels frei einstellbar ist, um eine freie Einstellung des Hubwegs zu ermöglichen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Strömungsmaschine im zusammengebautem Zustand und in einer ersten Flügelstellung,
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2 eine zweite perspektivische Darstellung der Strömungsmaschine gemäß 1 mit abgenommener Verkleidung in einer zweiten Flügelstellung,
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3 eine schematische Darstellung der Strömungsmaschine gemäß den 1 und 2 in einer Vorderansicht,
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4 eine Seitenansicht der Strömungsmaschine gemäß 3 und
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5 eine Rückansicht der Strömungsmaschine gemäß 3
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Eine in den 1 bis 5 dargestellte Strömungsmaschine 1 weist eine Flügelanordnung 2 auf, die exemplarisch zwei parallel zueinander ausgerichtete Flügel 3, 4 umfasst. Die Flügel 3, 4 sind an einer Führungseinrichtung 5 linearbeweglich aufgenommen, wie sie in den 2 bis 5 näher dargestellt ist. Die Führungseinrichtung 5 ist an einem Maschinensockel 6 angebracht, der beispielsweise für eine Befestigung an einem nicht dargestellten Fundament oder Gebäude vorgesehen ist. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Führungseinrichtung 5 drehbar am Maschinensockel 6 um eine Drehachse 7 gelagert ist, die ein Ein- oder Ausschwenken der Flügelanordnung 2 in einen bzw. aus einem nicht dargestellten Fluidstrom ermöglicht.
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Exemplarisch umfassen die Flügel 3, 4 jeweils zwei Flügelteile 8, 9 und 10, 11, die jeweils an einem inneren Endbereich mit der Führungseinrichtung 5 verbunden sind und ansonsten freitragend ausgebildet sind. Dementsprechend weisen die aus den Flügelteilen 8, 9 und 10, 11 gebildeten Flügel 3, 4 jeweils außenliegende freie Endbereiche 12 auf. Die Führungseinrichtung 5 umfasst in den 2 bis 5 näher dargestellte Schwenkeinrichtungen 15, 16, die zur Verschwenkung der Flügel 3, 4 um Schwenkachsen 17, 18 ausgebildet sind. Exemplarisch sind die Flügel 3, 4 längs der jeweiligen Schwenkachsen 17, 18 mit einer konstanten Profilierung versehen und weisen somit in Querschnittsebenen, die normal zu den Schwenkachsen 17, 18 ausgerichtet sind, stets den gleichen Querschnitt auf.
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Durch die Verschwenkung der Flügel 3, 4 um die jeweilige Schwenkachse 17, 18 ergibt sich bezogen auf eine nicht dargestellte Fluidströmung ein Anstellwinkel 20, 21 für jeden der Flügel 3, 4, wie er rein exemplarisch in der 1 bezogen auf eine Horizontalebene 19, in der das Fluid beispielhaft strömen könnte, angegeben ist. Vorzugsweise ist der jeweilige Anstellwinkel 20, 21 gegenüber der angenommenen Fluidrichtung in der Horizontalebene 19 derart gewählt, insbesondere spiegelsymmetrisch zur Horizontalebene, dass durch eine fluiddynamische Wechselwirkung zwischen dem jeweiligen Flügel 3, 4 und dem Fluid eine Reaktionskraft auf den jeweiligen Flügel 3, 4 einwirkt, die zu einer gegenläufigen Hubbewegung der beiden Flügel 3, 4 führt. Bei der Flügelstellung, wie sie in der 1 dargestellt ist, ergibt sich bei einer Fluidströmung in der Horizontalebene 19 entsprechend dem Strömungspfeil 22 eine Auftriebskraft für den oberen Flügel 3 sowie eine Abtriebskraft für den unteren Flügel 4. Dementsprechend führt der Flügel 3 eine Bewegung aus, die gemäß der Darstellung der 1 in vertikaler Richtung nach oben gerichtet ist, während der Flügel 4 eine Bewegung ausführt, die gemäß der Darstellung der 1 in vertikaler Richtung nach unten gerichtet ist.
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Solange der jeweilige Anstellwinkel 20, 21 für den entsprechenden Flügel 3, 4 beibehalten wird, wirken die entsprechenden Auftriebskräfte beziehungsweise Abtriebskräfte. Da jedoch der Hubweg, der als maximaler Abstand der beiden Flügel 3, 4 durch die Führungseinrichtung 5 bestimmt wird, begrenzt ist, muss zu einem geeignetem Zeitpunkt eine Veränderung des jeweiligen Anstellwinkels 20, 21 vorgenommen werden, um aus der Entfernungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 eine Annäherungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 zu bewirken. In gleicher Weise muss zu einem geeignetem Zeitpunkt eine Veränderung des jeweiligen Anstellwinkels 20, 21 vorgenommen werden, um die Annäherungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 in ein Entfernungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 umzukehren. Durch zyklische Wiederholung der Veränderung des Anstellwinkels 20, 21 für die Flügel 3, 4 kann eine oszillierend gegenläufige Hubbewegung der Flügel entlang eines durch die Führungseinrichtung 5 bestimmten maximalen Hubwegs 23 bewirkt werden.
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Erfindungsgemäß sind die Schwenkeinrichtungen 15, 16 sowie eine in den 3 bis 5 näher dargestellte Getriebeeinrichtung 24 für eine freie Einstellung des Hubwegs für die Flügel 3, 4 eingerichtet. Dabei ist die Getriebeeinrichtung 24 für eine Bereitstellung einer unidirektionalen Rotationsbewegung einer Abtriebswelle 45 ausgebildet. Durch die zyklisch wiederkehrende Veränderung der beiden Anstellwinkel 20, 21 für die Flügel 3, 4 kann in Zusammenarbeit mit der Führungseinrichtung 5 und der Getriebeeinrichtung 24 ein nicht näher dargestellter Generator beziehungsweise eine nicht näher dargestellte Pumpe an der Abtriebswelle 45 angeschlossen werden, um aus dem Fluidstrom ausgekoppelte Bewegungsenergie in elektrische Energie oder fluidische Bewegungsenergie umzusetzen.
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Auf Grund der freien Einstellbarkeit des Hubwegs für die Flügel 3, 4 ist eine vorteilhafte Anpassung der Strömungsmaschine 1 an unterschiedliche Fluidströmungsrichtungen und Fluidströmungsgeschwindigkeiten möglich, wodurch ein vorteilhafter Wirkungsgrad für die Auskopplung von fluidischer Energie aus dem Fluidstrom ermöglicht wird. Darüber hinaus kann vorgesehen werden, dass die Anstellwinkel 20, 21 für die Flügel 3, 4 je nach Bewegungsrichtung der Hubbewegung betragsmäßig unterschiedlich für die beiden Flügel 3, 4 eingestellt wird, um beispielsweise Gewichtskrafteinflüsse zumindest teilweise zu kompensieren und somit eine symmetrische Belastung der Führungseinrichtung 5 und der Getriebeeinrichtung 24 zu erzielen.
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Wie schematisch aus den 2 bis 5 entnommen werden kann, ist jeder der Flügel 3, 4 zentral an einem Schlitten 28, 29 aufgenommen, der seinerseits linearbeweglich an einer Führungsschiene 30 angeordnet ist. Die Schlitten 28, 29 tragen jeweils die Schwenkeinrichtungen 15, 16, bei denen es exemplarisch um elektrisch betreibbare Servomotoren mit Getriebeeinrichtung handelt, die eine Verschwenkung der jeweiligen Flügel 3, 4 in einem Schwenkbereich von plus/minus 60 Grad ermöglichen. Um eine einfache mechanische Synchronisierung der gegenläufigen Hubbewegung der beiden Flügel 3, 4 zu gewährleisten, sind die Schlitten 28, 29 jeweils an einem umlaufenden Zugmittel 31, beispielsweise einem Zahnriemen, festgelegt. Das Zugmittel 31 wird an voneinander beabstandeten, lediglich in den 3 bis 5 näher dargestellten Umlenkrollen 32, 33 umgelenkt, deren Rotationsachsen 34, 35 auch in der 2 dargestellt sind.
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Für die Gegenläufigkeit der Bewegungen der Flügel 3, 4 ist der Schlitten 28 an einem ersten geradlinigen Abschnitt 35 des Zugmittels 31 angebracht, während der Schlitten 29 des zweiten Flügels 4 an einem zweiten geradlinigen Abschnitt 36 des Zugmittels 31 angebracht ist. Exemplarisch wird der maximale Hubweg 23 durch zwei an entgegengesetzten Enden der Führungsschiene 30 angebrachte Energiespeicher 37, 38 begrenzt, die beispielhaft als Wendelfedern aus Stahldraht ausgebildet sind. Bei einer Annäherung der jeweiligen Schlitten 28, 29 an die entsprechenden Energiespeicher 37, 38 wird die jeweilige Wendelfeder komprimiert und ermöglicht dadurch eine Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des jeweiligen Flügels 3, 4, bis auf Grund der Veränderung des jeweiligen Anstellwinkels 20, 21 aus der Entfernungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 eine Annäherungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 wird. Hierbei geben die jeweiligen Energiespeicher 37, 38 die gespeicherte Energie wieder an die jeweiligen Flügel 3, 4 ab, sodass diese besonders effizient in die Gegenrichtung der bisherigen Bewegung umgesteuert werden können.
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Um aus der oszillierend gegenläufigen Hubbewegung der beiden Flügel 3, 4 und der damit zwangsläufig verknüpften Reversierbewegung des Zugmittels 31 eine unidirektionale Rotationsbewegung abzuleiten, sind den Umlenkrollen 32, 33 jeweils Freiläufe 39, 40 zugeordnet. Diese Freiläufe 39, 40 ermöglichen jeweils eine Drehmomentübertragung in einer ersten Drehrichtung der zugeordneten Umlenkrolle 32, 33 sowie eine relative, reibungsarme und zumindest nahezu drehmomentfreie Verdrehung gegenüber der zugeordneten Umlenkrolle 32, 33 in einer zweiten Drehrichtung. Wie aus der Darstellung der 4 entnommen werden kann, sind die beiden Freiläufe 39, 40 über Zahnriemen 41, 42 mit Riemenscheiben 43, 44 gekoppelt. Dabei ist die Riemenscheibe 43 drehfest auf einer Abtriebswelle 45 angebracht, während die Riemenscheibe 44 drehfest auf einer Zwischenwelle 25 angeordnet ist. Die Zwischenwelle 25 ist für eine Drehrichtungsumkehr mit einem Stirnrad 55 versehen, das in ein korrespondierendes Stirnrad auf der Abtriebswelle eingreift. Dabei bilden die Freiläufe 39, 40 zusammen mit den Zahnriemen 41, 42, den Riemenscheiben 43, 44, den Stirnrädern 55, der Zwischenwelle 25 und der Abtriebswelle 45 die Getriebeeinrichtung 24.
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Durch die gegensinnige Ausgestaltung der Freilaufrichtungen der Freiläufe 39, 40 erfolgt beispielsweise bei einer Entfernungsbewegung der beiden Flügel 3, 4 eine Drehmomentübertragung von der oberen Umlenkrolle 32 und den zugeordneten Freilauf 39 über den Zahnriemen 41, die Zwischenwelle 25 und die Stirnräder 55 auf die Abtriebswelle 45, während die untere Umlenkrolle 33 bei dieser Bewegung durch den Freilauf 40 frei drehbeweglich gegenüber der Abtriebswelle 45 gelagert ist. Demgegenüber erfolgt bei einer Annäherungsbewegung der Flügel 3, 4 eine Drehmomentübertragung von der Umlenkrolle 33 auf den zugeordneten Freilauf 40 und den Zahnriemen 42 an die Antriebswelle 45, während die obere Umlenkrolle 32 bei dieser Bewegung durch den Freilauf 39 frei drehbeweglich gegenüber der Abtriebswelle 45 gelagert ist. Dementsprechend wird an der Abtriebswelle 45 stets eine exemplarisch in der 5 im Urzeigersinn eingezeichnete unidirektionale Rotationsbewegung abgegeben. Durch die Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung 24 mit den Freiläufen 39, 40 ist kein Mindesthubweg für die Getriebeeinrichtung 24 zu Grunde zulegen, um die gewünschte unidirektionale Rotationsbewegung an der Abtriebswelle 45 bereitstellen zu können, vielmehr kann auch bei minimalem Hubweg der beiden Flügel 3, 4 die unidirektionale Rotationsbewegung an der Abtriebswelle 45 bereitgestellt werden.
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Für die nachstehende Beschreibung einer vorteilhaften Betriebsweise für die Strömungsmaschine 1 werden folgende Annahmen getroffen: die in den 3 bis 5 dargestellte Beabstandung der Flügel 3, 4, bei der bereits ein Kontakt der Schlitten 28, 29 mit den als Wendelfedern ausgeführten Energiespeichern 37, 38 vorliegt, entspricht zumindest nahezu dem maximalen Hubweg 23. Ein minimaler Abstand zwischen den Flügeln 3 und 4 wird exemplarisch durch einen an der Führungsschiene 30 angeordneten zentralen Energiespeicher 46 bestimmt, der auf einander entgegengesetzten Seiten ebenfalls mit Wendelfedern ausgerüstet ist. Der durch den zentralen Energiespeicher 46 festgelegte minimale Abstand der Flügel 3, 4 ist so bemessen, dass die Flügel bei minimalem Abstand noch einen ausreichenden Anstellwinkel für die Entfernungsbewegung zueinander einnehmen können.
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Ausgehend von der in den 3 bis 5 dargestellten Situationen, bei der sich die Flügel 3, 4 in maximalem Abstand zueinander befinden und die Anstellwinkel 20, 21 für die Flügel 3, 4 zu null gewählt sind, sodass die beiden Flügel 3, 4 unter der Voraussetzung einer horizontalen Fluidströmung keine Auftriebs- oder Abtriebskräfte entwickeln, findet rein exemplarisch zunächst eine Schwenkbewegung der Flügel 3, 4 um die Schwenkachsen 17, 18 dergestalt statt, dass Flügelvorderkanten 47, 48 aufeinander zubewegt werden, während Flügelhinterkanten 49, 50 voneinander wegbewegt werden. Dementsprechend ergibt sich eine spiegelbildliche Ausrichtung der beiden Flügel 3, 4 und es treten durch die Wechselwirkung der Flügel 3, 4 mit der exemplarisch in horizontaler Richtung auf die Flügelvorderkanten 47, 48 auftreffenden Fluidströmung Reaktionskräfte auf, die zu einer Annäherungsbewegung der Flügel 3, 4 führen. Bei dieser Annäherungsbewegung findet eine Krafteinleitung auf das Zugmittel 31 statt, das die Umlenkrollen 32 und 33 umschlingt. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Freiläufe 39, 40 wird über einen der Zahnriemen 41, 42 das an den Umlenkrollen 32, 33 anliegende Drehmoment auf die Abtriebswelle 45 übertragen. Bei Unterschreitung eines vorgebbaren Mindestabstands zwischen den beiden Flügeln 3, 4 wird durch geeignete Ansteuerung der Schwenkeinrichtung 15, 16 eine Umsteuerung der beiden Flügel 3, 4 vorgenommen. Diese Schwenkbewegung der Flügel 3, 4 findet vorzugsweis vor Erreichen des minimalen Abstands zwischen den beiden Flügeln 3, 4 statt. Exemplarisch haben die Flügel 3, 4 bei Auftreffen der beiden Schlitten 28, 29 auf den zentralen Energiespeicher 46 bereits ihre neue Ausrichtung gegenüber der Fluidströmung eingenommen und es wird eine der bisherigen Linearbewegung entgegengesetzte, neue Linearbewegung der beiden Flügel im Sinne einer Entfernungsbewegung eingeleitet.
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Bei dieser nachfolgenden Entfernungsbewegung wird durch die Auftriebs- beziehungsweise Abtriebskräfte der Flügel 3, 4, die auf das Zugmittel 31 eingeleitet werden, ein Drehmoment über die Umlenkrollen 32, 33 auf die Freiläufe 39, 40 übertragen und wechselseitig von einem der beiden Freiläufe, der sich bei der entsprechenden Bewegung in seiner Sperrrichtung befindet über den jeweiligen Zahnriemen 41, 42, im Falle des Zahnriemens 41 unter Zwischenschaltung der Zwischenwelle 25 und der Stirnräder 55, auf die Abtriebswelle 45 übertragen.
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Vor Erreichen des maximalen Hubwegs wird in Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit der Flügel 3, 4, die im unmittelbarem Zusammenhang mit dem gewählten Anstellwinkel und der Geschwindigkeit der Fluidströmung steht, eine neuerliche Schwenkbewegung über die Schwenkeinrichtungen 15, 16 auf die Flügel 3, 4 eingeleitet, damit die Flügel 3, 4 bei Erreichen der jeweiligen Energiespeicher 37, 38 bereits den jeweils neuen Anstellwinkel gegenüber der Fluidströmung einnehmen bzw. eingenommen haben und aus der gegensinnigen Entfernungsbewegung wieder in eine gegensinnige Annäherungsbewegung übergehen.
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Durch die Verwendung der Schwenkeinrichtungen 15, 16 kann neben einer freien Einstellung des Hubwegs für die Flügel 3, 4 auch eine unterschiedliche Einstellung der Anstellwinkel 20, 21 für die Flügel 3, 4 vorgesehen werden, beispielsweise um eine möglichst symmetrische Belastung des Zugmittels 31 während der Annäherungs- und Entfernungsbewegung des Flügel 3, 4 zu gewährleisten. Hierzu kann beispielsweise jeweils der Anstellwinkel des Flügels 3, 4, der eine Bewegung in vertikaler Richtung abwärts durchführt, geringer gewählt werden als der Anstellwinkel des Flügels 3, 4, der eine Aufwärtsbewegung in vertikaler Richtung durchführt, um eine zumindest teilweise Kompensation der Gewichtskraft des jeweiligen Flügels 3, 4 zu ermöglichen.
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Exemplarisch sind für die Einstellung der Anstellwinkel 20, 21 der Flügel 3, 4 die Schwenkeinrichtung 15, 16 über Steuerleitungen 51, 52 mit einer Steuerungseinrichtung 53 verbunden, bei der es sich beispielhaft um einen Microcontroller handeln kann, der mit einer geeigneten Endstufe zur Bereitstellung von elektrischen Strömen an die Schwenkeinrichtungen 15, 16 versehen ist. Ferner ist der Steuerungseinrichtung 53 ein Wegmesssystem 54 zugeordnet, das eine Ermittlung der Position wenigstens eines der Flügel 3, 4 längs der Führungsschiene 30 ermöglicht, um daraus durch zeitliche Ableitung auch die Hubgeschwindigkeit für die Flügel 3, 4 zu ermitteln und in Abhängigkeit von der ermittelten Hubgeschwindigkeit die Positionen für die Verschwenkung der Flügel 3, 4 längs des Hubwegs 23 vorgeben zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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