SE443026B - Vagmotor - Google Patents

Description

7901082-3 2 driftsäkerhet i den ogästvänliga miljö som havet utgör.

Med hänsyn till det akuta behovet att utveckla nya ener- gikällor i takt med att tillgångarna på fossila bränslen mins- kar och uttöms, erfordras framsteg inom den del av tekniken, vars ståndpunkt utgörs av de ovannämnda anordningarna.

Det allmänna ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en i hög grad praktisk anordning för omvand- ling av vindinducerade havsytvågor till nyttig effekt.

Enligt uppfinningen åstadkommes detta med en vågmotor som uppvisar dei patentkravet 1 angivna särdragen. _ De grundläggande åtgärder som utförts genom föreliggan- de uppfinning i den önskade omvandlingen omfattar: 1) koncentre- ring av ytvågorna utan någon betydande reflektion, 2) omvand- *ling av den potentiella energikomponenten till väsentligen re- na pulser av kinetisk energi, 3) utjämning av de kinetiska ener- gipulserna, 4) omvandling av den utjämnade kinetiska energin till rotationsaxeleffekt och 5) utspridning av systemets av- loppsströmning.

Den nya konstruktionen enligt en utföringsform av upp- finningen som föredras för öppna havet, använder Fermats prin- cip för koncentrering av slumpvis riktad vâgenergi med varia- bel period till rent kinetisk energi som sedan direkt kan till- föras en turbinmotor.

Tillgänglig ingångseffekt för en typisk eller genom- snittlig havsdyning eller -våg med en kam 1 meter ovanför ha- vets nivå och med en period av 10 sekunder, är 40 kW per meter strandlinje. Ett vågkoncentrerande element hos vâgmotorn funge- rar analogt med ett akustiskt horn för att koncentrera.ytvàgor- na och få dem att bilda vâgkammar och bryta.

En vâgmotor med denna anordning förlitar sig på bryt- ningsfenomen och har förmåga att i stort sett infånga all till- hörande vâgenergi inom ett brett omrâde av vågperioder utan hän- syn till den riktning vari vågorna närmar sig.

Vågor som fortplantar sig på öppna havet innehåller energi som till ungefär hälften är potentiell energi och till andra hälften kinetisk energi. Geometrin hos vågkoncentreraren är sådan.att vägen fås att bryta och därigenom omvandlas till nästan horisontell, ren, kinetisk energi, som sedan riktas ra- 7901082-3 diellt inåt mot ett centralt inloppsnav hos vågmotorn.

Inloppsledskenor används lämpligen för att rikta denna vattentillströmníng tangentiellt in i en central, nedåtgående passage, där vattenströmmen snurrar runt i en virvel.

Den snurrande eller roterande vattenvirveln fungerar som ett "vätskesvänghjul", vars tröghetsegenskaper utjämnar den pulserande energin, och möjliggör för vattnet att likformigt inströmma i en turbinmotor, där kontinuerlig rotationsaxelef- fekt alstras.

Sådana Vâgmotorer enligt uppfinningen definieras i bl.a. kraven 4 och 13.

Efter att ha lämnat turbinrotorn avledes det utström- mande vattet, som fortfarande har en viss återstående virvel- rörelse, genom en stationär diffusor ut i det omgivande havet.

I diffusorn används denna återstående virvelrörelse till att reducera backtrycket vid turbinrotorn. Turbinrotor- axeln kan användas till att driva en elektrisk generator eller annan nyttiggörande anordning. Enligt en första utföringsform kan hela vågmotoranordningen vara konstruerad att flyta, och vara förtöjd vid en förtöjningsplats på avstånd från land.

Ytterligare utföringsformer som omfattar konstruktio- ner baserade nära land, omfattas också av uppfinningen och be- skrivs nedan.

Vid en typisk konstruktion kommer en anordning med en diameter av 78 meter att alstra en axeleffekt av 1 MW, beräk- nad för vågor, vilkas halva amplitud är 1 meter och vilkas pe- riod är 7 sekunder.

Ett ändamål med uppfinningen är således att åstadkom- ma ett nytt och förbättrat energiomvandlingssystem för motta- gande av periodisk ytvågenergi och alstring av kontinuerlig användbar kinetisk energi såsom utgångsstorhet.

Ett annat ändamål är att åstadkomma en ny och förbätt- rad anordning för att utnyttja havsytvågenergi. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en ny och förbätt- rad anordning för infàngande och koncentrering av periodisk ytvågenergi, som är delvis potentiell och delvis kinetisk, och omvandlande av denna energi till väsentligen enbart kinetisk energi. 7901082-3 Ytterligare ett ändamål är att åstadkomma en ny och för- bättrad anordning för utjämning av pulser av kinetisk energi, för att åstadkomma kontinuerligt tillgänglig kinetisk energi, med hjälp av tröghetsegenskaperna hos en vätskevirvel.

Ett allmänt ändamål med uppfinningen är att åstadkom- ma ett vågmotorsystem som har en enklare konstruktion, som är pålitligare i drift (driftssäkrare) och har väsentligt större verkningsgrad än de inom tekniken hittills kända systemen.

Ovannämnda ändamål uppnås genom att vågmotorn uppvi- sar den i kravet 1 angivna konstruktionen. _ Föredragna utföringsformer av vågmotorn enligt uppfin- ningen framgår vidare av kraven 2 - 14.

Uppfinningen ligger delvis i den fysiska och mekaniska konstruktiva utformningen som konkretiseras av refraktorn/J koncentreraren, pulsutjämnaren, den roterande delen samt av- tappnings-/diffusor-komponenter av vågmotorsystemet såsom det här beskrivs och visas på ritningarna, men uppfinningen inbe- griper också idén med systemet i sig, betraktat såsom ett in- tegrerat helt och oberoende av de strukturella detaljerna hos systemets olika delar.

Eftersom olika ändringar kan göras i energiomvandlings- processerna och de detaljerade konstruktiva särdragen hos våg- motorkomponenterna utan att man därför går utanför skyddsom- fånget för den här aktuella uppfinningen, bör det observeras att avsikten är att hela innehållet som omfattas av beskrivnin- garna av de föredragna utföringsformerna som redovisas nedan, och som visas på de bifogade ritningarna, endast skall anses vara illustrativt och inte uppfattas sâom begränsande.

Uppfinningen kommer nu nedan att ytterligare förklaras och beskrivas under hänvisning till de på ritningarna visade utföringsformerna.

För ritningsfigurerna gäller därvid att fig. 1 visar ett något schematiskt tvärsnitt genom en flytande vågdriven motor utförd i enlighet med en första utfö- ringsform av uppfinningen; fig. 2 är ett diagram som visar strålbanor och vågfron- ter som slår emot en atoll, och detta diagram är användbart när det gäller att förklara uppfinningen; 7901082-3 fig. 3 visar i planvy symmetriska inloppsledskenor, och planvyn är sedd vid linjen 3 - 3 i fig. l; fig. 4 visar i planvy individuellt utformade inlopps- ledskenor, och även denna planvy är sedd vid linjen 3 - 3 i fig. l; fig. 5 är ett diagram som visar ett typiskt energi- spektrum för havsvågor, och dyning; fig. 6 är en perspektivisk vy som visar uppfinningen installerad i sin driftsmiljö; fig. 7 visar en schematisk planvy av det vâgkoncentre- rande hornpartiet av en andra utföringsform av uppfinningen, och av figuren framgår hur havsytvågorna koncentreras och bm- vandlas till brytande vågor; fig. 8 visar en schematisk vertikalprojektion av an- ordningen enligt fig. 7; , fig. 9 visar en ovanifrån sedd planvy av den andra utföringsformen av uppfinningen, och figuren visar ett horn och en ramp som är tangentiellt anslutna till en bassäng som innehåller vätskesvänghjulet; fig. 10 visar i horisontalprojektion ett vertikalt snitt genom den i fig. 9 visade anordningen, varvid snittet är taget vid linjen 10 - 10 i fig. 9; fig. ll visar i vertikalprojektion ett schematiskt snitt genom ett modifierat utförande av uppfinningen när den är avsedd för att skumma bort olja från havsytan; fig. 12 visar i planvy (horisontalprojektion) anord- ningen enligt fig. 13 och 14; fig. 13 är en schematisk tvärsnittsvy som i vertikal- projektion visar en tredje utföringsform av uppfinningen; och fig. 14 visar slutligen i partiellt snitt och verti- kalprojektion anordningen enligt fig. 12 och 13.

I fig. l visas en vågdriven motor utförd i enlighet med föreliggande, .uppfinning, vilken motor har en nästan halvsfäriskt formad del eller hölje 1, som utgör det struktu- rella huvudelementet av anordningen. Höljet l kan vara till- verkat av armerad betong eller stål, eller något annat lämp- ligt material. Höljets geometri kommer att beskrivas mer i de- 7901082-3 Ö\ F . talj nedan under hänvisning till fig. 2, 3, 4, 5 och 6. En tre- punktsförankring, som omfattar i havsbottnen fästa förtöjnings- block samt ledade kopplingsorgan som sträcker sig från dessa block, är anordnad för att hälla anordningen i läge. Två av förtöjningsblocken visas vid 2 och 3, och kan omfatta kassun- gjutna betongpirar. I stället för de ledade kopplingsorganen kan vajrar eller kablar 5, 6, eller andra lämpliga element, användas för att förbinda den nedre delen 4 eller nedre kanten av höljet l med förankringen 2, 3.

Den övre, centrala delen av höljet är försedd med ett cirkulärt inlopp 7. Nedåt från det cirkulära inloppet 7 sträcker sig ett ihåligt, cylindriskt, vertikalt rör 8 med-en vertikal höjd som är tillnärmelsevis lika stor som höjden på höljet l. Stationära inloppsledskenor 9 är fästa vid höljet och sträcker sig radiellt ut från den övre änden av det verti- kala röret 8, till området för bildande av brytande vågor, och har funktionen att bibringa vatten som via inloppet 7 inström- mar i det vertikala röret 8 en rotationsrörelse eller virvel- rörelse. En turbin ll är monterad nära den nedre änden av det vertikala röret 8. Det i virvelrörelse roterande vattnet i mel lanpartiet av det vertikala röret 8 omfattar ett "vätskesväng- hjul" som bibringar turbinrotorn ll ett vridmoment. Vatten som lämnar turbinen ll passerar genom en diffusor 13 som är fast anbragt vid den nedre änden av det vertikala röret 8.

En roterande axel 14 sträcker sig från turbinen ll i riktning uppåt till en centrumkropp 15 som är fäst vid det öv- re, centrala partiet av höljet l, ovanför inloppet 7. Centrum- kroppen l5 bildar stöd och bärdel för ovankanterna av inlopps- ledskenorna 9. En elgenerator 18, eller någon annan vridmomen- tet utnyttjande anordning, är roterbart kopplad till den övre änden av turbinaxeln 14. En lämplig, skyddande kåpa 19 kan in- nesluta det övre partiet av centrumkroppen 15. En vattentät ledning eller kabel 2l förbinder elgeneratorn med ett lämpligt elkraftdistribuerande system som exempelvis kan vara anordnat på land. Vattenytans stiltjenivå (d.v.s. nivån vid frånvaro av vågor) är betecknaa 22 i fig. 1. Läget för havsytans Stiltje- nivå är inte av någon avgörande betydelse. Det har visat sig att anordningen fungerar tillfredsställande när nivån för vat- 7901082-3 r tenytan ligger över eller under den i figuren visade nivån.

Detta innebär att anordningen kan vara fast monterad på grunt vatten trots förekommande tidvattenvariationer.

Fem olika steg är nödvändiga för utnyttjande av den energi som fortplantar sig med ytvågor. Det första steget är insamlandet av energi från en avsevärd längd av den tillgäng- liga vågfronten. En koncentrerande anordning som betjänar 100 m vågfront kan exempelvis uppta en effekt av upp till 4 MW från en typisk havsdyning vars halva amplitud uppgår till l m och vars period är 10 s. Det avgörande kravet för gränsytan med vâgfronten är överförandet av vågenergin över gränsytan snarare än dess reflektion. Eftersom energin återfinns i form av en svängande våg som fortplanta: sig, så bestäms frågan hu- ruvida energin reflekteras eller inte av om det förefinns en impedansöverensstämmelse eller bristande sådan överensstämmel- se vid gränsytan. Uppfinningen använder sig av en konstruktion som utgör ytvågens motsvarighet till ett akustiskt horn, för att uppsamla och koncentrera den energi som fortplantar sig med ytvågen. För en godtycklig given våg med en maximal pe- riod (T), kan en hornform alstras för att åstadkomma en lämp- lig impedansöverensstämmelse mellan hornets inlopp och trängs- ta sektion. Utformningen av höljets l utsida inbegriper impe- danstransformatorn som kan anses vara analog med ett akus- tiskt horn. Detta framgår vid studium av den tvärsnittsform som begränsas av stiltjenivån 22 och en radiell sektion genom höljet 1. Eftersom denna form sträcker sig över ett helt rota- tionsvarv, är den verkliga konstruktionen kupolformad varige- nom den funktionsmässigt och fysiskt liknar en naturlig, cirku- lär atoll.

Svängningsvågorna som fortplantar sig inuti "hornet" består till ungefär hälften av kinetisk energi (i form av cir- kulär rotationsrörelse) och till den andra hälften av poten- tiell energi (d.v.s. höjd över resp. sänkning under referens- nivån). Om nu dessa vågor stöter på en sluttande ramp, såsom den som bildas av den centrala utsidan av höljet l, kommer de att få vågkammar och bryta. Den brytande vågen kallas nu en stor primär translationsvåg. Vägens alla delar rör sig hori- 7901082-3 F sontellt och unisont, och energin är till största delen kine- tisk. Det område inom vilket detta sker kallas surfingzonen.

Horn/ramp-kombinationen som bildas av höljet 1 mottar således svängningsvågor och avger massiva pulser av ren kinetisk ener- gi till höljets inlopp.

I fig. 2 visas en grafisk framställning av strålbanor och vågfronter som slår emot en atollformad horn/ramp-kombina- tion, av typen som omfattar höljet l enligt fig. l. Såsom fram- går av figuren bryts den från den övre, högra kvadranten in- kommande linjära vågfronten fortskridande när den stöter på den varierande bottenkonturen (nämligen konturen av toppen av höljet). Effekten blir att vågfronten sveps runt atollen ihen spiral som strävar att konvergera mot centrum av atollen.

Ytvâgornas hastighet varierar omvänt med det lokala djupet. Såsom ett resultat härav bryts ytvågorna, vilket ina nebär att deras fortplantningsriktning alltid kröker kraftigt mot grundare vatten. En lämplig höljeskontur kan fullständigt uppfånga en vågfront som närmar sig och som är lika stor som dess egen diameter, och omvandlar denna hela vågfront till en med vågkam försedd våg som sträcker sig hela vägen runt höljet.

Höljet fyller således såväl funktionen att koncentrera som funktionen att få vågen att bryta, och kan lämpligen beskri- vas såsom ett brytande horn.

Det sker en viss naturlig utjämning av ingângspulsen till följd av anordningens geometri. Varje parti av vågfronten som närmar sig rör sig i sin särskilda rörelsebana och anlän- der till en särskild del av höljet vid en speciell tidpunkt.

Fasvinkeln ß visas i fig. 2. Man kan tänka sig att vågen så att säga sveper sig själv runt höljet. Resultatet är en rela- tivt stadig tillförsel av energi till inloppet, och en avse- värd reduktion i den erforderliga volymen för vätskesvänghju- let. Detta svänghjul omfattar det vatten som inryms i det ver- tikala röret. Denna naturliga utjämning av vågimpulserna till en kvasistationär effekttillförsel är ett viktigt särdrag hos uppfinningen.

Eftersom den kinetiska impulsenergin inte är lämpad för alstring av konstant axeleffekt, erfordras någon form av 7901082-3 MD r tröghetsutjämning. De inkommande energipulserna är typiskt åt- skilda 5 - l0 s i tiden. Vattnets egen tröghet kan ge en sväng- hjulsverkan som förmår att utjämna den pulsvisa ingångsstor- heten. Pulserna av vatten riktas tangentiellt in i en behålla- re som är tillräckligt stor för att uppta hela pulsen. De pe- riodiska ingångspulserna upprätthåller således en virvelrörel- se i behållaren, och den kinetiska impulsen ackumuleras i rö- relsemängdsmomentet för hela volymen, för kontinuerlig gradvis uttagning.

Omvandlingen av den i vätskesvänghjulet ackumulerade energin till rotationsaxeleffekt åstadkommes medelst ett tur- binhjul som är koaxiellt med virveln. J! Ä De övervägande kinetiska, stora primära translations- vågorna innebär strömning radiellt inåt. Denna strömning om- vandlas till tangentiell strömning in i den centrala behålla- ren (det vertikala röret) 8 med hjälp av en avböjande ledsken- anordning 9. Ett axialturbinhjul ll är placerat koaxiellt ne- danför de avböjande ledskenorna 9 vid den nedre änden av det vertikala röret 8. Turbinhjulet ll är så utformat, att inte riktigt all energi hos det virvlande vattnet utvinnes. Den lilla resterande virvelrörelsen lämnas kvar för att aktivera utloppsdiffusorn 13.

Utloppsdiffusorn 13 är ledskenefri och sträcker sig radiellt utåt från botten av det vertikala röret 8. Resteran- de virvelrörelse i endera riktningen inducerar en radiell ut- strömning, och den minskande hastigheten hos denna strömning alstrar ett reducerat tryck vid botten av det vertikala röret 8. Diffusorn l3 strävar således faktiskt att pumpa ur det ver- tikala röret 8 och sänker därmed vattennivån i röret. System- optimering råder när nivån i det vertikala röret sänks just tillräckligt för att röret skall förmå att helt motta den in- strömmande volymen. Med detta arrangemang kan kantnivån vid top- pen av det vertikala röret förläggas just vid havsytans stilt- jenivå 22. Ett eventuellt mindre läckage inåt är utan betydel- se. Såsom tidigare nämnts är systemet inom vissa gränser allde- les okänsligt för det faktiska läget av stiltjenivån. 7901082-3 l0 F _ Det finns en optimal storlek för det brytande hornet.

Höljet l som innefattar det brytande hornet är en ungefär halvsfärisk konstruktion, vilket innebär att arean för dess yta är proportionell mot kvadraten på dess radie (rzo). Höljet har förmåga att uppta energiinnehållet för en vågfrontslängd som är lika stor som dess största diameter (2ro). Det erford- ras således endast hälften så mycket material för att bygga två mindre enheter i stället för en större enhet med samma ka- pacitet. Den optimala storleken är därför den minsta som å- stadkommer tillfredsställande koncentration och fasfördelning för de våglängdsband denyhar att uppta.

För att genomföra det fullständiga infângandet av'en diameter vågfront vid konstruktionsvåglängden Å»O och vid Ä'= 2)\o, och också för att infånga ungefär 80 % av vågfronten vid Å = 0,5 Åo och för att bibehålla en god fasfördelning \ runt enheten, bör diametern vara en konstruktionsvâglängd (djupt vatten). svängningscentrumperioden för den statistiska populationen av ytvågor är ungefär T = 7,07 s. Den motsvarande djupvatten- våglängden ()\O) är 78 m. Den optimala radien blir därför 39 m.

Vid en föredragen utföringsform gäller att den opti- mala konturen för höljet l är så vald att: och det faktiska djupet d såsom funktion av den normerade ra- dien (r/ro = R) är : Ära C C d = -- arctanh -- zïr co co eller eftersmn Å = Zrø 7901082-5 11 d l C C - = -- -- arctanh -- ro är Co Co där C = våghastighet vid djupet d CO = djupvatten-våghastighet r R = __ ro n = värdet på R är d = 0 Det är att föredra att det vertikala röret 8 dimen- sioneras så att det kan uppta det totala volymflöde som kan förväntas utan att det krävs att strömningen accelererar. De stora translationsvågorna närmar sig det vertikala röret med en horisontell hastighet: , ___.. v = g ' (höjd) där v = translationshastighet g = tyngdkraftsaccelerationen.

Deras höjd är i detta ögonblick större än deras ursprungliga djupvattenhöjd (a) av två skäl. Deras höjd ökas med en faktor upp till 1,6 som följd av brytningens vågkoncentrerande verkan.

Vågamplituden ökas också med en faktor av storleken ungefär 2,5 när vattnet blir grundare. Våghöjden vid inloppet kan så- ledes vara 4a och dess translationshastighet kommer att vara: v = 2 V g a där a = djupvattenvågens halva amplitud.

Ifall arean av det vertikala rörets inlopp är lika med vâghöj- den gånger omkretsen, kommer vattnet inte att accelerera. (4a) QEÜ1 ro) = Tïnzrøz Sa = n ro n = 8a r O 7901082-3 12 Ifall a = 1 m och ro = 39 m erhålles 8 n = Q 0,2 39 Vid ett konstruktivt utförande av uppfinningen varvid den upp- fångade vågfronten är 78 m, är bruttoeffekten som transçorte- ras i vågfronten för värdena (a) = l m, T = 7,07 s: effekt g 2 enhetslängd 4 2 78 x 4 x 7,07 x 1010 erg/s 2,2 x 106 w 2,2 MW .

Total effekt ll Vid en verkningsgrad av 45 %, gäller att nominella effekten för denna storlek av vågmotor, konstruerad enligt uppfinningen, uppgår till l MW_axeleffekt.

Eftersom mycket avsevärda volymer vatten behandlas, måste denna volym slutligen återföras till havet och då bort- föra så lite energi som möjligt. För att minimera denna töm- ningsförlust måste sluthastigheten vara låg, och den slutgil- tiga utgångsarean vara stor jämfört med avloppets ingångsarea.

Denna funktion åstadkommes medelst en diffusor vid den nedre änden av det vertikala röret.

Sammanfattningsvis gäller, med de ovan beskrivna fem stegen, att vågfronten mottas och koncentreras medelst det brytande, horn/ramp-formade höljet, medelst ramppartiet fås att bilda vâgkam i en kinetisk puls, att pulsen temporärt ac- kumuleras medelst vätskesvänghjulet såsom ett rörelsemängds- moment (fortfarande kinetisk), och att rörelseenergin undan för undan omvandlas till stationär rotationsaxeleffekt (kine- tisk) varvid just precis tillräckligt med energi kvarlämnas i det avtappade flödet för att jämnt och nästan omärkligt leda volymflödet över en stor slutlig avtappningsarea. 7901082-3 13 Teorin som bestämmer de brytande strålbanorna som vi- sas i fig. 2, gäller endast när djupet d är större än ungefär en våghöjd (a); vid detta djup blir den svängande vågen plöts- ligt en brytande våg. De brytande vâgornas rörelsebana bestäms genom komplexa hydrodynamiska överväganden, och de brytande vågorna bryts inte längre i riktning mot centrum. Härav följer att från kanten av surfingzonen inåt, är det nödvändigt att styra de brytande vågorna med hjälp av ledskenor.

Valet av ledskeneform kan bli beroende på installa- tionsplatsen för vågmotorn. På öppna havet kan vågor närma sig från ett godtyckligt håll, och närmar sig i själva verket van- ligen samtidigt från olika håll. Ledskeneanordningen bör där- för vara axelsymmetrisk så att vågmotorn fungerar lika bra oberoende av från vilket håll vågorna närmar sig.

Installationsplatser som ligger närmare land kan för- väntas motta vågor som i övervägande grad närmar sig från en enda huvudriktning. I så vall behöver ledskenorna inte vara axelsymmetriskt anordnade. En viss ökning av verkningsgraden erhålls ifall ledskenornas ytterpartier är utformade att på det hela taget överensstämma med strålbanorna.

Fig. 3 visar i schematisk planvy en vid inloppet an- ordnad ledskeneanordning avsedd att användas på öppna havet.

En typisk vågledare 30 har ett yttre parti 31 som sträcker sig radiellt till kanten av surfingzonen 32. Vâgledarens inre par- ti 33 är utformat att styra strömningen tangentiellt in till vätskesvänghjulet 34. Pilarna 35, 36'och 37 visar typiska strålbanor till följd av brytningen fram till kanten av sur- fingzonen.

Fig. 4 visar i schematisk planvy en vid inloppet anord- nad ledskeneanordning avsedd att användas vid en installation nära land. I detta fall är den yttre delen 41 av varje ledskena 40 utformad att i huvudsak överensstämma med en näraliggande strålbana. Detta kan resultera i en viss ökning av totalverk- ningsgraden tack vare reducerad turbulens. Det inre partiet av vågledarna 40 riktar strömningen tangentiellt in i vätske- svänghjulet 44, på exakt samma sätt som vid utförandet enligt fig. 3. 7901082-3 14 r .

Det finns en optimal form för det inre partiet av in- loppsledskenorna 30 eller 40 som driver vätskesvänghjulet.

Ledskenorna skall rikta det inkommande vattnet tangentiellt vid tröghetsradien (vridningsradien) 38 eller 48 för vätskecy- lindern. Denna radie är belägen vid ett ställe 0,707 gånger cylinderns ytterradie. Om man antar att vattencylindern som bildar vätskesvänghjulet roterar såsom en fast kropp, så sker inte någon inbördes rörelse mellan det insprutade vattnet och svänghjulsvattnet, d.v.s. de turbulenta förlusterna är mini- mala vid tröghetsradien. Rörelsemängdsmomentet som transporte- ras in är lika stort som rörelsemängdsmomentet som transporte- ras ut. Ifall drivpunktens radie är större, så måste det inre vattnet accelerera och roteras snabbare för att rörelsemängds- momentet skall bevaras. Detta är inte önskvärt eftersom det bidrar till turbulenta förluster, och emedan den radiella för- delningen av vinkelhastigheten gör det besvärligare att kon- struera turbinhjulet. Ifall den radiella punkt vid vilken strömningen inkommer är belägen vid en radie som är mindre än tröghetsradien så måste vattnet som befinner sig vid en större radie retardera. Detta medför också turbulens och gör det me- ra komplicerat att konstruera turbinhjulet.

Fig. 5 visar ett typiskt effektspektrum för vågenergi i havet såsom funktion av vågfrekvensen F. Den faktiska våg- energifördelningen är något beroende på det geografiska läget.

Vågor med mycket lång period är exempelvis vanligare vid antark- tis än vid de flesta andra platser på jorden. Fig. 5 visar en stor energikoncentration vid en bred topp centrerad nära %+-= T = 7 s. Periodomrâdet 5 - 10 s omfattar en stor del av denna energikoncentration, vilket tyder på att det kan vara lämpligt att välja en period av 7 s såsom genomsnittlig kon- struktionspunkt.

Fig. 6 visar den första utföringsformen av uppfin- ningen i dess driftsmiljö. Man bör observera att den är nästan helt nedsänkt. Endast ledskenorna och den lilla kupolen som inrymmer belastningsanordningen, sticker upp ovanför vatten- ytan. Ett stort problem vid konstruktion av maskiner som ut- I' 7901082-3 vinner energi från vågor har hittills varit det oundvikliga faktum att det förekommer enstaka våldsamma stormar. Det har ofta föreslagits att sådana anordningar avsiktligt skulle sän- kas när en storm kan förutses, för att därigenom skyddas mot skador. När det gäller föreliggande uppfinning så är nästan he- la konstruktionen redan från början helt nedsänkt. Inloppet till vätskesvänghjulet har en begränsad förmåga att tillåta fluidtransport därigenom, och härigenom skyddas inre delar, såsom turbinen, mot att överbelastas. Den lilla :återstående överbyggnaden kan utföras så att den förmår motstå jättestora vågor som passerar helt över densamma.

I fig. 7 visas ett parti av en alternativ utförings- form av uppfinningen varvid vågkoncentreraren omfattar en horn- konstruktion. Hela hornanordningen kan bäras upp och understöd- jas från havsbottnen när det är fråga om relativt grunda vat- ten, eller också kan hornanordningen vara inrättad att flyta.

Hornet omfattar ett par mittemot varandra ställda väggdelar 53 och 54 som är åtskilda vid en första ände omfattande inlop- pet 55, och som vid den andra änden konvergerar mot ett område 56 med den trängsta sektionen. Den avsmalnande trattformen kan följa någon lämplig kurva som tillgodoser ett kriterium på icke-reflektion, som kommer att beskrivas nedan. Vågkammarna på de inkommande havsytvågorna är betecknade 57, 58, 59 och 60.

Anordningen enligt fig. 7 visas schematiskt i tvär- snitt i fig. 8. Såsom framgår har vågkammarna 57 - 60 ökande amplitud i fortplantningsriktningen 61, d.v.s. räknat från in- loppet 55 i riktning mot den trängsta sektionen 56.

Golvet till den i fig. 7 och 8 visade anordningen har en rampliknande kontur, som åstadkommer att ytvågorna som fort- plantar sig får vâgkammar och bryter. Såsom framgår tydligast av fig. 8 följer golvet 52 en mjukt krökt kurva, som sträcker sig från inloppet 55 till den trängsta sektionen 56 i pilens 61 riktning. Vågkammarna 57 ~ 60 retarderar fortskridande tills de plötsligt bryter såsom anges vid 60.

I fig. 9 visas en ovanifrån sedd planvy av en andra utföringsform av en vågmotor konstruerad enligt föreliggande uppfinning, och denna utföringsform omfattar ett vågkoncentre- 7901082-3 16 rande horn av den i fig. 7 och 8 visade typen. Hornpartiet 69 begränsas av väggdelarna 71 och 72 som konvergerar från in- loppspartiet 73 i riktning mot partiet 74 med den trängsta sektionen. Hornets 69 djup kan vara likformigt fram till fram- kanten av ramppartiet 75. Ramppartiet 75 blir fortskridande grundare i pilens 76 riktning. Vågkammar bildas på ytvågorna i det grunda ramppartiet av vågkoncentreraren. De vâgkamför- sedda och brytande vågorna inkommer i bassängen 77 tangentiellt i pilens 78 riktning, vilket får till resultat en virvel i bas- sängen. Av fig. 10 framgår att bassängen avgränsas av väggde- len 79. En avloppsdiffusor 80 är placerad under mitten av bassängens botten, och är försedd med ett inlopp 81. Ett vat- tenturbinhjul 82 är anordnat centralt ovanför diffusorinloppet 81. Vattenturbinhjulet 82 är på lämpligt-sätt monterat för ro- tation av axeln 83. En elektrisk generator eller någon belast- ningsanordning 84 är ansluten till den övre änden av axeln 83.

Vatten som passerar genom vattenturbinhjulet 82 och avlopps- diffusorn 80 återförs till havet i pilarnas 86 och 87 rikt- ningar. i _ Belastningsanordningen 84 kan vara en vattenpump el- ler annan nyttig anordning, i stället för en elgenerator. Oli- ka medel kan användas för att överföra den genererade effekten från generatorn till land. Förutom den ovan beskrivna tekniken med generering av elkraft, är ett annat alternativ generering eller framställning av vätgas och syrgas genom elektrolys av havsvatten. De sålunda alstrade gaserna kan sedan ledas i land _ n . G via rorledningar.

I fig. ll visas en modifikation av anordningen enligt fig. 10, varvid bassängpartiet är avsett att användas till att skumma bort olja från havsytan. Vid denna konstruktion till- för rampen 90 och hornet 9l inkommande pulser med väsentligen ren kinetisk energi i pilens 92 riktning till den koniskt for- made bassängen 93 som avgränsas av väggdelen 94. Till följd av den koniska formen fordrar bibehållandet av rörelsemängdsmo- ment att rotationshastigheten ökar när vätskorna rör sig nedåt.

Det virvlande vattnet eller virveln i bassängen 93 komer att ha en nedsänkt övre yta 95. Oljan 96 som genom centrifugal- 7901082-3 l7 rkraftverkan separeras från vattnet kommer att flyta på den nedsänkta övre ytan av det virvlande vattnet i bassängen 93.

Havsvattnet kommer att avtappas från bassängens 93 botten, ge- nom avloppsdiffusorn 97. En rörledning 98, vars ände fungerar som skopa genom rammverkan, har sitt inlopp beläget i bas- sängen 93 i det övre partiet av den virvel vari ytoljan befin- ner sig. Den olja som uppsamlas medelst den rammverkande sko- pan och rörledningen 98 kan sedan avtappas till en lämplig be- hållare 99. Hela anordningen enligt fig. ll kan göras trans- portabel genom att dess väsentliga element byggs in i ett spe- cialfartyg. Ett sådant fartyg kan sedan förfölja en oljefläck eller ett oljeutsläpp och återföra oljan till förrådstankar.

En tredje utföringsform av de väsentliga särdragen hos uppfinningen visas i planvy i fig. 12, i vertikalt tvär- snitt i fig. 13, och i vertikalt längdsnitt i fig. 14. Denna utföringsform är särskilt väl lämpad för installation nära land på grunt vatten. För full förståelse av dess funktion kan det vara till hjälp att man erinrar sig att en lätt sluttande havsbotten utgör en brytande konstruktion. De mer eller mindre slumpvis riktade vågorna på öppna havet vilka träffar en så- dan lätt sluttande stigning bryts så att de närmar sig strand- linjen med strâlbanor (strömningslinjer) som är nära nog vin- kelräta mot stranden oberoende av deras ursprungliga riktning.

Denna naturliga havsbottenform utgör i realiteten en del av systemet, som fungerar så att det styr vågorna in i en be- stämd och förutsägbar riktning som de närmar sig i. På många platser äger en naturlig koncentrering rum till följd av strandlinjens detaljer och havsbottnens kontur, och sådana platser kan vara speciellt lämpade för förläggning av vågdriv- na motorer.

I ett sådant fall behöver den slutliga koncentratio- nen av vågenergin endast genomföras i vertikal riktning med hjälp av en lämpligt utformad ramp som uppfyller kriteriet på icke_ref1ektion, såsgm kgmmer att beskrivas nedan. Såsom fram- går av fig. 12 sträcker sig det cylindriska kärlet 101, som in- rymmer vätskesvänghjulet, horisontellt, väsentligen parallellt med kust- eller strandlinjen och vågfronterna. Rampen 100 7901082-3 18 sträcker sig utmed väsentligen hela längden av cylindern, och riktar de brytande vågorna tangentiellt in i vätskesvänghju- let vid dess topp. Den roterande cylindern av vatten rör sig horisontellt i riktning mot turbinhjulet som befinner sig vid ena änden av det cylindriska kärlet 101. Utströmningen från turbinhjulet passerar genom en radiell diffusor 104, varige- nom vattnet återförs till havet med en låg sluthastighet.

Fig. 13 visar ett vertikalt tvärsnitt genom den tred- je utföringsformen. Rampen 100 styr den brytande vågen tangen- tielit 'in i vatskesvänghjuiet 102. Detta horisontella vätske- svänghjul har upptill ett något varierande plant ställe l09 till följd av den fluktuerande vattenvolymen i den horisontel- la cylindern 101, men rörelsemängdsmomentet bibehålls allt- jämt. _ Fig. 14 visar ett vertikalt längdsnitt genom den . tredje utföringsformen. Figuren visar en turbin l03 av typen med radiell inströmning, samt användningen av en radialdif- fusor 104. Turbinen driver den rätvinkliga vinkelväxeln 105 via axeln lO6. En annan axel l07 förenar vinkelväxeln med en belastningsanordning lO8.

Alla de ovan beskrivna utföringsformerna använder sig av hornliknande organ för att koncentrera vågenergin innan densamma tillförs vätskesvänghjulet i form av en stor transla- tionsvåg. Den inledningsvis beskrivna utföringsformen använder en formgiven kupol som pressar ihop energin i vertikal led genom sin fortskridande allt grundare form, och styr vågorna genom brytning i stället för medelst hornsidoväggar. Den and- ra utföringsformen använder både ett på lämpligt sätt formgi-' vet golv för hoptryckning av vågorna i vertikal led, och sido- väggar för hoptryckning av vâgfronten i horisontell led. Den tredje utföringsformen använder en formgiven ramp till att trycka ihop energin enbart i vertikal led, eftersom det antas att vågorna redan i viss utsträckning undergått påverkan av naturliga brytande formationer.

I samtliga fall är det väsentligt att den vågenergin koncentrerande och överförande konstruktionen fungerar utan att reflektera några betydande energimängder, eftersom energi 7901082-3 19 r som reflekterats aldrig kan nå fram till turbinhjulet. För- hindrande av reflektion är liktydigt med att uppnå en impe- dansöverensstämmelse mellan vågfronten och inloppet till den hornliknande koncentreraren. Eftersom i samtliga fall gäller att området med den trängsta sektionen ansluter till en energi- upptagande avslutning (vätskesvänghjulet), är den avgörande faktorn vid bestämning av existensen av icke-reflekterande im- pedansöverensstämmelse eller bristande reflektionsöverensstäm- melse den verksamma gränsfrekvensen för den hornliknande kon- struktionen, såsom kommer att utvecklas närmare nedan. Otaliga konstruktionsvarianter är möjliga. Många kupolkonturer kommer exempelvis att ge lämpliga brytningsmönster. Samma grad av' varierbarhet gäller för hornen och ramperna vid de första och tredje utföringsformerna.

Det har visat sig önskvärt att erhålla ett enkelt kri- terium för sortering av alla sådana konstruktioner för att be- stämma huruvida den högsta gränsfrekvensen längs en hornaxel skulle eller inte skulle kunna åstadkomma en bristande impe- dansöverensstämmelse och därigenom energireflektion. Detta kriterium härleds i korthet nedan, och ett enkelt exempel på dess tillämpning redovisas.

Uppmärksamheten skall först riktas på det välkända akustiska exponentialhornet (som i själva verket utgör ett specialfall av en något större familj av horn som brukar kal- las hyperboliska horn). Exponentialhornet definieras såsom upp- visande en tvârsnittsarea S som ökar axiellt från en trängsta sektionsarea SO i överensstämmelse med följande lag: S = SO exp 2 kcx där x är avståndet från trängsta sektionen, och kc benämns trattkonstant eller vågtal vid gränsfrekvensen. kc kan på olika sätt skrivas zfiY fc zfrr C c Ä C 7901082-3 re där fc kallas gränsfrekvens och Åc är våglängden vid gräns- frekvensen, och c är ljudhastigheten. En godtycklig frekvens större än gränsfrekvensen kan fortplanta sig såsom plana vågor längs hornets axel. En godtycklig frekvens som är lägre än gränsfrekvensen kan inte fortplanta sig i hornet och reflek- teras i stället från hornets inlopp.

Gränsvågtalet kc kan skrivas i ännu en användbar form.

Genom att ta förstaderivatan av arean S med avseende på det axiella läget x, erhåller vi S' = 2 kc So exp 2 kc x varav följer att _ S' zkc “('s_) (f=fc) . och härav följer U) C ° MT =f~ 1 Eftersom de underliggande vågekvationerna som bestämmer akus- tiska vågor och ytvågor (ävensom elektromagnetiska vågor och andra vågor) är matematiskt identiska till formen, kan horn användas analogt och analyseras inom alla sådana områden. Det finns emellertid en komplikation. Ljudvågors och elektromagne- tiska vågors hastighet är oberoende av deras frekvens (icke- dispersiva vågor), medan däremot hastigheten för ytvågor är beroende av både frekvensen och vattendjupet (dispersiva vå- gor). Utgående från en godtycklig hornliknande form väljer vi att förelägga origo, d.v.s. koordinatvärdet x = 0, vid det djup där vågorna bryter. Detta sker approximativt vid det stäl- le där djupet är lika stort som amplituden för en typisk våg.

Den tvärsnittsarea som begränsas av neutralvattenytan (motsva- rande stiltjenivân), rampen och verkliga .eller antagna si- _ doväggar vid x = 0 antas vara So. På liknande sätt kan S beräk- nas'eller uppmätas vid vilket som helst annat ställe x. Slutli- gen kan S' vid en godtycklig punkt approximeras såsom 7901082-3 Zl där S2 är arean vid xz, och S1 arean vid xl, varvid X2 och xl är angränsande punkter nära X.

Den godtyckliga hornkonturen mellan X2 och xl kan uppfattas såsom ett kort segment av ett exponentialhorn med samma areor S2 och S1, samma avstånd från utgångspunkten x, och samma trängsta sektionsarea So. Dess trattkonstant är kc (en funktion av x), och gränsfrekvensen för det korta seg- mentet x2 - xl är approximativt c S' C 4<ïTs \ I detta uttryck är vågen dispersiv. Våghastigheten c kan be- stämmas frân uttrycket g ZWT d fc c = tanh - ZQT fc 'c där g = tyngdkraftsaccelerationen, d = lokalt djup.

För de flesta fall av intresse gäller emellertid att det är mest sannolikt att reflektioner till följd av ett alltför stort värde fc, äger rum vid grunda ställen. För grunt vatten gäller ett approximativt värde för våghastigheten Slutligen erhålles 7901082-5 F Ett enkelt exempel kan tjäna till att belysa tillämpningen av detta kriterium för att säkerställa val av ett icke-reflekte- rande vågkoncentrerande horn. Anta att man överväger att an- vända en rak, ej konturbestämd ramp för den tredje utförings- formen, och hornet måste vara icke-reflekterande för vågor med perioden l0 s (f = 0,1 Hz). För en försiktig konstruktiv ut- formning väljer vi fc en oktav lägre, d.v.s. fc = 0,05 Hz.

Eftersom den tredje utföringsformen använder endast rampen, kan vi anta att hornbredden är konstant och där do = det vattendjup där vågen förväntas bryta, d.v.s. vid ett djup lika med en konstruktionsvåghöjd (a) som vi antar va- ra l m. Då erhålles för en rak ramp d = m x + a där m är rampens lutning. ¶g(mx+a) m fc = ---- 4ïT m + a l m f = - c 4 \/mk + a Maximivärdet för fc kommer tydligen att erhållas vid x = 0 och eftersom a = l m fc = -Ms 4(0,05) = 0,2 m 7901082-3 23 För att uppfylla det förutbestämda kriteriet kan lutningen således inte överstiga 0,2. Detta motsvarar en lutning av 120 mot horisontalplanet. ' Befintligheten av detta generellt tillämpbara krite- rium gör det möjligt att klassificera varje hornliknande kon- struktion såsom antingen icke-reflekterande eller reflekteran- de för varje valt konstruktionsfrekvensområde, och begreppet icke-reflekterande är i praktiken nära nog ekvivalent med im- pedansöverensstämmelse. För den här föreliggande beskrivningen kan begreppen icke-reflekterande eller impedansöverensstämman- de horn anses innebära ett horn som uppfyller det ovan just förklarade kriterier. ' Det är väsentligt att notera att hornets trängsta sek- tion alltid ansetts vara det ställe där vågen kan förväntas bryta. Den omständigheten att vågen bryter innebär en plötslig övergång från det beteende som gäller för svängande våg och som approximativt bestäms av vågekvationen, till en stor pri- mär translationsvåg. Den brytande translationsvågen represen- terar ett mycket komplext icke-linjärt tillstànd för vilket vågekvationen inte är tillämpbar och vilket bestäms mera av partikelkinetik och hydrodynamik. Såsom ett resultat av denna plötsliga övergång från vågor som fortplantar sig till brän- ningar, gäller att brytningsberäkningarna endast är giltiga till området nära början av surfingzonen. Bortom denna punkt skall bränningen eller den brytande vågen styras av inlopps- ledskenorna. Hornets gränsfrekvenskriterium är på liknande sätt endast tillämpbart vid området med fortplantande vågor utanför surfingzonen, och saknar mening inom denna zon.

Beskrivningen av den tredje utföringsformen, som en- dast använder en formgiven ramp, beskriver rampen såsom kon- centrerande energin i vertikal riktning. Detta erfordrar må- hända en viss förklaring. Den allmänt använda termen "ytvåg" är på sätt och vis en oriktig _ zbenämning. Både tryck- störningarna och de cirkulärt kretsande partiklarnas hastig- heter som hänger samman med den sinusformigt störda ytan, fort- lever med exponentiellt minskande amplitud till stora djup.

För att ta med i beräkningen all den effekt som överförs av 7901082-3 24 en sådan våg är det nödvändigt att integrera produkten av det cykliska trycket och partikelhastigheten, ideellt ända till oändligt djup. I riktigt egentlig mening åstadkommer en upp- åtlutande ramp, som inte reflekterar energi, således en hop- tryckning av energiflödet till en mindre tvärsnittsarea, och det sker en motsvarande ökning av höjden på vågorna. Energi- komprimeringen från en bred vâgfront till en smalare vågfront i horisontell riktning är mera självklar. Också den åtföljs av en tillbörlig ökning av vågamplituden.

Av det föregående torde ha framgått att det finns ett antal tillämpningar för den nya anordningen enligt uppfin- ningen. Fastän ovan har visats och beskrivits och påpekats' de fundamentala nya särdragen hos uppfinningen när denna till- lämpas vid de föredragna utföringsformerna, är det dock under- förstått att olika utelämnanden och substitutioner och änd-, ringar i formerna och detaljerna av de visade och beskrivna anordningarna, och deras funktion, kan göras av fackmannen inom området. Avsikten är emellertid att uppfinningen endast skall vara begränsad genom det skyddsomfång som gäller för nedanstående patentkrav.

Claims (14)

7901082-3 25 Patentkrav

1. vâgmotor, k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar dels impedansanpassade hornliknande organ (1. 69, 91, 100) med för- måga att ta emot medium med ytvågor. som åtminstone delvis in- nefattar potentiell energi. och med förmåga att omvandla denna potentiella energi till kinetisk energi; dels behållarorgan (8, 77. 93. 101) med en ingång. som är kopplad till nämnda hornliknande organ. och med förmåga att motta och temporärt ackumulera den kinetiska energin. och med en utgång varifrån kontinuerlig, gradvis uttagning av den kinetiska energin er- hålles; dels diffusororgan (13. 80, 97. 104) för avtappning av mediet när detta har passerat genom behållarorganen (8, 77, 93. 101).

2. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att de hornliknande organen omfattar ett brytande horn (1. 69. 91) med en väsentligen icke-reflekterande utvidgning.

3. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att de hornliknande organen omfattar en uppåt konvex höljesdel (1) vilken har dels en vertikalt anordnad, central axel. dels en första öppning (7) vid sin topp samt en andra öppning (13) vid sin bas.

4. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att behâllarorganen omfattar en ihålig. cirkulär behållare (8) med ett tangentiellt anordnat inlopp kopplat till de hornliknande organen. och medieströmningsavböjande ledskenor (9) som är anordnade vid inloppet och har förmåga att bibringa mediet en virvelrörelse.

5. Vâgmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att diffusororganen omfattar en avloppskanal (13) med ökande tvär- snitt. vílken kanal är axíellt anordnad i förhållande till be- hållarorganens (8) utgång. 7901082-5 26

6. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att díffusororganen omfattar en avloppskanal (80. 97. 104) med ökande tvärsnitt. vilken kanal är radíellt anordnad i förhål- lande till behâllarorganens (77. 93. 101) utgång. 0

7. Vâgmotor enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av energi- omvandlarorgan (ll. 82. 103). som omvandlar kínetisk energi och är kopplade till behâllarorganens (8. 77. 101) utgång.

8. Vågmotor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av rörled- ningsorgan (98) med en inloppsport belägen inuti behâllarorga- nen (93) för uttagníng av en del av mediet, och med en ut- loppsport för utsläppande av nämnda mediedel utanför behållar- organen.

9. Vågmotor enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att in- gången till behâllarorganen (8) är anordnad vid dessas trög- hetsradie (38. 48).

10. Vâgmotor enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att behâllarorganen (101) har en horisontell axel.

11. ll. Vågmotor enligt krav Z, k ä n n e t e c k n a d av att hornet (100) har en trängsta sektion som sträcker sig paral- lellt med behâllarorganens (101) axel.

12. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att de hornliknande organen omfattar en icke-reflekterande ramp (100).

13. Vâgmotor enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att de avböjande ledskenorna (9) är utformade att överensstämma med brytande strålbanor (strömningslínjer).

14. Vågmotor enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att de hornliknande organen år ett brytande horn (69) med ett in- loppsparti (73) och ett trängsta sektionsparti (74), vilket horn icke-reflekterande transformerar ytvâgorna vid inlopps- 7901082-3 27 partiet (73) till pulser av övervägande kínetisk energi vid trängsta sektíonspartíet (74), och att behällarorganen utgörs av ett íhålígt. cylindriskt, vertikalt rör (77§ med en in- loppsände och en utloppsände, där inloppsänden år ansluten till det brytande hornets trängsta sektionspartí för att motta och temporärt ackumulera pulserna av kínetísk energi, och att turbinorgan (82), som har en utgångsaxel (83) och är inrättade att motta kinetisk energi som tillförs från det vertikala röret (77), är inrättade att bibrínga sin utgângsaxel (83) kontinuerlig rotatíonsrörelse.