DE1650772A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung in fliessfaehigen Medien(Fluiden) - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung in fliessfaehigen Medien(Fluiden)Info
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Description
H SCHROET.ER-K.LEHWANN
patenta; ; vÄtTE
8 München 25 . Lipowskystr. 10 ' ..1650772
td-ΐθ-ΐο
1.9. 3 i 1968
Guy LBl)ERLIK, 6 rue d'Auteuil, Paris i61Äme-/ Prankreich
Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung in fließfähigen
Medien (Fluiden)
Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Energie in fließfähigen ,medien (Fluiden).
Es ist bekannt, daß zu diesem Zweck bereits verschiedene als Antriebsmaschinen
oder Generatoren wirkende Vorrichtungen konstruiert sind, die ortsfest oder beweglich aufgestellt sein können. |
Die Erfindung betrifft demgegenüber insbesondere die Umwandlung von Energie in Fluiden mittels selbständiger Vorrichtungen, die
bewegliche Flügelzellen aufweisen, welche Variationen der Geschwindigkeit
hervorrufen, die dem Milieu übertragen werden.
Bei den üblichen Vorrichtungen dieser Art hat der abfließende
Strom geradlinige Tendenz, und die dem Milieu mitgeteilte Varia-
00988S/0090
.2 -
tion der Geschwindigkeit pflanzt sich in der gleichen Richtung
während einer gewissen Zeit nach dem Durchlaufen der 7/iricungsebene
der Flügelzelle. fort.
Da nun die gesuchte Variation proportional dem Durchsatz und der
Geschwindigkeitsvariation ist, die sie verursacht, und da die · daraus entstehende leistung im umgekehrten Verhältnis zur Zeitdauer dieser Variation ist, versucht man diesen Kachteil"zu vermeiden,
indem man eine-Divergenz der Abströmung mit Hilfe von
künstlichen Änderungen der charakteristischen Abströmung der
Flügelzelle hervorruft.
Demgegenüber hat die Erfindung zum Ziel, die Divergenz=des Stronabflusaes
mittels der Eigenströmung einer beweglichen Flügelzelle herbeizuführen, die aus mindestens einer gekrümmten= Fläche beisteht,
und zwar mittels eines neuartigen Verfahrens zur Energieumwandlung, das die Zähigkeit der Flüssigkeiten ausnutzt.
Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren zur Energieumformung
in Fluiden mit Hilfe einer Flügelzelle, die mindestens
eine gekrümmte Fläche aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß zur Herbeiführung der Energieumwandlung mit dieser gekrümmten Fläche mit Hilfe dieser Fläche ein Wirbelpaar erzeugt und auf-
00988570090
rechterhalten wird, das im Inneren der Wirkungsebene dieser Fläche
gelegen Iet und das einem Schnitt duroh eine in sich zurücklaufende
Wirbelröhre entspricht, wobei das Wirtelpaar die Energie,
die es sammelt, -wieder abgibt« indem es gleichzeitig und proportional die WBlbf lache der gekrümmten Fläche beströmt, wodurch
jedes Abreißen des Stromfadens an dieser Stelle verhindert wird»
Auf diese leisenützt dieses Verfahren die Strömungswirkung eine«
Taars in Abstand voneinander befindlicher Wirbel aus. ^Dieser Effekt konzentriert nun, indem er die Geschwindigkeit dös Fluidume
durch die starken Neigungen» die er der genannten Fläche gestattet, erheblich variiert, weil er ja das Abreißen der Strömung an
der Wölbfläche *verhindert, den Fluiddurcnaatz, der die Wirkungeebene
quert, und lenkt ihn stärk in Abetrömrichtung um.
ITach einem weiteren Merkmal des oben definierten Verfahrens wird
das gesuchte Strömen des fließfähigen Mediums herbeigeführt, indem '"
StrömungsSingularitäten erzeugt werden, die die folgenden Merkmale
auf weisem _:y -:' : \:^ "- -:\ \ ":..;"■"'.. v ".;" " "■".
a) die Zirkulationsgeechwindigkeii in dem Fluldum um das irofil
jeder gekrümmten Fläche kehrt sich periodisch um und kann
insbesondere osaiHierend verlaufen$
b) 3ede Gegenssirkulation, die dadurch-entsteht, hat ihr Zentrum
in ,jedem Punkt in begrenztem Abstand von der Abreißkante dieser
Fläche. ■; "".... :-■■■· "·■'..,·■ ■'"-. -. . ' ■.."■'"■"■ :■■■■'■ ■",·. '■-.'". ■-.":. _ :■■
'ΟΟ0Ϊ8'5/-ΟΌ'0Ο
Die Erfindung betrifft ferner eine besondere Auaführungsweise
dieses Verfahrens, und diese Ausführungsweise ist dadurch gekennzeichnet, daß man die gekrümmte Fläche der benutzten Flügelzelle
zwei Schlagbewegungen ausführen läßt, von denen axe eine
quer zur Flügelzelle verläuft, während die andere eine Drehbewegung
ist, wobei diese Sclilagbewegungen unter anderem folgende
Besonderheiten aufweisen?
a) der Verschlag ist in zwei at*# zueinander und zu der
Spannweite jeder gekrümmten Fläche der Flüf;elzelle orthogonale
Richtungen zu zerlegen, wobei eine der beiden Komponenten mit großer Amplitude eine Frequenz hat, die uii. die Hälfte kleiner ist
als die d.er anderen Komponente mit kleiner Amplitude;
b) die Rotationsschwingung ist beliebig wählbar und hat eine
Frequenz, die mit dei der Komponente mit großer Amplitude αer
^uerscnwingung übereinstimmt, dieser gegenüber aber um ungefähr
eine halbe Periode pnasenverschoben ist;
c) Größenordnung und Richtung der beiden Schwingungen sind so,
daß die Ränder des i-rofils der gekrümmten Fläcne der Flügelzelle
in jedem Augenblick in ihrer Anwendungsweise differenziert sind;
. d) Amplitude und Frequenz der beiden Schwingungen sind in
einem Bereich derart gewählt, daß das Wirbelpaar der Strömung des Fluidums einheitlich und zusammenhängend erhalten werden kann,
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und zwar nach Maligabe der konstanten Großen "gekrümmte Fläche"
und "benutztes B1IuIdUm" und der variablen Größe "relative Translationsgeschwindigkeit
des benutzten Wandlers".
Abgesehen von dem so gewonnenen guten dynamischen Gleichgewicht,
erlaubt die Ausführungsform des Verfahrens die Verwendung von
gekrümmten J? lach en mit konventioneller Angriffskante und Zentrierung*
.
Weiterer Erfindungsgegenstand ist eine Vorrichtung zur Ausübung
des oben definierten Verfahrens zwecks Umwandlung von Energie in
fließfähigen Medien. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist mindestens eine schaufel- oder flügelförmig gekrümmte
Fläche vorgesehen, die an ihrem Fußpunkt durch mindestens eine Pleuelstange geführt ist, die mit ihren Enden jeweils an
dem .Kurbelzapfen je eines Kurbelarms angebracht ist; die ivurbel-
arme sind gleichlang und drehen sich im Gegensinn in ein und derselben
Ebene (oder etwa ein und derselben Ebene) unter der gleichförmigen Einwirkung der Pleuelstange oder unter einer wechselnden
Bewegung der Pleuelstange und einer Welle oder eines Zahnrades, oder auch unter der gleichförmigen Bewegung der Pleuelstange und
einer/eines an jedem Kurbelarm befindlichen Welle/Zahnrads, wobei die derart geführte gekrümmte Fläche neben ihrer wechselnden Dreh-
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bewegung noch eine in sich geschlossene Bahnkurve mit einem Schnittpunkt durchläuft.
Fig. T zeigt in zweidimensionaler Darstellung das erfindungsgemäße
Vorgehen zur Energieumwandlung; das './irbelpaar ist
durch gepfeilte Kurven veranschaulicht, die durch eine ',Virkungaebene einer gekrümmten Fläche laufen;' die Virkungsebene
ist durch einen kurzgestrichelten Abschnitt schematisch angedeutet (χ-,θν,ν,, , χ ι) und geteilt durch
el P D et
eine strichpunktierte Linie X- x, s , aie die Trenn-
^s ^s
fläche zwischen den beiden Wirbeln mit den Zentren Λ.
undAo darstellt.
Fig. 2 ist ein dreidimensionales Augenblicksbild eines Teils einer
gekrümmten Fläche K, die in einem Fluidum mit dem Be-
m ' obachter bewegt ist und eine von einem erfindungsgemäßen
Mittel hervorgebrachte Strömung hervorruft, die mit 4Λ
bezeichnet und mit gerichteten linien angedeutet ist, die die Fluidströmung darstellen.
Fig* 3a, b, c und d -geben in zweidimensionaler Darstellung und
unter Bezugnahme auf das statische Arbeiten eines landlers
Beispiele für die Entwicklung der Kinematik an einer gekrümmten Fläche wieder, wie es g#mäß der Erfindung vorge-
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sehen ist; in Fig. 3a sind zwei komplementäre Halbzyklen
der Bahnlinie eines stromauf gelegenen Profilpunktes k der Fläche mit ihren charakteristischen und den Zwischenpunkten
wiedergegeben, der eine Halbzyklus kurzgestrichelt, der andere mit ausgezogener Linie; die Fig. 3b und 3c zeigen zwei
Varianten bei einer äußeren, schräg zur zyklischen Bahnlinie
dieser gleichen .Fläche angreifenden äußeren Kraft g, (|
in verschiedenen charakteristischen Positionen des IVofils; Fig. 3d dtellt einen Grenzfall dieser Kinematik dar und
veranschaulicht eine geänderte Anwendung des ümwandlungs-Verfahrens.
4a, b, c und d stellen im Diagramm den zeitlichen Verlauf der
"Kinematik einer gekrümmten Fläche und der Kinematik entsprechende
ütrömungasingularitiiten dar, wobei dieser Verlauf
in kartesischeii Koordinaten mit folgenden Stricharten
dargestellt wird:
- punktiert für die Drehschwingung Θ,
- langgestrichelt für die beiden Komponenten χ und ζ der
Querschwingung
- strichpunktiert für die Stärke der Zirkulation f ,
- dick ausgezogen für die Stärke der Wirbel" Λ.. und Xl7*
- kurz gestrichelt für die Translationsgeschwindigkeit des
Wandlers.
«AD
009885/00*90
Pig. 5, 6 und 7 stellen dreidimensional Beispiele für die Ausgestaltung
und Einrichtungen von Flügelzellen für orfindungsgemäße Vorrichtungen dar, wobei die gekrümmten Flächen,,
deren Umriß ausgezogen gezeichnet ist, schraffiert den Querschnitt erkennen lassen, während ihre Wirkungsebene'
durch eine strichpunktierte Linie und die Bahnlinie der Enden mit ausgezogenem Strich gezeichnet ist.
Fig. 8 stellt ein Beispiel für den mechanischen Ablauf bei einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Phasen
dar:
- gestrichelt gezeichnet in cnarakterxstischen und Zwiachenlagen,
- ausgezogen gezeichnet für eine willkürliche Lage.
Fig. 9 gibt in axonometrischer Ansicht die wesentlichen Bauteile
eines Ausführungsbeispiels einer Maschine wieder, die gemäß der Erfindung ausgestattet ist*
SAD 009885/0090
Das eri'indungsgemäße Verfahren, besteht, Wie erwähnt, darin,
die/einem Pluidum befindliche Energie mittels einer flügel zelle
umzuwandeln, die.aus mindestens einer gekrümmten Fläche, etwa
der in Pig. 2. dargestellten Fläche K bestellt, wobei mit dieser fläche ein vVirbelpaar erzeugt und aufrechterhalten wird, das im
Inneren der Wirkungsebene dieser Fläche liegt.
In Ji1Ig. 1 ist ein üblicher und symmetrischer Fall dieses Effekts
dargestellt, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.entsteht.
Dieser Pail wird durch einen Querschnitt durch die wirbelfreie Strömung des Pluidums von stromauf nach stromab der tfirkungsebene
x > övhi » x„i einer gekrümmten Fläche, etwa der Fläche K, veran-
el D D 3,
schaulicht.
Dreidimensional betrachtet, ist diese Strömung in aich geschlossen
und bildet eine innere Umkreissehleife in der Wirkungsebene
der i'lügelzelle; der Verlauf hangt von dem Aufbau und der G-estaltung
der Flügelzelle ab.
Das '.i'irbelpaar -Q-. und JfX-,, das das erfindungsgemäße Verfahren
kennzeichnet, läßt sich durch ein neuartiges, besonders vorteilhaftes
mittel erzeugen..
BAD OOBBBB/QQBQ .
- ΊΟ -
Es ist bekannt, daß die Strömung um eine gekrümmte Fläche, die
sich ständig bewegt, ein unendlich ausgekeimter 7/irbelstrom ist.
Demgegenüber besteht das Mittel zum Verwirklichen des erfindüngsgemäßen
Effektes in einer Strömung um die genannte Fläche mit
begrenztem. Wirbelstrom, der, wie erwähnt, dadurch gekennzeichnet
ist, daß
a) die Zirkulation der Fluidgesciiwindigkeiten um das rrof il der
Fläche sich periodisch umkehrt und insbesondere oszillierend ablaufen
kann, =
b) jede dadurch entstehende Gegenströmung #* ihr Zentrum in
jedem Fall in einer begrenzten Entfernung von der Austritüskante
dieser Fläche besitzt.
In Fig. 2 wird durch ein Augenblicksbild diese Strömungsweise veranschaulicht; da die Zirkulation sich vräSirend einer Periode wechselweise
umkehrt, werden zwei derartige entgegengesetzt umlaufende
v/irbel 4fi nacheinander gebildet, in einander entgegengesetztem Drehsinn
und mit beschränktem gegenseitigem Abstand, wodurch das 7/irbelpaar
-/!.. undiip erzeugt und während weiterer Perioden aufrechterhalten
wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Arten des ¥or£.ehensf bei denen üblicherweise
gekrümmte Flächen gleichföraig und irreversibel be-
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wegt werden, wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Umwandlunrsverfahrens
und bei den dazu geeigneten Einrichtungen eine .Bewegung ausgeführt, die darin besteht, daß abwechselnd mindestens
aie Flacne K. oder eine andere gekrümmte Fläche zu zwei Hin- und
Herbeweguxigen angeregt wird:
a) die eine .dewegung, die in ?iinite!richtung und/oder fort- —
scureitend vor sich geht, verläuft quer zu der genannten Fläche
und w^rd in zwei zueinander und zu der Spannweite der Fläche
orthogonale Richtungen zerlegt; die eine der beiden Komponenten,
die Hauptamplitude, hat eine Frequenz, die zwangsläufig um die Hälfte kleiner xst als die andere, die in bestimmten Fällen bis
auf Lull zurückgehen kann;
b) die andere, willkürliche Bewegung stellt eine rotation des
Irofila dieser selben Fläche dar und läuft mit einer Frequenz ab,
die mit aer der Hauptkomponente der vorgenannten Hin- und Herbewegung
Übereinstimmt, dieser gegenüber aber um einen V/ert phasen- '
verschoben ist, der um die Hälfte der genannten gemeinsamen Periode .-schwankt.
Die Fig. 3af 3b und 3c veranschaulichen Beispiele dieser Kinematik:
geräß dieser Figur durchläuft ein iunkt der Längsachse einer durch
ihr rrofil k dargestellten Fläche eine zweifach gebogene Fläche
vom Beginn x„ seiner Quer schwingung bis zu dessen iintsprechungspunkt
χ , , wobei er durch den Kreuzungspunkt Θ, . , seiner Drehumkehr
und durch die Endpunkte Zc und Zc;1 seiner axialen KIn- und
Herbewegung läuft» die in übenen außerhalb der allgemeinen Wirkungsebene
x a» ®bbf » x a' liegen.
flfe Natürlich verläuft der komplementäre Halbzyklus umgekehrt symmetrisch zu dem Doppelpunkt Θ, , , , wie es die Halbzyklen der !<lr.3a.
erläutern, wobei der gestrichelt gezeichnete Bahnteil durch den
auf dem Profil k gewählten 1-unkt den komplementären .Bahnkurventeil
im Vergleich zu dem ausgezogen gezeichneten darstellt.
Wenn die Kräfte, die von außen angreifen können, mehr oder weni-"
ger schräg ansetzen, setzt aich. die Arbeitsweise der zur Verwirklichung,
des Effektes des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden
Vorrichtung folgendermaßen zusammen:
Von χ bis ζ nirnmt die komponente der Transversalschwingung in
χ-Richtung ab, während diejenige nach 3L anwächst; die effektive "
Geschwindigkeit verändert sicn .wenig, nur uie Richtung ändert sich
um Mr- t aber die abzuziehende Rotation bringt der gekrümmten
Fläche eine Neigung bei, die anfänglich Null'una gleich dieser
Differenz in ζ ist. um das Profil der Fläche entwickelt sich daher
eine Zirkulation f von i'luidgeschwindigkeiten; aber infolge
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der speziellen Bewegung ihrer Abreißkanten wird die G-eg enz !relation** frei nur in der Gegend van ζ gefunden, wo sie einen Wir-
bildet oder sich iiam anschließt, in welch, letzterem Pail der
Tiirbel verstärkt wird. - '
Von der Stelle ζ bis zu dem Punkt &uh« 1^ gleichzeitig mit der
.Rotation und der Veränderung der Heigungder Schlagbewegung des ^
Profils wird die Änderung der Neigung gering gegenüber der effektiven.
Geschwindigkeit, denn diese beiden Komponenten wachsen
gleichzeitig an, was sich infolge Viskositatsweohselwirkung auswirkt
- durch den Zwang zur Drehtendenz, den sie in der Strömung
Hervorruft - als Beschleunigung des.vorhergehenden Wirbels '-^L 1,
der umgekehrt infolge seiner,Strömung an der Oberseite der gekrümmten
Fläche starke Neigungen dieser fläche zuläßt.
riinter Θ,, , und bis ζ , ändert sich die juelgüng, wenn auch im
entgegengesetzten Sinne, weiterhin nur wenig, währenö die effektive
Geschwindigkeit beträchtlich abnimmt, denn ihre beiden Komponenten nehmen gleichzeitig ab. Daraus entsteht eine günstige
"Über-Zirkulation" ("sur-circulation"), die das Abnehmen des Einflusses
des Wirbels *flL· überdeckt.
Von ζ , bis χ , nimmt die Neigung schnell ab und überdeckt damit
die Verminderung des Maßes des Abfallens der effektiven Geschwin-
009885/0090
- H-
digkeit: die so fortgesetzte Über-Zirkulation erlaubt das schnelle
forteilen von der Abreißkante der Fläche, ohne daß sich an seiner
Stelle eine Ablösung ergibt.
Hinter χ . beginnt der komplementäre Halbzyklus, dessen Y/irkungen
symmetrisch zu dem vorhergehenden Halbzyklus sind. Die Erzeugung und anschließend die fortlaufende Verstärkung der Wirbel -^, und
-Λ- ρ speisen dieses Wirbelpaar.
Um aber ständig die Bestimmung der Vorderkante und der Abreißkante
aufrechtzuerhalten, ist es unerläßlich» daß diese Kinematik
in der durch die Fig. 3 angegebenen Richtung im Vergleich zu der mittleren Orientierung des Profils der Fläche abläuft. Bei diesem
Beispiel einer Durchführungsweise des erfindungsgemäßen Vorgehens mittels einer einzigen gekrümmten Fläche, wie etwa der Fläche K,
entwickeln sich die Wirbel des Wirbelpaares merklich einander entgegengesetzt. Aber' ihre Entwicklung könnte vollkommen in Phase
sein, beispielsweise in dem Fall von zwei gekrümmten Flächen, die gegenphasig in einer gemeinsamen Wirkungsebene gemäß ähnlichen
symmetrischen Kinematiken bewegt werden (abgestimmt jeweils auf die Zahl und den Antrieb von Flächen ein und derselben Flügelzelle)
.
QQS88S/Ö00Ö
Wenn, qualitativ betrachtet, diese Kinematik zur erfindungsgemäßen
Ausübung erforderlich ist, so reicht sie doch nicht aus,
wenn die Größe der Amplituden der Komponenten der Kinematik nicht
abgestimmt ist gegenüber dem Fluidum und mit Rücksicht auf die verwendeten gekrümmten Flächen. Biese Größen müssen darüberhinaus
untereinander in Abhängigkeit von den Ausnutzungsgrößen geregelt werden, etwa der Relativgeschwindigkeit des Fluidums gegen Unend- ^
lieh oder der" Schräglage einer äußeren Kraft, wie z.B. der Schwerkraft
. ......
Die Amplitude der Hifi·· und Herbewegungeii für eine gegebene Geschwindigkeit,
bezogen auf unendlich, ist. so, daß sie das Wirbelpaar
nicht in vielfache und ^zusammenhängende Wirbel ausarten
lassen kann. Wenn die Geschwindigkeit gei-eii unendlich sich ändert,
ändert sich diese Abhängigkeit, und es ist erforderlich, ständig diese Amplituden für ein und dieselbe Frequenz zu regulieren
oder die Frequenz öder sogar das Ganze zu modifizieren, um
ähnliche Wirkungen aufrechtzuerhalten, wie sie in den Fig. 4a und 4b angeziegt sind, wo die Gesehwindiijkeit gegen unendlich zunimmt*
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Vorrichtungen, die der Anwendung des erfindungsgemäßen Vorgehens dienen seilen und deren Gemeinsamkeit
in der Wirkung oder Gegenwirkung der Flügelzelle zu sehen
009885/0090
-16-
ist, können unterschiedlichen Kategorien angehören:
a) Antriebsmaschinen, die im allgemeinen ortsfest sind und die kinetische Energie eines Fluidums in mechanische Energie umwandeln,
die in Form von Kräften und/oder Momenten gewinnbar s ind j
b) Antriebsmaschinen, die im allgemeinen beweglich sind und
die genannte Energie in eine auf die Flügelzelle einwirkende Kraft umsetzen, die unmittelbar von dieser für eine Translationsoder eine Antriebsbewegung benutzt wird;
c) Generatoren, die im allgemeinen ortsfest sind und eine
beliebige Energie in eine kinetische Energie des umgebenden Fluidums
umwandeln}
d) Generatoren, die im allgemeinen beweglich sind und eine beliebige
Energie in eine Antriebs- oder eine Auftriebskraft umwandeln.
Die Maschinen a) und e) oder die maschinen b) und d) können offensichtlich
die Form einer iuaschine mit umkehrbare;r Wirkung erhalten.
Bei der Durchführung des erfind urigs gemäß en Verfahrens ergibt sich
eine spezielle Art von Variationen bei den beweglichen Maschinen. Diese sind zu erzielen duren Einwirken einer äußeren Krait, etwa
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des Gewichts der Liaschine, und, falls erwünscht, einer schrägen
Resultante, für die man entweder die Wirkungsebene neigen kann
oder die Rotation gegenüber dieser Ebene-verschieben kann, oder auch beide Lösungen miteinander verbinden kann, wie es die mit
den Fig. 5b und 3c gezeigten beiden Varianten erläutern.
Diese Variationen, im Sinne einer Zunahme, wie es in den Fig. 4a, ^
4c, 4d gezeigt ist, dehnen die Anwendung der erfindungsgemäßen Maschine bis zu einer Änderung des Ümwandlungavorgangs aus, was
es erlaubt, gemäß der Erfindung bis an den erwähnten Dauerzustand
zu gelangenο
Die Fig. 4a, 4c und 4d zeigen, daß die Schrägkomponente zur Folge
hat, daß die Strömungssingularitäten SL * , -^-<? und / fortlaufend
verändert werden.
Am Anfang dieser Variation nimmt im Gegensatz zu der Amplitude der f
Komponenten χ, ζ und θ der Kinematik die Frequenz zu und hält die
erfinderische Strömung aufrecht, obwohl sie asymmetrisch ist. Danach
wird, die Frequenz konstant, und die Zirkulation / , die von dem oszillierenden zu dem wechselnden Zustand übergegangen ist,
gent in den .Zustand der Schwnkung und dann in Konstanz über,. obwohl
die Kinematik, was ihre Natur betrifft, vollständig fortgeführt
ist, denn die Variationen der Neigung durch die Richtung
der Geschwindigkeit und ihre Größe sind bereits durch die Rotation
genau kompensiert. Schließlich gelangt man, nachdem die Amplituden weiter abnehmen» auf diese Weise zu dem üblichen Dauerzustand
ohne autonome Kinematik, wie es die Fig. 3d darstellt»
Allerdings sind die verschiedenen Phasen dieser Entwicklung nicht
alle unentbehrlich, um zu dem gleichen Ergebnis zu gelangen·
Die erfindungs gemäß en Maschinen können zwei oder mehr gekrümmte
flächen besitzen, die als Tragwerke in unterschiedlicher Weise
angeordnet sein können»
Bei einer winkelförmigen Ausgestaltung können diese Flächen paarweise
einander gegenüberliegen, derart, daß ihre Bewegung symmetrisch entweder mit Bezug auf eine Gerade» wie es für die Flächen
'Κ« und K, in Fig. 5 dargestellt ist, oder mit Bezug auf einen
gemeinsamen Punkt (vgl. Fig.. 6 für die Flächen K. und Kc) abläuft.
Die erstgenannte Anordnung erleichtert die Änderung der Benutzungsweise der Elügelzelle, die zweite begünstigt die Stabilität
der Konstruktion.
Im Translationsfall tritt immer eine Symmetrie der Bewegung mit
Bezug auf die Gerade auf, wie in Fig. 7 für die Fläche K- dargestellt
ist.
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Welche Bauweise auch angewandt wird, es ist möglich, mehrere Flächen zu einer gemeinsamen Wirkungsweise anzuregen, wobei
ihre Übereinstimmenden Kinematiken außer Phase gebracht werden, Ein spezieller Fall ergibt sich durch die gleichartige Anregung
von zwei gekrümmten Flächen mit gegeiiphasiger Lage ihrer entsprechenden
Bewegungen·
Natürlich können die verschiedenen, in diesen Figuren gezeigten Prinzipien und Anordnungen vervielfacht und unter gewissen Abänderungen
miteinander verbunden auf ein und denselben Energiewandler
einwirken* wobei sie nach Wunsch auch neben gekrümmte
Flächen gesetzt werden können, die in konventioneller Weise benutzt
werden·
Die wechselweise auftretenden mechanischen Abläufe, mit denen die besondere Kinematik der erfindungsgemäß vorgesehenen Flüeelzellen
zu erzielen iet, können zu Schwierigkeiten führen, wenn die erforderlichen
Massen und Kräfte sehr groß werden. Daher umfaßt die
Erfindung auch einen neuartigen mechanischen Ablauf, der der Kine matik dieser Maschinen angepaßt ist.
Ausgehend von einem materiellen Punkt auf einem Abschnitt, der
mit seinen drehbaren Enden an zwei anderen materiellen Punkten
aufgehängt ist, die so "befestigt sind, daß sie Drehbewegungen in
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entgegengesetzter Richtung um ihre jeweiligen, um die Länge des Abschnitte voneinander entfernten Mittelpunkte ausführen, wird
mit dem erfindungagemäßen mechanischen Vorgehen in einer Ebene eine dreifache Schwingung ausgeführt.
Gemäß"Fig. 8 werden die Bewegungen dieses materiellen Punkts c,
der der Einfachheit halber im Zentrum eines Abschnitts angeordnet
ist, dessen Enden sich um materielle Punkte P und Q drehen, die
gleichen Abstand von ihren Drehzentren 0.. und O2 besitzen, ausgeführt,
wenn ein beliebiger dieser Punkte, z.B. Q, eine Kreisbahn VpU2 beschreib-t, während der ihm entsprechende Punkt P eine
komplementäre Kreisbahn U^V- in umgekehrter Richtung ausführt,
wie durch die Pfeile in den Kreisbahnen angegeben.
Zwei derartige Vorgänge reichen aus, wie aus Fig. 8 ersichtlich, um die dreifache Oszillation des Punktes c herbeizuführen, der
auf diese Weise und außerdem wegen seiner in regelmäßigem Wechsel
aufeinanderfolgenden Rotationen die ausgezogen gezeichnete geschlossene Kurve mit doppeltem Tangentialpunkt durchläuft, orientiert
gemäß den gewählten Umlaufrichtungen der Punkte P und Q,
deren charakteristische Positionen an den Enden der gestrichelten Linien liegen, die ihre Bahnen begrenzen·
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Es sind sehr viele Varianten und Variationen für das mechanische Verfahren möglichj das gegenseitige Verhältnis der drei Schwingungen
und damit das Aussehen der Kurve hängt insbesondere von dem
Verhältnis des Abstands der Schwenkpunkte P bzw, Q von ihren
Drehzentren O1 und Op ab-· · ·
Außerdem erhält man je nach der Lage des Punktes e zwischen den M
beiden Enden P und Q des Abschnitts ein unterschiedliches Maß von Unsymmetrie in der !ahn. Im Grenzfall, wenn der Punkt c in
der Mitte zwischen den beiden Punkten P und Q liegt, wie es in
Fig. 8 dargestellt ist, entsteht keine Unsymme-trie bezüglich des doppelten Tangentialpunktes.
Um die zeitliche Synthese des mechanischen Vorgehens zu erreichen,
genügt es, ein Drehmoment an einem oder an beiden Zentren 0- und
Op wirken zu lassen.
■ ■ . i
Greift ein konstantes Drehmoment an einem Drehzentrum ant so sind
die Geschwindigkeiten längs der erhaltenen Kurve nicht symmetrisch,
und wenn eine-solche Symmetrie gewünscht wird, muß das Drehmoment
wechselweise zwischen den beiden Drehzentren beim Durchlaufen einer gemeinsamen Geschwindigkeit nach den folgenden beiden Möglichkeiten
aufgeteilt werden;
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entweder während einer längeren Periode gleicher geringer
mittlerer Geschwindigkeiten,
oder während einer kürzeren Periode gleicher hoher ^eschwindigkeiten.
Schließlich ist es auch möglich, an jedem der Drehzentren O1 und C
gleichzeitig ein'Differentialmoment angreifen zu lassen.
Wird ein derartiger Prozeß auf eine gekrümmte Fläche angewandt,
so kann dessen Kinematik auf unterschiedliche Weise je nach der
Bau- und Betriebsweise gelöst werden.
Wenn z.B» die gekrümmte Fläche orthogonal und unmittelbar mit
ihrer Wurzel am Punkt c angebracht ist, läßt die dreifache Schwingung
dieses Punktes in einer Ebene die Längsachse dieser Fläche, noch dazu wegen ihrer wechselnden"Rotation, eine unendliche Zahl
von Kreisbahnlinien am Überschneidungspunkt beschreiben, die zwei zylindrische Volumina umschließen, die an ihren Enden geöffnet
sind, zu einer Fläche, die an der Überschneidungslinie zweifach
zusammenhängt und zwei unterschiedliche Tangentialebenen zuläßt, wie es in dem Beispiel nach Fig. 7 der Pail ist.
Es ist aber auch möglich, durch Anwendung von für dieses mechanische
Vorgehen bekannten Systemen Bahnlinien zu erhalten, die zwei
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konische Volumina, wie in dan Fig· 5 und 6, einschließen, oder
auoh kegelstumpfartige Volumina, wie auch eine abwechselnde Rotation der Längsachse der gekrümmten Flache, verstärkt und/oder unabhängig.
Wegen der in der Erfindung enthaltenen mannigfachen Möglichkeiten
läßt sioh die Vorrichtung, die mit mindestens einer gekrümmten
Fläche in Form einer Schaufel, Tragfläche oder Radschaufel versehen ist, zum Umwandeln von Energie in einem fließfähigen Medium,
nur in einem vereinfachten Beispiel, das keine Einschränkung der Erfindung bedeuten sollt beschreiben.
Infolgedessen betrifft die Anwendung eines Aueführungsbeispiele
der Vorrichtung (vgl· Fig. 9), die sioh der erfindungsgemäßen Umwandlungsverfahren und -mechanismen bedient, nur diejenige Kategorie von Vorrichtungen« die Energie erzeugen, aus einem abwechselnd verteilten Moment, dae einer einzigen Schaufel K zugeführt wird, die sich in wechselnder, teilweise arbeiteleistender
Rotation befindet und genau eine halbe Periode phasenverschoben
gegenüber der Transversalschwingung ist, wobei Symmetrie des
Profils und der gewählten Bewegungen in Winkelriohtung herrschen.
Wie Fig. 9 erkennen läßt, wird das erfindungsgemäße Verfahren in
der Wirkungsebene dee Blattes X ausgeübt, dessen Bewegung mit
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Hilfe einer Transmissionswelle T herbeigeführt wird, die zwei
Schraubenritzel e. und e2 mit entgegengesetzter Gewinderichtung
trägt, von denen jedes periodisch mittels seines Zahnkranzabschnittes gleicher Art angeschlossen ist, der fest an einem Kurbelarm
B-. bzw. Bp sitzt, der auf der Welle O1 bis O2 gelagert
ist. Jeder Arm B- bzw. B2 besitzt einen Kurbelzapfen H1 bzw. H2;
die Zapfen halten eine Pleuelstange J, an deren Mitte ein Kardangelenk
C angebracht ist.
An dem Gelenk C ist am Ende eines Zapfenteils S eine Teleskopwelle
angebracht, während der,Hülsenteil R in einem geschmierten Ring G
eingesetzt ist, der seinerseits zweifach abgestützt ist inmitten einer kardänischen Aufhängung P, die in einer Ebene lieg*, die
parallel zu, aber außerhalb der Ebene der Pleuelstange J verläuft;
die Achse der kardanischen Aufhängung liegt in der Mittelnormalen der den Achsen 0- und O2 gemeinsamen Ebene.
Am Ausgang der Aufhängung P trägt der Hülsenteil R eine Klammer A,
die das Pußstück des Blattes K aufnimmt.
Außerdem iet das Blatt mit dem Kardangelenk C durch eine Feder W
rerbunden, die im Inneren der Teleskopwelle S R liegt.
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; - 25 -
Die Vorrichtung wirkt als Generator, wenn ein Moment an der 'vVelle
T angreift, die es in entgegengesetztem Sinn abwechselnd jedem
Kurbelarm B1 und Bp über die Ritzel e. und e2 und die zugeordneten
Zahnkranzabschnitte zuführt.
Die Kurbelzapfen EL und H2 übertragen also abwechselnd dieses
wechselnde Moment in eine nach mehreren Richtungen gerichtete m
Drehung und Bewegung .auf die Pleuelstange J, die sich auf diese'
Weise in dreifacher Oszillation verlagert, und deren Mittelpunkt die ebene und am Überschneidungspunkt geschlossene, in Fig. 9
gestrichelt eingezeichnete Bahnkurve durchläuft, die je nach der Wechselrichtung der Kurbeln orientiert ist, wie es schematisch
durch die Richtungspfeile angedeutet ist.
auf
Der mechanische Vortrieb der Pleuelstange J wird/das Blatt K über
die beiden Gelenke der Kardananordnungen 0 und T? übertragen, die
die Hin- und Herbewegung des Gelenks 0 in 7/inkelbewegungen um- "
setzen, deren gemeinsames Zentrum in der Durchführung der Aufhängung
F liegt.
Die abwechselnde Rotation dieses Gelenks 0, die von der wechselnden
Eeigung der Pleuelstange J herrührt und mittels des Ringes G
radial zu dem Blatt öeleitet wird, wird durch die Feder W übertragen,
die diese wechselnde Rotation weiter ablaufen läßt und
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■ - 26 - ...
regelt, indem sie in jedem Augenblick durch ihre Torsionsarbeit
das Moment dieses Blattes einwirken läßt und ausgleicht. Die andere
Funktion der Feder W ist - wegen der fortwährenden Längenänderung
der Teleskopwelle SB, die das Gelenk C mit der Aufhängung
F verbindet - die Kräfte in diesem Blatt zu regulieren,
indem sie periodisch dessen Massenenergie absorbiert und danach wieder freigibt. ;
Das auf diese Weise geführte Blatt K führt mit einem Punkt auf seiner Längsachse im Bereich der Schnittfläche k die an einem
einzigen Überschneidungspunkt geschlossene Bahnlinie aus, die in Fig. 9 mit einem ausgezogenen Strich eingezeichnet ist; die Bahn
ist in einem durch die erfindungsgemäß zur Erzielung der gesuchten
Wirkung ausgeübten Verfahren gegebenen Sinne ausgerichtet, und es entsteht eine ausnutzbare Reaktionskraft, deren allgemeine
'Resultierende durch einen gefiederten Pfeil in Fig. 9 gekennzeichnet ist.
Natürlich kann man diese "s/ir.kung leicht Verdoppeln, indem man ein
zweites Blatt anbringt, das durch zusätzliche gleichartige Übertragungsorgane betrieben wird, die symmetrisch an der Gegenseite
der Pleuelstange angeordnet werden, indem sie z.B. beiderseits der Kurbelarme B* und Bp kreuzt und zu einem dieser Arme zurückführt.
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Außerdem kann man bei einer solchen Vorrichtung naoh Bedarf durch
Hinzufügen geeigneter Sltmente Abstände und Einrichtungen zwischen
bestimmten Bauteilen vorsehen, ζaB. eine Gleitbewegung eines Hitzeis
oder beider Ritzel auf einer genuteten Transmissionswelle,
bei gleichzeitigeHi Beibehalten von Abstand zwischen den Halteachsen
der Kurbelarme und einer ausziehbaren Pleuelstange,, öder
einer Verschiebung des Kardangelenks auf der Pleuelstange oder g
auch.'einer lagesteuerung zwischen dem Kardangelenk und der kardanisehen
Aufhängung usw..
Alle «lerartigen Möglichkeiten, die für sieh oder in beliebigen
Kombinationen nach den Varianten und möglichen Variationen des
erfindungagemäßen Vorgehens benutzt werden, erlauben es, die Eigenschaften
dieser Vorrichtung bei ihrer Anwendung, insbesondere statisch infolge einer Veränderung des Umwandlungsvorganges zu
transformieren, wonach es auch möglich ist, den Flächenwinkel
oder auch die Pfeilung dee Tragwerks zu verändern. I
Natürlich lassen sich Abänderungen durch Anwendung gleichwertiger
Elemente erzielen» Kugelgelenke, Übersetzungen mit variablem Modul
oder Anwendung entgegengesetzter Momente, die durch Differential
den Kurbelarmen ununterbrochen zugeführt werden, und verschiedenartige
Zusammenstellungen liegen nicht außerhalb des Bereiches
der erfundenen Vorrichtung.
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N ■-?■·*·*■·■■*
Außerdem ist die beschriebene Anwendungsweise nicht auf eine Vorrichtung
dieses Typs beschränkt, diese kann vielmehr aus bekannten mechanischen Elementen aufgebaut sein. Ein elastisches oder
sogar flexibles System, etwa eine arbeitende Konstruktion (structure travaillante) der gekrümmten Flüche kann benutzt werden
für eine, zwei oder auch drei Bewegungen-seiner Linematik in
der Antriebs—Iienerator-iorm, wem; aie Energie aus einer oder mehrerer:
gerichteten Kräften nerrührt, die unmittelbar auf aas Tragwerk einwirken; derartige lviöglichkeiten lassen sich der vorbescnriebenen
Fuhrungüinechanik überlagern.
Die beschriebenen Vorri er. Lungen zur mi^rgißuinwundJun^ köm-c-u von
de:r. Hj drodynamiker durt ^ngewandt weruen, so äui.-ere oder im.ere
Hydrodynamik oder Aerod„. i:-jrrik g-erade zn .'/analem mit umlaufenden
Trugwerken mit oder οηΐ,υ zujtitzliche feststeiionde Tragwerke führen,
wobei die lirfinauh. nicht aui' üie besc-.i-iebenen Vorrichtungen
euer 7erfaijrej.uv/eii.en beschränkt ist.
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Claims (13)
- PAT ENT AISPSÜ OHE1 .J Verfahren zur Energieumwandlung in fließfähigen Medien mit Hilfe einer aus" mindestens einer gekrümmten Fläche bestehenden Flugeizelle, dadurch gekennzeichnet, daß man, indem man die ^,ner^lκ.umwandlung mit dieser gekrümmten' Fläche vornimmt, mit eben dieser .Fläche ein W'irbelpaar erzeugt **mp aufrechterhalt, das im Inneren der wirkungsebene dieser Fläche gelegen ist und das einem Schnitt durch eine in sich zurückgeführte flrbelröhre entspricht, wobei dieses Wirbelpaar die Energie, die es ansammelt, wieder abgibt, indem es gleichzeitig und proportional die äußere "ülbiläohe der gekrümmten Fläche beströmt, wodurch jedes ües Stromfadens an dieser Stelle verhindert wird.
- 2. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der .Virkungsebene jeder gekrümmten E'läcüe einer Flügel zelle vorgesehene iVirbelpaar gewonnen wird, indem um jede derartige Fläche Strömungssingularitäten mit folgenden iuerkmalen geschaffen werden:a) die Zirkulationsgeschwindigkeiten in dem Fludium um das Profil jeder gekrümmten Fläche kehrt sich periodisch um und kann insbesondere oszillierend verlaufen;009885/0090b) jede Gegenzirkulation, die dadurch entsteht, hat ihr Zentrum in jedem Punkt und in jedem Augenblick in "begrenztem Abstand von der Abreißkante dieser Flaohe.
- 3. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß man Flüssigkeitssingularitäten entstehen läJstφ indem man den Mittelwert eines Bereiches eines Wirbelpaars im Vergleich zu einem anderen unsymmetrisch werden läßt, und zwar bi3 zur Eliminierung eines Bereiches, indem man eine periodisch wechselnde Variation, danach eine Sehwankung=und schließlich Gleichmäßigkeit der Zirkulation der Geschwindigkeiten in dem Fluidum um das Profil jeder !'lache hervorruft, wobei diese Variation stetig oder selektiv erfolgen kann.
- 4. Verfahren zur Energieumwandlung nach einem der vorherge- ^ j henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl qualitativ wie quantitativ an ein und derselben gekrümmten Fläche, die die gesamte Flügelzelle oder einen Teil derselben bilden, kann, zwei Schlagbewegungen hervorgerufen werden, von denen eine -^uer zur Flügelzelle verläuft, während die andere quer zur Spannweite der Flügelzelle rotierend verläuft, und zwar derart, daß die sich aus jeder gekrümmten Fläche ergebende Bewegung nach folgenden Merkmalen zusammengesetzt ist:RAD ORIGINAL009881/0090a) der Querschlag ist in zwei zueinander und zu der Spannweite jeder gekrümmten Fläche der Flügelzelle orthogonale Richtungen zu zerlegenf wobei eine der beiden Komponenten mit großer Amplitude eine Frequenz hat, die um die Hälfte kleiner ist als die der anderen Komponente mit kleiner Amplitude;b) die Jiotationsschwin^ung- ist beliebig wählbar und hat eine Frequenz, die mit der- der Komponente -mit großer Amplitude der ^uerscnwingung übereinstimmt, dieser gegenüber aber um ungefähr eine halbe Periode phasenverschoben ist;c) Größenordnung und Richtung der beiden Schwingungen sind so, da3 die Ränder des Profils der gekrümmten Fläche der Flügelzelle in jedem Augenblick in ihrer Anwendungsweise differenziertd) Amplitude und Frequenz der beiden Schwingungen sind in einem Bereich so gewählt, daß das V.'irbelpaar der Strömung des Fiuidums einheitlich und zusararaenhängeiia zu erhalten ist, und zwar nacn Maßgabe der konstanten Srote "gekrümiLte Fläche" und "benutztes Fluiduin" und der variablen Größe "relative Translationsgeschwindigkeit des benutzten Wandlers".
- 5. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch eine dreifache Oszillation eines009885/0090materiellen Punktes der gekrüminten Fläche der benutzten Flügelzelle herbeigeführt wird, indem dieser Punkt auf einen Abschnitt gesetzt wird, der an seinen Enden drehbar an zwei anderen materiellen Punkten angebracht ist, die derart befestigt sind, daß sie entgegengesetzte Kreisbewegungen um ihre jeweiligen Drehzentren ausführen, die um ,die Länge des Abschnitts voneinander entfernt sind.
- 6. . Feststehende oder bewegliche Vorrichtung zur Umwandlung von Energie in fließfähigen Medien durch Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 4 auf eine als Motor oder als Generator arbeitende Maschine, die eine Flügelzelle mit mindestens einer gekrümmten Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Hechanismus besitzt, der diese Fläche in eine Bewegung versetzt, die zwei Schwingungen oder Schlagbewegungen vereint, von denen die eine quer verläuft, während'die andere eine Drehbewegung ist, und daß die beiden Bewegungen außerdem die in Anspruch 4 angegebenen Merkmale aufweisen.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmechanik für die gekrümmte Fläche der Flügel zeHe eingerichtet ist zum Ausführen von zwei Konfigurationen, die miteinander verbunden werden können zum Querschwingen dieser Fläche,0 0 9 8 8 5/0 0 9 0 BAD ORIGINALund zwar eine Translationskonfiguration und eine Konfiguration zur Winkerbewegung.
- S0 , Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar gekrümmte Flächen, die symmetrisch zu einem feststehenden oder beweglichen Punkt bewegt werden können..-.■■':' I
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar gekrümmte Flächen, die symmetrisch zu einer feststehenden oder beweglichen Geraden bewegt werden können,
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 6» gekennzeichnet durch mindestens ein Paar gekrümmte Flächen, die symmetrisch zu einem Punkt oder einer Geraden bewegt werden können und die eine gemeinsame »/irkungsebene besitzen, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Bewegungen vorgesehen ist, die aus den beiden Schwingungen " oder Schlagbewegungen resultieren, .zu denen dieses? Flächen angeregt werden. .
- 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichneti daß die Antriebsmechanik der gekrümmten Fläche der Flügeizelle so eingerichtet ist, daß sie die Schräglage der Resultierenden der Vorrichtung variieren lassen kann, wenn sie einer äußeren Kraftausgesetzt ist, wobei diese Variation erhalten wird durch Neigung der Querschwingungsebene und/oder Verschiebung der Drehschwingung der gekrümmten Fläche bis die Singularitäten des Fluidums, wie in Anspruch 3 angegeben, gleichförmig geworden sind.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmechanik der gekrümmten Fläche oder der gekrümmten Flächen der Flügelzelle eingerichtet igt, auf diese Flächen eine gerichtete Kraft auszuüben, und daß diese Flächen elastisch in die Mittellage ihrer1Schwingungsbewegungen zurückgeführt werden.
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Ausübung des Verfahrens zur Energieumwandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine schaufel- oder flügeiförmig gekrümmte Fläche aufweist, die an ihrem Fußpunkt durch mindestens eine Pleuelstange geführt ist, die an-ihren ijhden an jedem Kurbel-™ zapfen zweier Kurbelarme angebracht ist^ die gleichlang sind und sich im Gegensinn in ein und derselben Ifbene drehen unter der Wirkung vona) einer gleichförmigen Bewegung dea* Pleuelstange,b) einer wechselnden Bewegung der Pleuelstange und einer • Welle oder eines Zahnrades,c) einer gleichförmigen Bewegung der Pleuelstange und einer/ eines an jedem Kurbelarm befindlichen Welle/Zahnrads.
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