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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einer
Fluidströmung.
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Im
Allgemeinen liegen Energiequellen eher flächig vor und
die Strömungen, aus welchen Energie zu gewinnen ist, indem
diese verlangsamt werden, haben oft nicht die Form der heute üblichen
Energiewandler, welche meist in der Form kreisrunder Turbinen konstruiert
wurden. Hierin wird ein großer Mangel der heute allgemein üblichen
Technik mit ihrer nur lokalen, eher punktförmigen statt
flächigen Energienutzung gesehen, was beispielsweise zu
vielen unregelmäßig auf der Fläche verteilten
Windenergierotoren geführt hat.
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Die
Problemlösung der Anpassung zwischen technischer Realität
der Energiewandler mit einer runden Form mit Größenbegrenzung
entsprechend der Zentrifugalkräfte- und Zugfestigkeits-Relation und
der Realität der natürlichen Strömungen
mit einer flächigen oder großräumigen
Form hat zu großen ökologischen und landschaftsbaulichen
Schäden geführt. Um eine neue Lösung
für dieses Problem zu finden, wurde zunächst nach
einer Möglichkeit gesucht, den Ort der Strömungsveränderung
und den Ort der Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie
räumlich zu trennen. In der
DE
33 30 899 wird eine Vorrichtung zur Vergrößerung
der Geschwindigkeit eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms und
in der
DE 36 07 644 eine
Konzentrator-Windturbine beschrieben. Hierbei werden im Kreis angeordnete
Tragflächen dazu genutzt, um an je einem Tragflächenende
einen Ablösewirbel zu erzeugen, wobei alle Ablösewirbel
zusammen eine Wirbelspule bilden und den umschlossenen Strömungskern
auf etwa die zweifache Geschwindigkeit beschleunigen. Eine derartige
Anlage, bei welcher der Ort der Windnutzung (außen liegender
Stator) und der Ort der Energieumformung (im Strömungskern
angeordneter Impellerrotor) räumlich getrennt sind, erlaubt
eine Konzentration des Windes und hat gegenüber den Großwindrotoranlagen
mit direkter Windnutzung den Vorteil, dass der Impellerrotor beispielsweise
auf ein Fünftel verkleinert ist und daher geringeren dynamischen Belastungen
ausgesetzt ist.
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Da
der Wirkungsgrad von Tragflächen und Flügeln genau
dann am größten ist, wenn sie lang und ungestört
von anderen Tragflächen ausgebildet sind, wird die kreisförmige
Anordnung der Tragflächen als nicht sinnvoll betrachtet.
Denn bei kreisförmiger Anordnung liegen die der Achse nahen
Flügelenden sehr dicht beieinander, was unweigerlich zu unerwünschten
Kurzschlussströmungen führt, welche die Energieausbeute
bei der Wirbelerzeugung schon im Vorfeld reduzieren. Denn hier liegen
zwei ungleiche Druckgebiete (Sog, Druck) dicht beieinander und gleichen
sich teilweise intern aus, bevor die Sekundärströmungen
die gebogene Abrisskante am Ende des Flügels erreichen.
Ferner werden die Sekundärströmungen von erforderlichen
mittigen Halterungen gestört.
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Aus
der
DE 10 2004 025 464 ist
bereits eine Vorrichtung mit einer Windkraftanlage am Ende einer Tragfläche
als Teil einer Flugzeugtragfläche oder eines Hubschrauberrotorblattes
bekannt. Diese Vorrichtung beansprucht jedoch keine Energieerzeugung,
sondern nur die wirksame Bekämpfung der bei Flugzeugen
nachteiligen Wirbelschleppen und erhebt keine Ansprüche
auf eine Kombination mit Generatoren.
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Aus
der
DE 33 15 439 ist
ein Hochauftriebsflügel in statischer Anwendung bekannt,
welcher zwar zur Energiegewinnung als auch zur Wirbelerzeugung vorgesehen
ist, welcher aber die im Auftriebssystem erzeugte Wirbelströmung
innerhalb des Flügels nutzt und an seinen Enden geschlossen
ist und dort Endscheiben aufweist. Der Rotor befindet sich daher
ebenfalls innerhalb des Flügels.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung
und ein Verfahren aufzuzeigen, um die Form von Energiewandlern besser
an die Form der ankommenden, eher flächigen Strömungen anzupassen.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wirbelströmung
und zumindest eine Einrichtung zur Energieumwandlung, wobei letztere
zur Umwandlung der Energie der Wirbelströmung in eine andere
Energieform geeignet ist, zu verwenden. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur
Lösung der Aufgabe, wurden Überlegungen angestellt,
von der kreisförmigen Anordnung von Tragflächen
abzugehen. Es wurden die Rahmenbedingungen ermittelt für
eine neuartige parallele und serielle Anordnung von Tragflächen,
bei welchen die Tragflächen mit genügendem Abstand
parallel angeordnet sein können.
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Die
Erfindung schlägt hierfür sogenannte Energietragflächen
vor, deren Aufgabe es ist, eine große Nutzfläche
zu bilden und die Strömungsenergie indirekt zur Erzeugung
von Druckunterschieden und Folgeströmungen zu nutzen, welche
an entfernter Stelle von Strömungsmaschinen verwertet werden.
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Gegenüber
der
DE 10 2004 025 464 wird
bei der hier vorgestellten Erfindung ein gänzlich anderer Zweck
verfolgt und als Hauptzweck der Vorrichtung die Erzeugung von nutzbarer
Strömungsenergie bzw. deren Umwandlung in elektrischen
Strom über Generatoren angegeben. Die Bildung einer Ausgleichsströmung
zwischen der Oberseite und Unterseite einer Tragfläche
wird nicht wie bei Wingletvorrichtungen bekämpft, sondern
ist erwünscht und wird bestmöglich gefördert.
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Gegenüber
der
DE 33 15 435 wird
bei der hier vorgestellten Erfindung ein Wirbel, vorzugsweise eine
Wirbelspule, erst indirekt am Ende eines Flügels bzw. in
einer getrennten Einrichtung außerhalb des Flügels
erzeugt, wodurch sich eine ganze Reihe prinzipieller Vorteile ergibt.
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Eine
erfindungsgemäße Wind- oder Wasserkraftanlage
erlaubt beispielsweise die Sammlung eines schnellen Fluidstroms
selbst in Bodennähe in einem Sammelrohr, welches über
tangential abgezweigte Rohre mit den Enden von Energietragflächen,
welche sich beispielsweise in 40 m Höhe befinden, verbunden
sind.
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Werden
Energietragflächen als Gitter angeordnet, so können
an den Knoten Wirbelgeneratoren oder Wirbelspulengeneratoren installiert
werden, welche die in vier eventuell riesigen Energietragflächen
mit beispielsweise jeweils 30 Meter Länge gesammelte Energie
auf einem relativ kleinen Raum so umformen, dass sich an einer vergleichsweise
kleinen Windturbine eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
ergibt.
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Die
Erfindung bezweckt die sukzessive Konzentrierung eingefangener Energie,
bis sich eine Umwandlung in einer Turbinen- oder Rotoranlage aufgrund
der erzielten höheren Geschwindigkeit und eines ausreichenden
Volumenstroms bestens lohnt. Diese Konstruktion ist bezüglich
des Wartungsaufwands sehr günstig, weil die komplizierten
und dynamisch belasteten Bauteile, beispielsweise Impellerrotor
mit Generator, alle in Bodennähe aufgestellt werden können
und daher auch überdimensionierbar sind, weil deren Gewicht
bei einer Bodenaufstellung bedeutungslos ist.
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Die
erfindungsgemäße Konstruktion ist auch für
bisher nicht für möglich gehaltene Leistungsgrößen
schnell umsetzbar und nicht mehr nur Sache einiger weniger auf hochkomplexe
Anlagen spezialisierter High-Tech-Unternehmen. Die Erfindung ermöglicht
auch den Verzicht auf Extremwerkstoffe, zum Beispiel gewickelte
CFK-Harz-Rotoren und die Einführung eines Baukastens mit
einer großen Anzahl baugleicher Einzelteile, zum Beispiel
Energietragflächen und Wirbelspulengeneratoren.
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Das
neue erfindungsgemäße Konzept lässt sich
abkürzen auf die Formel: Große ruhende Tragflächen,
als Gitterkonstruktion große Flächen belegend,
als Einzeltragflächen Bauwerke umrahmend, in Kombination
mit beispielsweise auf ein Fünftel verkleinerten Impellerrotoren,
verglichen mit heute üblichen Windkraftanlagen. Hierbei
verursacht eine zu nutzende Primärströmung eine
sekundäre, tertiäre und bei Wirbelspulen quartäre
Folgeströmung, wobei die resultierende Strömung
nur einen Bruchteil der Größe der Primärströmung
beträgt, aber ein höheres Geschwindigkeitsniveau
und mehrfache Energiedichte aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Problemlösung besteht
demzufolge darin, aus dem Sogpotential der Tragflächenoberseite
und aus dem Überdruckpotential der Unterseite der Tragflächen
eine starke Drallströmung oder im Idealfall eine mehrgängige
Wirbelspule zu bilden, wobei die Tragflächen als Stützen- und
Trägerkonstruktion große Flächen erfassen
und an den Knotenpunkten, an welchen die Tragflächen enden,
Energiezent ren bilden. Dies ist durch ein gestuftes Tragflächenende,
durch Querbohrungen (lokaler Kurzschluss zwischen Ober- und Unterseite)
in bestimmten Abständen, durch Ablösekanten, Schrägen,
drallbildende Schaufeln, Lenkflächen, aufgefingerte Flügelenden
mit gekrümmten Flächen, Düsen usw. realisierbar.
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Während
bei Luftfahrzeugen, Turbinen und Pumpenlaufrädern die Bildung
von Randwirbeln unerwünscht ist und man dabei Winglets
als Abhilfe anwendet, wird hier eine Tragflächenkonstruktion
vorgeschlagen, welche die Bildung von Randwirbeln begünstigt,
wobei mehrere Randwirbel zu einer nutzbaren Gesamtströmung
zusammengefasst werden.
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Während
beim Betrieb von Flugzeugen und Propellern oder Impellern die Entstehung
von Wirbelschleppen störend und sehr unerwünscht
ist, erfolgt bei der hier vorgesehenen Energieverdichtung eine bewusste
Verstärkung dieses Störeffekts, d. h. es ist das
erklärte Ziel der Erfindung, einen möglichst starken
Wirbel am Ende von Tragflächen zu erzeugen, welcher eine
möglichst hohe Energiedichte aufweist und darüber
hinaus einen großen Luftstrom umfasst und somit auch in
Bezug auf die Größe der Vorrichtung eine hohe
Energieleistung erbringt. Hauptzweck der Erfindung ist die Maximierung
der Ausgleichsströmung zwischen Ober- und Unterseite der
Energietragfläche, um lokal an den Enden der Tragflächen
konzentrierte Energie zu erzielen.
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Eine
in der Patentschrift
DE 33 30
899 vorgeschlagene Vorrichtung erzeugt eine Wirbelspule
und damit eine schnelle Kernströmung, kann jedoch nicht im
Großformat realisiert werden, weil im Sturmfall dann viel
zu große Kräfte auftreten würden und
damit der Materialaufwand zur Bewältigung dieser Kräfte sehr
groß werden würde. Daher erscheint die Verwendung
von Energietragflächen in Form eines Tragwerks mit Stützen
und Trägern gerade die ideale Form für die Nutzung
von Windkraft/Wasserkraft im Großmaßstab zu sein,
bei welcher beispielsweise Energietragflächen mit einer
Spannweite von 100 Metern und mehr denkbar sind. Die Energietragflächen
würden beidseitig gehalten sein an den Knotenpunkten einer
sich gegenseitig versteifenden Konstruktion, welche statisch gesehen
stark belastbar ist, d. h. auch im Sturmfall selbst ohne Verstellung
der Energietragflächen funktionsfähig bleibt.
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Die
vorliegende Erfindung schafft nun neue Möglichkeiten, eine
große Fläche einer Windnutzung zu unterziehen,
wobei durch die regelmäßigen Abstände
der den Wind umformenden Energietragflächen ein optisch
wesentlich günstigeres Bild entsteht im Vergleich zu der
unregelmäßigen Anordnung von einzelnen Windrotoren
in der heute üblichen Form, welche durch die großen
Rotoren gekennzeichnet ist, deren Drehbewegung sehr langsam erfolgt.
Durch die mit konventionellen Anlagen entstandene Unregelmäßigkeit
der Anlagenaufstellung mit der Überlagerung der Bewegungen
einer Vielzahl von Rotorenblättern wird der individuelle
Landschaftseindruck insgesamt sehr beunruhigt, wodurch es verständlicherweise
bei einer Nachbarschaft zu Windenergieparks zu einer Ablehnung der
Windenergie gekommen ist.
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Die
erfindungsgemäßen Energietragflächen eignen
sich wegen ihrer möglichen großen Länge und
ihrer rein statischen Verwendung ohne Rotation wie bei üblichen
Windturbinen für tragende Funktionen, als Träger
und Stützen bzw. Säulen oder Masten in Erdbau-,
Holzbau-, Kunststoff-, Stahl-, Beton- oder Stahlbetonkonstruktionen
und können auch Teil eines Windverbandes einer Stahlkonstruktion
sein.
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Die
langgestreckte Form der Energietragflächen ist für
das Bauwesen vorteilhaft, d. h. die erfindungsgemäße
Vorrichtung eignet sich für eine Anordnung auf Dächern
und/oder oberhalb, seitlich oder innerhalb von Bauwerken, beispielsweise
Hochhaus, Brücke, Steg, Turm, Mauer, Deich, Lärmschutzwand,
Stahlkonstruktion, Wasserspeicher, Funkturm, Strommast, Balkon oder
Außentreppenhaus.
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Eine
Energietragfläche kann auch selbst Teil eines Gebäudes
sein und beispielsweise als Hülle für einen Aufzugsschacht
oder als Träger einer Balkon-, Terrassen- oder Treppenkonstruktion
dienen.
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Die
von der Vorrichtung erzeugten Folgeströmungen können
auch an Rohrleitungen weitergegeben werden. Dadurch können
Generatoren und Strömungsmaschinen nahe des Bodens angeordnet
werden.
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Vorgesehen
ist ferner, dass an beiden Enden einer Energietragfläche
eine Wirbelströmung erzeugt wird, sodass sich über
eine zweifache Ausnutzung des Sog- und Staudruckpotentials eine
höhere Energieausbeute ergibt und Endscheiben zur Strömungsblockierung
entfallen.
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Eine
Möglichkeit zur Erzeugung einer Quartärströmung
in Form einer Wirbelspule ist, dass ein oder beide Enden der Energietragfläche
abgestuft und zu einem Kreis eingerollt sind, wobei die an Kanten,
Schrägen, Bogenflächen o. a. wegen starker Ablenkung
der Strömung entstehenden Ablösewirbel vorzugsweise
gleich stark und zwecks Bildung einer Wirbelspule regelmäßig
kreisförmig angeordnet sind und dieselbe Drehrichtung ergeben.
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Mehrere
Energietragflächen können hintereinander geschaltet
werden, um die Geschwindigkeit der Wirbelströmung sukzessive
zu erhöhen und ergeben dann eine höhere Leistungsdichte.
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Energietragflächen
können jeweils mit einer gabelförmigen Struktur
enden, wobei durch die von den Gabeln gebildeten Schlitze Fluid
tangential abgesaugt und zusätzlich Überdruckfluid über
Düsen dem Drallraum tangential zugeführt wird,
so dass sich im Drallraum ein Wirbel oder eine mindestens 4-gängige
Wirbelspule bildet.
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Eine
wirbelförmige Tertiärströmung ergibt sich
bei schlitzförmiger Absaugung oder bei tangentialer Zuleitung
von Staudruckfluid an zwei tangential liegenden Spalten.
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Die
Energietragflächen können bei Hintereinanderschaltung
an einem Sammelrohr spiralförmig angeordnet sein, so dass
sich eine geringe gegenseitige Störung ergibt. Energietragflächen
sind auch zur Verwertung von Gezeitenströmungen oder Wellenenergie
vorgesehen.
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Ferner
ist vorgesehen, dass ein einfacher Wirbel am Ende einer Energietragfläche
dadurch erzeugt wird, dass das Ende eine kreisförmige Delle aufweist
und sich unterhalb einer Haube befindet, welche Überdruck
tangential in den Drallraum einleiten lässt und ebenfalls
eine tangentiale Verbindung zum Sograum der Energietragfläche
herstellt. In dem Wirbelraum können Lenkflächen
angeordnet sein, welche die kinetische Energie der Drehung in den
benötigten axialen Schub umwandeln.
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Eine
Energietragfläche kann auch mehrteilig aufgebaut sein und
aus einem belastbaren Trägerkörper oder Stützenkörper
und aus einer daran drehbar angeordneten Profilfläche bestehen,
welche den von Tragflächen bekannten Sogeffekt auf einer
Seite und Staudruck auf der anderen Seite erzeugt und so verstellbar
ist, dass die Vorrichtung an Windstärken anpassbar ist
bzw. auch starken Stürmen trotzen kann.
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Vorzugsweise
beträgt die Länge der Energietragflächen
im Verhältnis zum Durchmesser des eingerollten Endes bzw.
zum Durchmesser der Wirbelströmung größer
10:1.
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Die
von der Energietragfläche und einem Wirbelerzeuger oder
Wirbelspulenerzeuger hergestellte Strömung kann auch einer
Rohrleitung oder einem Kanal zugeführt werden und beispielsweise
zur Frischluftversorgung eines Gebäudes verwendet werden,
wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung als Ventilator
genutzt wird. Ferner ist eine Nutzung der Vorrichtung als Pumpe,
Kompressor, Luftstrahlpumpe oder Wasserstrahlpumpe möglich.
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Ferner
wird beansprucht, dass mehrere erfindungsgemäß erzeugte
Strömungen einem Strömungssammler zugeführt
werden, welcher die Kernströmungen mehrerer Wirbelspulen
vereinigt und durch deren Überlagerung höhere
Leistungen für Einzelturbinen ermöglicht oder
eine große Wirbelspule aus mehreren kleineren Wirbelspulen
durch Überlagerung und kreisförmige Anordnung
bildet, um ein sehr hohes Geschwindigkeitsniveau der Gesamtströmung
zu erzielen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Zerstäuber
gestaltet sein, um beispielsweise an den Küsten trockener
Landschaften Meerwasser zu zerstäuben, damit über
die stattfindende Verdunstung Süßwasser gebildet
wird und die Entstehung künstlicher Wolken möglich
wird, welche zur Beseitigung von Wüsten und Savannen beitragen und
im Falle von Trockenheit für künstlichen Regen sorgen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, mit der Vorrichtung Medien zu kühlen
oder zu erhitzen, indem die Strömung einen Ventilator ersetzt
und einen Erhitzer oder Kühler einer Wärmepumpe
oder Kühlanlage durchflutet.
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Die
Vorrichtung kann auch Teil eines Schiffes sein, indem an Deck Energietragflächen,
welche einerseits Schub auf das Schiff ausüben und gleichzeitig
die Sekundärströmung zur Energiegewinnung nutzen,
montiert sind.
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Die
Vorrichtung kann allgemein auf bewegten Objekten zum Einsatz kommen
und auch auf Schienenfahrzeugen montiert sein, um durch Bewegung
der Vorrichtung eine Ausrichtung in den Wind zu erhalten oder um
die Vorrichtung in windreichere Gebiete verlagern zu können.
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Beansprucht
wird auch die Vorrichtung als Teil eines Flugzeuges oder Hubschraubers,
indem die Vorrichtung eine Tragfläche oder sonstige Leitwerks-
oder Steuerfläche ersetzt bzw. ein Teil dieser Einrichtungen
ist. Ferner wird beansprucht, dass die Vorrichtung ein Teil eines
Propellers, Impellers, einer Schiffsschraube oder Turbine, eines
Pumpenlaufrades, eines Verdichters oder einer sonstigen Strömungsmaschine
ist.
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Energietragflächen
können auch zwischen Bauwerken, Konstruktionen, Geländeerhebungen, Bergen
angeordnet sein und so den zwischen Strömungshindernissen
entstehenden Düseneffekt nutzen, um die Energieausbeute
zu steigern. Auftriebsströmungen lassen sich über
waagrecht angeordnete Energietragflächen nutzen.
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Ferner
ist die Vorrichtung auf Bergkuppen vorgesehen, um die dort häufigeren
und stärkeren Winde zu nutzen.
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Aufgabe
der Wirbelspulengeneratoren ist es, aus der oder den Sekundärströmungen
der Energietragflächen eine konzentriertere Folgeströmung
zu machen, in deren Zentrum sich eine drallarme Kernströmung
(Quartärströmung) mit sehr hoher Längsgeschwindigkeit
bildet. Wirbelspulengeneratoren weisen mindestens eine Ringkammer
auf, vorzugsweise jedoch zwei Ringkammern. Der Wirbelspulengenerator
mit zwei Kammern ist sowohl mit dem Überdruckbereich als
auch mit der Sogzone einer Energietragfläche verbunden.
Von den Ringkammern ausgehend gibt es radiale Verbindungen zum Wirbelraum,
wobei die Fluidströme am Übergang in den Wirbelraum
eine scharfe Umlenkung erfahren. Diese Umlenkung kann bewirkt werden
von Lenkblechen mit eingerolltem Ende, von Unterteilerplatten mit
Schrägen oder Bögen am Ende oder von sonstigen
Ablösestellen.
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Die
Energietragflächen können um ihre Achse drehbar
sein, so dass beispielsweise eine Gitterkonstruktion aus vielen
Energietragflächen nach dem Wind ausrichtbar ist und dadurch
einen höheren Wirkungsgrad erzielt.
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Die
Energietragflächen können einen oder mehrere von
der Luft- und Raumfahrt her bekannten Vorrichtungen zur Vermeidung
von Wirbelschleppen am Tragflächenende aufweisen und beispielsweise Winglets,
Prallplatten, Strömungsbremsen o. a. am nicht genutzten
Tragflächenende tragen. Es ist ferner vorgesehen, die von
der Luft- und Raumfahrt her bekannten Effekte und Vorrichtungen
zur Erhöhung von Auftrieb an Tragflächen zu nutzen
und beispielsweise Vorflügel, Spaltflügel, Rückstromtaschen,
Profilabsaugungen, Luftschleiereindüsungen usw. vorzusehen.
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Die
Energietragflächen können über ihre gesamte
Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen, um für
eine Massenfabrikation geeignet zu sein, so dass niedrige Herstellkosten
resultieren.
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Alternativ
können die Energietragflächen nach den Erkenntnissen
der Bionik konstruiert sein und beispielsweise je nach Höhe
der Biegespannung eine hyperbolisch verlaufende Querschnittgröße
aufweisen.
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Eine
Anzahl von Energietragflächen kann an einem gemeinsamen
Ringrohr bzw. an einem in sich geschlossenen Kanal angeordnet sind,
wobei an einer oder mehreren Stellen Strömungsmaschinen
angeordnet sind, um die im Rohr oder Kanal strömende Wirbelluft
energetisch zu nutzen. Vorzugsweise wird die Wirbelluft einerseits
durch die Wirkung der davor liegenden Energietragflächen
in die Turbinen gedrückt und andererseits wird durch die
nach den Turbinen angeordneten Energietragflächen auf den
Ausgang der Turbinen ein vorteilhafter Sog ausgeübt.
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Eine
als Energietragfläche genutzte Tragfläche kann
auch ohne den Umweg über eine Wirbelbewegung genutzt werden,
indem die Sekundärströmung, welche quer zur Energietragfläche
erfolgt, von einer Strömungsmaschine direkt genutzt wird,
wobei vorzugsweise Einrichtungen genutzt werden, welche die Strömung
lokal an der Strömungsmaschine konzentrieren. Zur Konzentrierung
sind vorgesehen: Streben, Umkehrtrichter, strömungsgünstige
Hindernisse, Leitblöcke oder Leitflächen.
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Vorzugsweise
können Lenkflächen insbesondere bei Flugzeugen
zur Herstellung von Antriebs-, Brems- oder Steuerkräften
sinnvoll genutzt werden und können Wirbelschleppen verhindern.
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Erfindungsgemäß sind
neuartige Wirbelspulenerzeuger offenbart, welche zur Bildung eines
Wirbels oder einer mehrgängigen Wirbelspule vorgeschlagen
werden. Diese Konstruktionen sind nur beispielhaft zu sehen. Alle
anderen bekannten Konstruktionen, mit denen sich Wirbel/Wirbelspulen
an Energietragflächen erzeugen lassen, werden ebenfalls
beansprucht. Energietragflächen können zur maximalen
Strömungskonzentration auch in mehreren Stufen angewandt
werden.
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Es
wird vorgeschlagen, dass Energietragflächen eine für
die Erzeugung einer starken Folgeströmung günstige
Form aufweisen und in ihrer Form so optimiert sind, dass nicht die
Höhe der Auftriebskraft das Hauptziel ist wie bei üblichen
Anwendungen von Tragflächen zum Beispiel Flugzeugen, Hubschrauber oder
Windrotoren, sondern der erzielbare Druckunterschied zwischen den
Seiten der Druck- und Sogseite der Energietragfläche sowie
die Größe des erzielbaren Volumenstroms, da diese
beiden Werte die am Wirbelraum verfügbare Leistung und
die Leistung der Vorrichtung maßgeblich bestimmen. Insbesondere
kann die Energietragfläche in Anströmrichtung
symmetrisch sein und daher keine resultierende Auftriebskraft erzeugen
und dennoch hohe Druckunterschiede erzeugen, indem beispielsweise
auf beiden Seiten des Profils ein Sog entsteht.
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Eine
Energietragfläche kann auch so aufgebaut sein, dass deren
Innenraum zur Weiterleitung von Fluid nutzbar ist, indem die Energietragfläche eine
Unterdruckkammer und/oder eine davon getrennte Überdruckkammer
oder mehrere davon aufweist.
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Die
Außenfläche der Energietragfläche kann an
düsenförmig gestalteten Stellen unterbrochen sein
oder mehrteilig aufgebaut sein und mehrere Düsenkörper
und Spalten aufweisen, so dass über die Düsen
der Innenraum dem außen vorherrschenden Sog ausgesetzt
ist und evakuiert wird. Alternativ zu den Düsen und Spalten
dienen zur Evakuierung einer Energietragfläche bei Anströmung
Bohrungen, Lochmuster, Gitter mit Öffnungen, weitmaschige
Gewebe, poröse, für Fluide durchlässige
Stoffe oder sonstige Perforationen an den der Strömung
zurückweichenden Oberflächen.
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Die
Außenfläche der Energietragfläche kann auch
eine Kammer bilden, in welcher sich ankommendes Fluid aufstaut und
einen Überdruck in der Kammer verursacht. Diese Überdruckkammer
liegt vorzugsweise auf der Seite der Energietragfläche, welche
der ankommenden Strömung zugewandt ist.
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Eine
erfindungsgemäße Energietragfläche ist
an ihren Enden mit Rohranschlüssen versehen und dadurch
bequem an Rohrleitungen oder Lüftungskanälen anordbar.
Alternativ ist die Anordnung eines Wirbel- oder Wirbelspulengenerators
direkt am Ende einer Energietragfläche oder erst am Ende
der vorteilhaften Rohranschlüsse vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Konstruktion ist auch als Zuluftanlage,
Zu- und Abluftanlage oder Klimaanlage nutzbar.
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Weitere
Anwendungsbereiche für Energietragflächen sind
das Ansaugen und Pumpen von Fluiden, indem die erzeugten Folgeströmungen
eine Hubbewegung von Wasser oder anderen Fluiden bewirken sowie
die Anreicherung von Gewässern mit Sauerstoff, indem der
von einer Energietragfläche erzeugte Unterdruck Luft abwärts
bis unterhalb einer Wasseroberfläche saugt.
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Auch
Gebäude können als Energietragflächen
verwendet werden, wenn diese eine dem Wind zurückweichende
Seitenfläche und/oder Staudruckflächen aufweisen.
Die erzeugten Sogströmungen oder Staudruckströmungen
könnten in ein parallel zu den Seitenwänden verlegtes
Sammelrohr eingespeist werden. An mindestens einem Sammelrohr können
Energietragflächen angeordnet sein und ihre Sekundärströmungen
strömungsbildend in das Sammelrohr einbringen. Ferner können
zusätzlich an der Einleitstelle der Sog- und/oder Staudruckströmungen oder
an anderen Stellen der Sammelrohre Wirbelspulenerzeuger angeordnet
sein.
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Eine
mit einem Staudruckraum ausgestattete Energietragfläche
kann mehrere Reihen Ablösewirbel erzeugen, indem Fluid
aus dem Staudruckraum über Öffnungen in der Hülle
an zurückweichenden Oberflächen ausströmt
und an dort installierten Bogenflächen und Ablösekanten
eine Serie von Wirbeln bildet.
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Wird
ein Energietragflächenende mehrteilig ausgeführt
und jedes der Teile mit unterschiedlichem Durchmesser kreisförmig
aufgerollt, so lassen sich mehrere ineinander geschachtelte Wirbelspulen
herstellen, welche jeweils die näher am Zentrum liegende
Strömung beschleunigen.
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Parallel
angeordnete Energietragflächen können durch Versatz
oder durch unterschiedliche Länge kreisförmig
angeordnete Ablösewirbel ergeben.
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Eine
mit Hohlräumen ausgestattete Energietragfläche
kann in ihrem Innenraum Wirbel bzw. ein oder mehrere Wirbelspulen
erzeugen, indem die Energietragfläche Öffnungen
aufweist, über welche Fluid zu innenliegenden Wirbelauslösern
geleitet wird.
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Wenn
Energietragflächen große statische Lasten übernehmen
sollen, so läßt sich deren Drehbarkeit nur schwer
realisieren. Daher wird eine Vorrichtung mit mehreren Abschnitten
beansprucht, welche jeweils nach den Hauptrichtungen der Primärströ mung
ausgerichtet sind und daher die Vorrichtung insgesamt unabhängig
von der Richtung der Primärströmung machen.
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Energietragflächen
können auch mechanisch bspw. von Elektromotoren, Wasser-
oder Windturbinen in Rotation versetzt werden, womit sich pulsierende
Druckwellen ergeben.
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Die
Erfindung wird anhand nachfolgender Figuren beispielhaft erläutert
und bildlich dargestellt.
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Es
zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Strömungsvorrichtung
für einen horizontalen Wind,
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2 eine
Strömungsvorrichtung (Windkraftanlage), wobei die Energietragflächen
einteilig und nicht drehbar sind,
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3 eine
Strömungsvorrichtung, welche im Rohr eine Saugströmung
hervorruft,
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4 eine
Energietragfläche als diagonalen Windband, welcher die
Stützen versteift,
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5 Energietragflächen,
welche wie Stützen senkrecht angeordnet sind,
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6 eine
Energietragfläche vor dem Einrollen des stufenförmigen
Energietragflächenendes zu einem Wirbelraum,
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7 die in 6 dargestellte
Abwicklung nach dem Einrollen des vierstufigen Energietragflächenendes,
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8 eine
Energietragfläche an einer Seitenfläche und einen
Wirbelspulenerzeuger auf dem Dach eines Hochhauses,
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9 eine
Energietragfläche an der Seitenfläche eines Gebäudes,
wobei jedoch zur einfachen Wartung die Strömungsmaschine
am Boden angeordnet ist,
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10 zwei
vierblättrige Strömungsmaschinen, welche von drei
Energietragflächen mit Strömungsenergie gespeist
werden,
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11 zwei
Energietragflächen, wobei die Tragflächenenden
dazu genutzt werden, um an Wirbelspulengeneratoren Strömungsmaschinen
anzutreiben,
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12 mehrere
Energietragflächen als Teil eines Mastes,
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13 einen
Wasserkanal mit gezielter Erzeugung einer Wirbelspule mit Hilfe
von Energietragflächen,
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14 die
in 13 dargestellte beschleunigende Vorrichtung in
Seitenansicht,
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15 die
Hintereinanderschaltung von vier Energietragflächen mit
je einem Wirbelspulenerzeuger,
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16 zwei
Energietragflächen mit gabelförmigem Ende,
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17 eine
drallbildende Konstruktion mit zwei halbkreisförmig gebogenen
Enden an Energietragflächen,
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18 eine
Energietragfläche mit einer halbkreisförmigen
Eindellung an ihrer Endfläche und eine über das
Ende der Energiefläche gestülpte Haube,
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19 eine
Variante der in 18 gezeigten Vorrichtung,
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20 einen Wirbelspulengenerator, welcher
mit der Sogströmung und mit der Überdruckströmung
einer Energietragfläche verbunden ist und einen Wirbelspulengenerator
im Längsschnitt als Teil einer Rohrleitung,
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21 einen
Wirbelspulengenerator im Detail, wobei jede Unterteilerplatte über
zwei benachbarte Bohrungen in Verbindung steht,
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22 eine
von vielen Energietragflächen gespeiste und statisch geschützte
Ringleitung,
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23 die
Vorrichtung gemäß 22 in
der Draufsicht,
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24 eine freistehende Energietragfläche als
Turm, sowie weitere Turmvarianten,
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25 eine Konstruktion mit einer Treppenstufe
an einer gebogenen ein- oder mehrteiligen Tragefläche,
eine Konstruktion mit zwei Energietragflächen, die Konstruktion
mit an beiden Enden der Energietragflächen genutzter Umströmung
und ein Gebäude, welches die äußere Form
einer Energietragfläche aufweist,
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26 eine
Energietragfläche, welche mittig unterbrochen ist oder
mittig eine große Aussparung aufweist,
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27 eine
Energietragfläche mit einer am Boden aufgestellten konventionellen
Strömungsmaschine,
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28 die
gleichsinnige Wirkung von Düsen,
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29 eine erfindungsgemäße
Energietragfläche zur Verwendung bei der Anströmung,
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30 eine
Windkraftanlage, welche Energietragflächen nutzt,
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31 eine
mehrfache Konzentration einer Strömung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren,
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32 eine
erfindungsgemäße Energietragfläche im
Querschnitt,
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33 eine
Anwendung der in 32 dargestellten Konstruktion,
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34 eine
Energietragfläche, deren Unterdruckkammer und deren Überdruckkammer
jeweils an ein Rohr abgeschlossen sind,
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35 eine
Energietragfläche mit nur einer Kammer,
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36 die
Alternative zu den Düsen und Spalten in 35,
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37 eine
in Wasser getauchte Energietragfläche in senkrechter Aufstellung
zum Fördern von Wasser oder zur Belüftung/Sauerstoffanreicherung,
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38 die Erfindung in einem Blockschema,
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39 die
Möglichkeit, an einem Abschnitt einer Energietragfläche
ein oder mehrere Wirbelreihen zu erzeugen,
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40 eine
Energietragfläche mit dreiteiligem Ende, welche drei ineinandegeschachtelte
Wirbelspulen erzeugt,
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41 einen
Baustein mit parallel angeordneten Energietragflächen,
welche eine Wirbelspule erzeugen,
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42 einen
Abschnitt Energietragfläche mit Konzentrierflächen,
wobei die Staudruckströmung zwei Wirbel im Innenraum erzeugt,
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43 drei
wirbelauslösende Lenkflächen am Energietragflächenende
zur Erzeugung innen liegender Wirbel,
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44 einen
Turm mit sieben Energietragflächen, für jede Strömungsrichtung
geeignet,
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45 eine
Reihe Energietragflächen, welche zwei benachbarte Wirbelreihen
erzeugt,
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46 eine
Boje mit motorisch angetriebenen Energietragflächen zur
Erzeugung von Druck- und Sogwellen während jeder Umdrehung,
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47 einen
Wirbelauslöser mit Bogenfläche und Ablösekante,
welcher auf der krummen Seite einer Energietragfläche angeordnet
ist und
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48 eine
Energietragfläche, welche mehrere Reihen Wirbel erzeugt.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Strömungsvorrichtung
für einen horizontalen Wind (P) mit einer aus Stützen
(B1), (B2) und Trägern (B3), (B4) bestehenden Stahlbaukonstruktion,
wobei die Träger (B3), (B4) Teil von Energietragflächen
(E1), (E2) sind und deren Nase bilden. Um im Falle eines Sturms
die Energietragflächen (E1), (E2) in eine Nullstellung
zu bringen, sind diese an Scharnieren (B5) über eine Achse
(D) drehbar gelagert. Die Oberseite (01) der Tragflächen
weist in Strömungsrichtung (P) eine vom Wind zurückweichende
Oberfläche auf und führt daher zur Bildung von
Sog, welcher am Tragflächenende zur Bildung einer Wirbelspule
genutzt wird, welche in einem Mantelrohr (R) eine Strömungsmaschine (M)
mit waagrechter Achse antreibt. Am Ende des Mantel rohrs wird die
Sogwirkung der Energietragflächen ebenfalls genutzt (das
schräge Ende folgt der Kontur der Energietragfläche).
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2 zeigt
eine Strömungsvorrichtung (Windkraftanlage), wobei die
Energietragflächen (E1), (E2) einteilig ausgeführt
und nicht drehbar sind und gleichzeitig die Träger der
Stabwerkskonstruktion bilden. Die Hauptstützen (B1), (B2)
tragen Körper, welche als Absaugraum (03) und
Einleitraum (04) dienen und auf der Seite der Energietragflächen
offen sind und eine oder mehrere Verbindungen zum Sammelrohr (R) über
tangentiale Stutzen (03'), (04') aufweisen, wodurch
eine Drallbewegung in Gang gesetzt wird. Am Ende des Sammelrohrs
(R) ist eine in Bodennähe oder am Boden stehende und leicht
zu wartende Turbine (M) mit Generator (G) angeordnet. Die Strömungsumformung
erfolgt hier nur dreistufig: Aus der Primärströmung
(P) werden zwei quer gerichtete Sekundärströmungen
(S1) und (S2) erzeugt, welche im Sammelrohr (R) eine Spiralwirbelströmung
als Tertiärströmung (T) verursachen.
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3 zeigt
eine Strömungsvorrichtung, welche im Rohr (R) eine Saugströmung
(Q) hervorruft, indem der Wirbelspulenerzeuger (C) eine Wirbelspulenströmung
erzeugt, welche die starke Sogleistung von Tragflächenoberseiten
(01) nutzt. Die Düsen (12) sind so gerichtet,
dass beide Sekundärströmungen (S1) und (S2) im
Rohr (R) einen gleichgerichteten Drall und eine nach oben saugende
Wirkung ergeben. Die Düsen (12) befinden sich
innerhalb von Absaugraum (03) bzw. Einleitraum (04).
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4 zeigt
Energietragflächen (E1)–(E4) als diagonalen Windverband,
welcher die Stützen (B1), (B2) versteift. Die Energietragflächen
sind auch hier Teil einer stabilen Konstruktion. Der Wirbelspulenerzeuger
(C) ist gleichzeitig das Mantelrohr einer Turbine (M) und weist
eine Stütze (B3) auf. An jeder Energietragfläche
entstehen Sogströmungen (S1) und Staudruckströmungen
(S2).
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5 zeigt
Energietragflächen (E), welche wie Stützen senkrecht
angeordnet sind. Damit mehrere Energietragflächen auf dieselbe
Strömungsmaschine (M) wirken, sind Übergangselemente
(19) abgewinkelt und in Richtung der Strömungsmaschine (M)
umgebogen. Diese Konstruktion verwendet Energietragflächen
konstanter Länge (L) und eignet sich daher als Baukasten.
Nur die Strömungsmaschinen (M) sind dynamisch belastet.
Diese Konstruktion eignet sich beispielsweise zum Bau von Türmen, Strommasten,
Funkantennen und Wasserspeichern.
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6 zeigt
eine Energietragfläche (E) vor dem Einrollen des stufenförmigen
Energietragflächenendes zu einem Wirbelraum. An den Stufen (A1)–(A4)
befinden sich Ablösestellen (K1)–(K4), welche
nach dem Einrollen des Flügelendes zu einer Walze sternförmig
an dem Einrolldurchmesser angeordnet sind und die Ablösewirbel
(W1)–(W4) ausbilden, welche durch Zusammenwirken eine mehrgängige
Wirbelspule ergeben.
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7a zeigt
die in 6 dargestellte Abwicklung nach dem Einrollen des
vierstufigen Energietragflächenendes (A). Die Endkanten
(K1) bis (K4) der Energietragfläche (E) sind hervorgehoben.
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7b zeigt
die an den Endkanten der Stufen entstehenden Ablösewirbel
(W1) bis (W4) sowie die im Zentrum der gebildeten Wirbelspulenströmung angeordnete
Strömungsmaschine (M).
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7c zeigt
Lenkflächen (10) zur Veränderung einer
Wirbelströmung. Die zur Drallrichtung geneigten Lenkflächen
(10) schieben die Wirbelspule in Achsrichtung des Wirbels
vorwärts.
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8 zeigt
eine Energietragfläche (E) an einer Seitenfläche
und einen Wirbelspulenerzeuger (C) auf dem Dach eines Hochhauses
(B). Dieses Beispiel verdeutlicht den erfinderischen Gedanken der
räumlichen Trennung von Energieeinfang und Energienutzung,
wobei die leichten, filigranen Strukturen (Energietragflächen)
von den schweren Strukturen (Strömungsmaschinen und Generatoren)
räumlich getrennt sind.
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9 zeigt
eine Energietragfläche (E) ebenfalls an der Seitenfläche
eines Gebäudes (B), wobei jedoch zur einfachen Wartung
die Strömungsmaschine (M) am Boden angeordnet ist.
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10 zeigt
zwei vierblättrige Strömungsmaschinen (M1), (M2),
welche von 3 Energietragflächen (E1)–(E3) mit
Strömungsenergie gespeist werden. Die Vorrichtung nutzt
den Winddüseneffekt auf allen drei Seiten des Gebäudes
(B) und weist auf dem Dach zwei gebogene Konzentrierflächen
(20a) und (20b) auf, welche die Geschwindigkeit
der Primärströmung an der Energietragfläche
(E2) erhöhen.
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11 zeigt
zwei Energietragflächen (E1) und (E2), wobei die Tragflächenenden
dazu genutzt werden, um an Wirbelspulengeneratoren (C1), (C2) Strömungsmaschinen
(M1), (M2) anzutreiben, wobei die Vorrichtung zwischen zwei Gebäuden
(B1), (B2) angeordnet ist und den Winddüseneffekt nutzt.
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12 zeigt
mehrere Energietragflächen (E1)–(E6) als Teil
eines Mastes, wobei Hochspannungsleitungen und/oder Telefonkabel
am Ende der Energietragflächen befestigt sind. So können
die üblichen Querträger von Hochspannungsmasten
durch Energietragflächen (E1)–(E6) ersetzt werden
und der Stromproduktion dienen.
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13 zeigt
einen Wasserkanal (24) mit gezielter Erzeugung einer Wirbelspule
(Q) mit Hilfe von Energietragflächen (E1), (E2), wobei
die Wirbelspule zum Vorauseilen des Fließkerns genutzt
wird. Auch hier ist vorgesehen, dass die Enden der Tragflächen eine
Wirbelspule erzeugen, indem die Tragflächenenden abgestuft
ausgeführt und zu einem Ring aufgerollt sind, an dessen
Kanten sich kreisförmig verteilte gleichdrehende Ablösewirbel
ergeben, welche zusammen eine Wirbelspule bilden. Mehrere dieser Vorrichtungen
können entlang des Wasserkanals hintereinander angeordnet
sein.
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14 zeigt
die in 13 dargestellte beschleunigende
Vorrichtung in Seitenansicht, wobei durch dreimalige bzw. beliebig
häufige Anwendung von Energietragflächen (E1)–(E3)
mit je einem Wirbelspulenerzeuger (C1)–(C3) in einem Wasserkanal (24)
derjenige Teil der Wasserströmung (I), welcher innerhalb
der Wirbelspulenströmung (Q) bzw. entlang dessen Achse
strömt, sukzessive beschleunigt wird.
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15 zeigt
die Hintereinanderschaltung von vier Stück Energietragflächen
(E1)–(E4) mit je einem Wirbelspulenerzeuger (C1)–(C4),
wobei eine sukzessive Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang
der Wirbelspulenachse resultiert und die Energiedichte fortlaufend
zunimmt. Dies ermöglicht die Verwertung auch schwacher
Winde oder langsamer Wasserströmungen. Durch die dargestellte
räumlich verteilte Anordnung der Energietragflächen
(beispielsweise Drehung um jeweils 90°) wird erreicht, dass
die Anströmung dieser Energietragflächen möglichst
ungestört erfolgt. Rechts ist in der Vorderansicht die
Energietragfläche (E4) mit dem Wirbelspulenerzeuger (C4)
abgebildet.
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16 zeigt
zwei Energietragflächen (E1), (E2) mit gabelförmigem
Ende (A1), (A2), wobei Fluid von den Druckseiten (02a),
(02b) durch Düsen (03a), (03b)
strömt und anschließend dem durch zwei Gabeln
gebildeten Drallraum (05) tangential zuströmt. Die
beiden Energietragflächen sind vorzugsweise baugleich,
jedoch um 180° gedreht angeordnet, so dass deren Sogseiten
auf verschiedenen Seiten liegen. Dem Drallraum (05) werden
zwei unter höherem Druck stehende tangentiale Fluidströme
zugeführt, dargestellt von gepunkteten Linien mit Fließrichtungspfeil.
Ferner haben auch die Sogseiten der Energietragflächen
eine strömungsseitige Verbindung mit dem Drallraum und
saugen über einen Spalt (04a), (04b) über
die gestrichelten Linien Fluid aus dem Drallraum. An den Endkanten
(K1), (K2) bilden sich Ablösewirbel (W1), (W2). Auf diese
Weise erhält der Drallraum (05) an vier verteilt
angeordneten Umfangspunkten einen drallbildenden Impuls, welcher im
Drallraum zur Ausbildung eines starken Wirbels führt. Über
Strömungsblockierflächen (15a), (15b) wird
ein "Kurzschluss" zwischen den Sogseiten (01a), (01b)
und den Druckseiten (02a), (02b) verhindert. Konzentrier flachen
(20a), (20b) lenken die Strömung der
Druckseite in die Düsen (03a), (03b).
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17 zeigt
eine drallbildende Konstruktion mit zwei halbkreisförmig
gebogenen Enden (A1), (A2) an Energietragflächen (E1),
(E2). Fluid wird hier über die stark erweiterten Spalten
(03a), (03b) vom Wirbelraum (05) nach
außen zu den Sogseiten (01a), (01b) gesaugt.
Die Strömung ist durch die strichlierten Fließwege
(S1) dargestellt. Die Druckseiten (02a), (02b)
werden in diesem Beispiel nicht zur Drallerzeugung genutzt und über
Strömungsblockierflächen (15a), (15b)
vom Sograum bestmöglich abgeschirmt, indem die gepunktet
dargestellten Fließwege (S2) nach außen abgelenkt
werden.
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18 zeigt
eine Energietragfläche (E) mit einer halbkreisförmigen
Eindellung (09) an ihrer Endfläche und eine über
das Ende der Energietragfläche gestülpte Haube
(13), welche zusammen einen Wirbelraum (05) bilden,
in welchem die Tertiärströmung (T) in Form eines
Wirbels entsteht. Die erzeugte Wirbelströmung (T) kann über
eine Rohrleitung oder einen Kanal auch an weit entfernte Orte (Turbine
am Boden) weitergeleitet werden. Auf der Sogseite (01) wird
die Strömung (S1) erzeugt, so dass Fluid tangential aus
dem Wirbelraum in den Sograum (16) abgesaugt wird. Auf
der Überdruckseite (17) wird die Strömung
(S2) erzeugt, welche Fluid in den Wirbelraum tangential einströmen
lässt. Beide Strömungen (S1), (S2) wirken zusammen
und versetzen das Fluid im Wirbelraum (05) in Drall.
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19 zeigt
eine Variante der in 18 gezeigten Vorrichtung, wobei
im Wirbelraum Lenkflächen oder Schaufeln (10a),
(10b) angeordnet sind, um die Wirbelströmung in
deren Achsrichtung zu beschleunigen und Schub auf die Wirbelströmung
auszuüben, beispielsweise zur Überwindung von
Druckverlusten in der nachfolgenden Rohrleitung.
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20a zeigt einen Wirbelspulengenerator (C), welcher
mit der Sogströmung (S1) und mit der Überdruckströmung
(S2) einer Energietragfläche (E) verbunden ist, wobei an
der überdeckten Oberfläche der Energietragfläche
jeweils eine Kammer (03), (04) gebildet ist, welche
mit je einem Ringraum des Hauptteils verbunden ist. An den Ringräumen
(16), (17) im Hauptteil befinden sich kreisförmig
angeordnete verjüngte Düsen, über welche
Fluid zugeführt bzw. abgesaugt wird, wobei eine durch Ablösewirbel (W)
gebildete Wirbelspulenströmung (Q) mit einer Kernströmung
(I) entsteht.
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20b zeigt einen Wirbelspulengenerator (C) im Längsschnitt
als Teil einer Rohrleitung (R), mit welcher die erzeugte Wirbelspulenströmung
zu anderen Orten transportierbar ist. Hierbei sind die Ringräume
(16), (17) mit den gegenüberliegenden Seiten
von Unterteilerplatten (11a), (11b) beispielsweise über
Radialkanäle verbunden, so dass sich an den inneren Enden
der Unterteilerplatten an Schrägen (K) Ablösewirbel
(W1), (W2) bilden, welche durch Überlagerung zusammen eine
Wirbelspulenströmung (Q) ergeben, in deren Zentrum sich
eine drallarme Kernströmung (I) mit sehr hoher Längsgeschwindigkeit
(V) bildet.
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21 zeigt
einen Wirbelspulengenerator (C) im Detail, wobei jede Unterteilerplatte
(11) über 2 benachbarte Bohrungen in Verbindung
sowohl mit dem Absaugraum (03) als auch mit dem Einleitraum (04)
steht. Der 90°-Bogen am Ende einer Unterteilerplatte löst
einen Ablösewirbel aus, welcher in die Unterdruckzone hinein
wirbelt. Mehrere Ablösewirbel bilden zusammen die vorteilhafte
Wirbelspule.
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Die
Vorrichtung in 22 enthält eine von vielen
Energietragflächen (E) gespeiste und statisch gestützte
Ringleitung (R) und eine Strömungsmaschine (M) mit Generator
(G) mit einem Zugangstreppenhaus. An den Enden der Energietragflächen
befinden sich jeweils Wirbelspulengeneratoren (C). Zur Unterstützung
des hier realisierten Strömungskreislaufs wird die Erwärmung
der vor der Turbine gelegenen Anlagenteile mittels Sonnenenergie
als auch die Kühlung der nach der Turbine liegenden Anlagenteile vorgeschlagen.
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23 zeigt
die Vorrichtung gemäß 22 in
der Draufsicht in der Umgebung der Strömungsmaschine (M),
mit Energietragflächen (E) in Reihe, an deren Enden sich
jeweils Wirbelspulenerzeuger (C) befinden, welche an der gemeinsamen
Rohrleitung (R) angeschlossen sind und in dieser die Quartärströmung
(Q) erzeugen.
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24a zeigt eine freistehende Energietragfläche
(E) als Turm, welcher mit Spannseilen (18) verspannt ist.
Am oberen Ende des Turms befindet sich eine Endscheibe (15),
welche eine Umströmung der Energietragfläche am
energetisch nicht genutzten Ende verhindert. Die Windturbine (M)
ist in gut zugänglicher Lage unten am Turm angeordnet.
Das Gewicht des Turms wird von Stelzen (B) in den Boden geleitet.
Die Stelzen realisieren gleichzeitig eine Strömungskonzentration
und vorzugsweise eine Wirbelspulenerzeugung.
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24b zeigt eine weitere Turmvariante, wobei die
Energietragfläche (E) von Konzentrierflächen (20a),
(20b) umrahmt ist, welche wie eine Düse die Strömung
an der Energietragfläche konzentrieren und an dieser eine
lokal höhere Windgeschwindigkeit verursachen. Vorzugsweise
sind die Konzentrierflächen (20a), (20b)
mit Streben (B) an der Energietragfläche fixiert. Die Strömungsmaschine
(M) befindet sich hier an einer großen Durchgangsöffnung
in der Energietragfläche (E), deren Restquerschnitt dennoch
das gesamte Turmgewicht tragen kann. Durch den über die
Gesamtlänge konstanten Querschnitt der Energietragfläche
ergeben sich niedrige Baukosten.
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24c zeigt eine Turmvariante mit einem Basiskörper
(B2), welcher die Strömung bis zur Windturbine (M) strömungsgünstig
verjüngt, wobei hier die Achse der Strömungsmaschine
senkrecht verläuft. Die Energietragfläche (E)
ist über eine Säule (B1) und Stahlseile (18)
fixiert. Die Türme sind in den 24a–c
stark verkürzt dargestellt.
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25a zeigt eine Konstruktion mit einer Treppenstufe
an einer gebogenen einoder mehrteiligen Tragfläche (E1),
(E2. Die Konstruktion ist mit Spannseilen (18) versteift
und weist oben eine Endscheibe (15) auf, um Strömungskurzschluss
zu vermeiden. Die Strömungsmaschine (M) befindet sich an
der waagrechten Stoßfläche. Das Gewicht der Konstruktion
wird zum Teil direkt (E1), zum anderen Teil (E2) über eine
Stelze (B1) in den Boden geleitet.
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25b zeigt eine Konstruktion mit zwei Energietragflächen
(E1), (E2), welche im gebildeten Zwischenraum (S1) jeweils ihre
Sogseite (01a), (01b) haben. Die Umströmung
der unteren Tragflächenenden ergibt den Antrieb der Strömungsmaschine
(M). Die Konstruktion kann mit oder ohne einen Wirbelspulengenerator
(C) ausgeführt sein. Die Konstruktion weist ferner eine
Endscheibe (15), Stelzen (B1), (B2) auf und ist von Spannseilen
(18) und Streben (B3) zwischen den Energietragflächen
versteift.
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25c zeigt die Konstruktion gemäß 25b, jedoch mit an beiden Enden der Energietragflächen
(E1), (E2) genutzter Umströmung, wobei zwei Strömungsmaschinen
(M1), (M2) zur Anwendung kommen.
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25d zeigt ein Gebäude (B), welches die äußere
Form einer Energietragfläche (E) aufweist, welche eine
gewölbte, gegenüber der Windanströmung
(P) zurückweichende Seitenfläche (01)
und eine annähernd parallel zum Wind liegende Seitenfläche
(02) aufweist. An der Seitenfläche (01)
bildet sich Sog aus, welcher aus den beiden Sammelrohren (R1) und
(R2), welche sich hier am Dachübergang befinden, Luft absaugt
und damit in den Rohren eine Drallströmung erzeugt. Über
zusätzliche Wirbelspulengeneratoren (C1), (C2) wird die
Drallströmung in den Rohren (R1), (R2) in eine Potentialdrallströmung (Wirbelspulenströmung)
umgewandelt und dadurch beschleunigt. Zusätzlich sind Energietragflächen
(E1 bis E6) in der bisher beschriebenen Form an den Sammelrohren
(R1), (R2) in der Abwärtsströmung angebracht.
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26 zeigt
eine Energietragfläche (E), welche mittig unterbrochen
ist oder mittig eine große Aussparung aufweist, in welcher
eine Spulen- oder Magnetkranz turbine (M), (G) angeordnet ist, deren Außenkranz
zusammen mit den Impellerschaufeln in der punktiert eingezeichneten
Strömung rotiert und an einem außen angeordneten
Stator direkt elektrische Leistung erbringt. Die äußeren
Enden der Energietragfläche (E) sind an Stützen
(B1), (B2) oder an Wänden von Bauwerken befestigt.
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In 27 ist
dieselbe Energietragfläche (E) mit einer am Boden aufgestellten
konventionellen Strömungsmaschine (M), (G) gezeigt.
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In 28 zeigt
die gleichsinnige Wirkung von Düsen, welche für
die beiden Wirkseiten einer Energietragfläche (Sogseite,
Staudruckseite) eine andere Düsenrichtung vorgeben, um
dieselbe Drallrichtung im Wirbelraum (05) zu erzeugen.
Ferner sind Lenkflächen (21) dargestellt, um die
quer gerichtete Sekundärströmung (S2) zu unterstützen,
wobei diese Lenkflächen (21) auch Endscheiben
ersetzen können. Für die rückseitige
Strömung (S1) werden die Lenkflächen um 180° gedreht.
Die Düsen (12) befinden sich an Rohrstücken
(R1), (R2).
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29 zeigt erfindungsgemäße
Energietragflächen (E) zur Verwertung der bei Anströmung (P)
entstehenden Potentialunterschiede am Beispiel eines Flugzeugs oder
eines Rotorblatts. Lenkflächen (22), (22a),
(22b) sind am Ende einer Energietragfläche (E)
vorzugsweise drehbar über Achsen (D) angeordnet und werden
von der Ausgleichsströmung angeströmt und lenken
diese dabei unter Abgabe einer Reaktionskraft [+ F] oder [– F]
ab. Die Reaktionskraft dient als Vortriebskraft in Dreh- oder Flugrichtung oder
als Bremskraft bzw. als Steuerkraft. Damit die Lenkflächen
gegenüber der Primärströmung nicht nachteilig
sind und von dieser abgeschirmt werden, wird der Bereich der Lenkflächen
umkleidet und beispielsweise von einer Haube oder Abdeckung (13) umschlossen,
wobei im Bereich der Lenkflächen Spalträume (14a),
(14b) als Fließraum für die Ausgleichsströmung
(T) realisiert sind. Mit dieser Vorrichtung ließe sich
die Energie von Sekundärströmungen (S1), (S2)
bei Flugzeugen zumindest teilweise als Vortriebs- oder Brems- und
Steuerkraft sinnvoll nutzen und Wirbelschleppen könnten
mit der Vorrichtung beispielsweise bei der Landung verhindert werden.
Die Lenkflächen (22) sind an der Frontfläche
angeordnet, die Lenkflächen (22a) und (22b)
befinden sich auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite der
Energietragfläche (E).
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30 zeigt
ein Windkraftwerk, welches Energietragflächen (E) so nutzt,
dass jeweils die gleichen Enden der Energietragflächen
an eine Saugleitung (16) und die gegenüberliegenden
Seiten an eine Überdruckleitung (17) angeschlossen
sind. Dadurch ergeben sich parallel liegende Sammelleitungen für Sog
und Überdruck. An allen Anschlussstellen der Energietragflächen
(E) an die Rohrleitungen (R1) und (R2) befinden sich Wirbelspulenerzeuger
(C), so dass in beiden Rohrleitungen Wirbelströmungen vorliegen,
welche tangential an den Wirbelbehälter (B) angeschlossen
sind, in welchem sich eine für Wirbelströmungen
geeignete Strömungsmaschine (M) befindet.
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31 zeigt
eine mehrfache Konzentration einer Strömung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren, wobei eine Primärströmung (P) an einer
ersten Stufe Energietragflächen (E1), (E2) Sekundärströmungen
erzeugt, welche von einer zweiten Stufe mit 10 Stück Energietragflächen
in lineare Folgeströmungen (a) bis (j) umgeformt werden,
welche wiederum an einem Wirbelspulengenerator (C) im Kreis angeordnete
Ablösewirbel (W) erzeugen, welche eine Wirbelspule bilden,
die in ihrem Zentrum eine beschleunigte Kernströmung verursacht,
welche von einer Strömungsmaschine (M) genutzt wird.
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32 zeigt
eine erfindungsgemäße Energietragfläche
(E) im Querschnitt, welche wegen ihrer Symmetrie keinen resultierenden
Auftrieb ergibt und dennoch über je eine Kammer für
Unterdruck (16) und Überdruck (17) verfügt
und durch die Veränderung der Primärströmung
(P) Druckunterschiede erzeugt, indem auf der Bugseite Staudruck
und an zurückweichenden Oberflächen Unterdruck
entsteht. Die Umströmung des Profits erzeugt über
Düsenflächen (12) und damit gebildete
Spalträume (14) in der Unterdruckkammer (16)
der Energietragfläche Unterdruck, welcher bis zum Energietragflächenende
weitergeleitet und dort energetisch genutzt werden kann. Es können
nur der Überdruck, nur der Unter druck oder auch beide Potentiale
genutzt werden, beispielsweise über direkte Ausgleichsströmungen
oder indirekt über Wirbelerzeuger und/oder Wirbelspulengeneratoren.
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33 zeigt
eine Anwendung der in 32 dargestellten Konstruktion,
wobei an einem Kanal (24b) Anschlüsse (25b)
angebracht sind, welche mit den Überdruckkammern (17)
der Energietragflächen (E1) und (E2) fluchten. Mit dieser
Methode können die von Energietragflächen erzeugten
Strömungen an Kanäle übertragen und in
diesen konzentriert werden. An den Unterdruckkammern (16)
sind ebenfalls Rohrstutzen (25a) angebracht.
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34 zeigt
eine Energietragfläche (E), deren Unterdruckkammer (16)
an ein Rohr (25a) und deren Überdruckkammer (17)
an ein Rohr (25b) angeschlossen ist. Energietragflächen
(E) mit fertig ausgerüsteten Rohranschlüssen (25a),
(25b) sind bequem an üblichen Rohrleitungen oder
Lüftungskanälen (24a), (24b)
anordbar.
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35 zeigt
eine Energietragfläche (E) mit nur einer Kammer (16),
in welcher über Spalträume (14) an Düsenflächen
(12) bei Anströmung (P) Unterdruck entsteht. Die
Energietragfläche hat vorzugsweise beidseitig Rohranschlüsse
(R), an welchen beispielsweise eine Endscheibe (15) oder
ein Sammelrohr Kanal (24) angeschlossen ist.
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36 zeigt
die Alternative zu den Düsen und Spalten in 35,
wobei das Innere der Energietragfläche (01) über
ein Gitter mit Öffnungen, eine Lochplatte oder eine poröse
Fläche (23), welche an der Sogzone angeordnet
sind, evakuiert wird.
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37 zeigt
Energietragflächen in senkrechter Aufstellung, welche am
oberen Ende von einer Haube (13) umgeben ist, wobei die
Vorrichtung in Wasser getaucht ist und bei einer Anströmung
(P) infolge der Sekundärströmungen (S1), (S2)
im Absaugraum (03) Unterdruck und im Einleitraum (04) Überdruck
auf weist, so dass einerseits Wasser angehoben werden kann und am
Anschlussstutzen (25) austritt. Andererseits wird die Sogseite
der Energietragfläche (rechts dargestellt) dazu genutzt,
um Sauerstoff in Wasser einzutragen, indem die Haube (13)
bis unter die Wasseroberfläche geführt ist und
beispielsweise Bohrungen oder Schlauchbündel für
den Luftaustritt unterhalb der Wasseroberfläche aufweist. Möglicherweise
können auf diese Weise schnelle Wasserströmungen
zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen ohne
Fremdenergiebedarf genutzt werden bei gleichzeitiger Belüftung
dieser Gewässer, zumindest bei schnellen Wasserströmungen.
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38 dient zur Veranschaulichung der Erfindung
mittels Blockschema. In 38a ist
die bei heutigen Windrotoranlagen übliche Direktkraftmethode
gezeigt, wobei eine Primärströmung (P) direkt
an der Anströmstelle am Tragflächenprofil eine
Schubkraft erzeugt. Sekundärströmungen würden
die Schubkraft verringern und sind daher hierbei unerwünscht.
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Die
erfindungsgemäße Zielstellung ist jedoch gerade
die Erzeugung starker Sekundärströmungen (S1)
und (S2) quer zur Primärströmung (P). 38b zeigt die einfachste Version nach der erfindungsgemäßen
Methode, wobei zwei Sekundärströmungen einen einfachen
Wirbel als Tertiärströmung (T) erzeugen.
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38c verfolgt das ebenfalls erfindungsgemäße
Ziel zur Herstellung einer Wirbelspule und erfordert mehrere kreisförmig
angeordnete Einzelwirbel, welche sich an Ablösestellen
als Tertiärströmungen (T1) bis (Tn) ergeben. Die
durch Wirbelüberlagerung zustande kommende Wirbelspule
stellt die Quartärströmung (Q) dar, in deren Kern
sich eine vorauseilende lineare Strömung bildet, welche
als weitere Stufe der Strömungsumformung betrachtet werden
kann und daher als Quintärströmung (I) bezeichnet
wird. Die Strömungsrichtung wird hierbei von Stufe zu Stufe
jeweils um ca. 90° verändert (Rechte-Hand-Regel
gilt in der Strömungstechnik ähnlich wie in der
Elektrotechnik).
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39 zeigt
einen kurzen Abschnitt einer Energietragfläche (E1) mit
der vertikal schraffierten herzförmigen Staudrucktasche
und 5 Wirbel bildenden Ablösekanten an einer Seitenfläche,
wobei an jeder Ablösekante 3 Wirbel entstehen, indem bspw.
3 über die Höhe des Abschnitts verteilte Düsen
Fluid aus der Staudrucktasche an eine innenliegende Bogenfläche
leiten, welche an der Ablösekante jeweils einen Wirbel
(W) verursacht. Da eine Seitenfläche 5 dieser Ablösekanten
aufweist, ergeben sich insgesamt 5 × 3 = 15 Ablösewirbel
(W1)–(W15) in Form einer zweidimensionalen Reihe. Die Wirbelreihen
ergänzen sich in ihrer die Kernströmung beschleunigenden
Wirkung.
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40 zeigt
eine Energietragfläche (E) mit einem dreiteiligen Energietragflächenende,
wobei 3 Endflächen mit Stufen ausgebildet und kreisförmig eingerollt
sind und über schräge Ablösekanten kreisförmig
angeordnete Ablösewirbel bilden und damit Wirbelspulenerzeuger
(C1)–(C3) sind. Die Wirbelspulenerzeuger (C1)–(C3)
haben unterschiedlichen Durchmesser, so daß mehrere Wirbelspulen
ineinander verschachtelt werden. Dadurch können die äußeren
Wirbelspulen die innerste Wirbelspule beschleunigen, welche ihrerseits
die Kernströmung beschleunigt. Durch diese Anordnung von
ineinander wirkenden Wirbelspulen kann der Konzentrationsfaktor
wesentlich erhöht werden.
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41 zeigt
einen um die Achse (D) drehbaren Baustein mit parallel angeordneten
Energietragflächen (E1)–(E16), welcher insgesamt
14 Tertiärströmungen (T) an den unterschiedlich
langen Energietragflächen erzeugt. Der Baustein ist von
4 Seitenflächen (B1)–(B4) umrahmt, wobei die Flächen
(B1) und (B3) wirksame Strömungsblockierelemente sind, welche
die Bildung von Wirbeln am nicht genutzten Ende der Energietragflächen
verhindern. Diese Abbildung zeigt, wie selbst mit parallelen Energietragflächen
eine mehrgängige Wirbelspule erzeugbar ist und daß derartige
Bausteine zur Energienutzung einfache Konstruktionen sind.
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42 zeigt
die Möglichkeit der Wirbelbildung im Innern von Energietragflächen,
indem an einem Abschnitt einer Energietragfläche mit Hilfe
einer Konzentrierflä che (20a) und Konzentriertrichtern (20b),
(20c) Fluid aus einem Gebiet höheren Drucks ins
Innere der Energietragfläche strömt und dort an geeignet
geformten Wirbelauslösern (K1), (K2) Ablösewirbel
(W1), (W2) hervorruft.
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43 zeigt
die Möglichkeit, daß mit Hilfe von Wirbelauslösern,
welche auch außen liegende Lenkflächen und Umkehrflächen
enthalten, an einem Energietragflächenende Wirbel erst
nach Umlenkung der Strömung in das Innere erzeugt werden.
Somit kann eine Energietragfläche erzeugte Energie in Form
von Wirbelströmungen (W1), (W2), (W3) auch in ihrem Innern
transportieren.
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44 zeigt
eine Windkraftanlage, welche in Längsrichtung aus mehreren
Abschnitten (E1)–(E7) besteht, welche unterschiedliche
Strömungsrichtungen (P1)–(P4) verwerten und dadurch
eine richtungsunabhängige Windkraftanlage ergeben, welche
nicht nach dem Wind gedreht werden muß und die sich daher
als statisches Bauelement einsetzen läßt. In den größeren
Staudruckkörpern (E2), (E4) und (E6) könnten Wirbelspulenerzeuger
und Windturbinen untergebracht sein.
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45 zeigt
die Möglichkeit, mittels parallel angeordneter Energietragflächen
mehrere Wirbelreihen zu generieren, indem die Energietragflächen
unterschiedlich lang sind. Zwei lange Energietragflächen
am Rand dienen als Stützen für die 7 Wirbel erzeugenden
Energietragflächen, welche an einer Tragplatte hängend
angeordnet sind. Die gezeigte Vorrichtung dient der Trocknung von
Gütern, indem die Ablösewirbel direkt über
dem zu trocknenden Körper eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
hervorrufen.
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46 zeigt
eine Boje mit unterhalb des Schwimmkörpers (B) übereinander
angeordneten Energietragflächen (E1)–(E4), welche über
einen Motor (M) oder mittels einer Windkraftanlage in Drehbewegung
versetzbar sind und bei ihrer Drehung Druckwellenpulse bzw. Unterdruckpulse
erzeugen, wobei eine oder mehrere im Schwimmkörper angeordnete
oszillierende Elektrospulen aus den Fluidpulsen elektrischen Strom
erzeugen. Diese Konstruktion einer Energieboje ist unabhängig
von der Richtung der Wasserströmung (P) und kann auch Wellenenergie
verwerten.
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47 zeigt
den Ausschnitt einer Energietragfläche, welche im Innenraum
einen Überdruck aufweist, wobei über eine Öffnung
in der Hülle der Energietragfläche eine Ausgleichsströmung
verursacht wird, die an der hinteren Ablösekante einer
gebogenen Fläche einen Wirbel erzeugt.
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48 zeigt
eine Energietragfläche (E) mit einer Vielzahl von Wirbelauslösern
(K1), (K2) mit unterschiedlichem Abstand von der Energietragfläche, wobei
die Wirbelauslöser über die Länge der
Energietragfläche gleichmäßig verteilt
sind und eine gleichsinnige Drehrichtung der Wirbel (W) ergeben, indem
die Bogenflächen links nach oben und die rechten nach unten
gebogen sind. Die Energietragfläche (E) ist auf der Bugseite
teilweise offen, so daß sich ein überdruckseitiger
Raum (17) ergibt, in welchem die ankommende Strömung
(P) aufgestaut wird und nur an den Stellen (04) tangential
den Wirbel bildenden Bogenflächen (K1), (K2) zugeführt wird.
Diese Konstruktion zeigt, daß mit einer einzigen Energietragfläche
mehrere Reihen von Wirbeln erzeugbar sind und daß man nicht
auf die Wirbelbildung am Energietragflächenende angewiesen
ist. Wirbelauslöser, welche sich wie hier gezeigt an den Seitenflächen
von Energietragflächen befinden, können die an
Staudruckräumen (Überdruck) und an zurückweichenden
Oberflächen (Sog) gezielt erzeugten Druckgradienten sehr
effizient nutzen und lassen sich sehr einfach aus Blechteilen fertigen
und an Energietragflächen befestigen.
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- 01
- Oberseite
von Energietragfläche (Sogseite)
- 02
- Unterseite
von Energietragfläche (Überdruckseite)
- 03
- Absaugraum,
tangentiale Absaugung am Wirbelraum
- 04
- Einleitraum,
tangentiale Fluidzufuhr zum Wirbelraum
- 05
- Wirbelraum
- 06
- Drehrichtung
der Drallströmung
- 07
- Unterdruckströmung
- 08
- Überdruckströmung
- 09
- Wirbelraumbegrenzung
am Ende einer Energietragfläche
- 10
- Lenkfläche
oder Schaufel zur Schuberzeugung
- 11
- Unterteilerplatte
- 12
- Düsenkörper
zur Strömungslenkung
- 13
- Haube
- 14
- Spaltraum
- 15
- Strömungsblockierelement,
Endscheibe
- 16
- saugseitiger
Raum
- 17
- überdruckseitiger
Raum
- 18
- Abspannseil
- 19
- Übergangselemente,
abgewinkelt oder gebogen
- 20
- Konzentrierfläche
- P
- Primärströmung
(Wind- oder Wasserströmung)
- S
- Sekundärströmung
mit S1 als Sog und S2 als Überdruck
- T
- Tertiärströmung:
einzelne Ablösewirbel
- Q
- Quartärströmung:
Wirbelströmung oder Wirbelspule
- I
- Quintärströmung:
Kernströmung von Potentialdraliwirbel
- E
- Energietragfläche
bzw. Querstrom erzeugendes Profil
- B
- Bauwerk,
Träger, Stütze oder Windverband
- L
- Länge,
Profilspannweite
- A
- wirbelbildender
Abschnitt am Ende einer Energietragfläche
- K
- Wirbelauslöser,
Kanten oder Schrägen
- W
- Ablösewirbel
- M
- Strömungsmaschine
(Turbine, Impelleranlage)
- G
- Generator
- H
- Einhausung
für Strömungsmaschine und Generator
- C
- Wirbelspulenerzeuger
- R
- Sammelrohr
- D
- Drehachse,
Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3330899 [0003, 0021]
- - DE 3607644 [0003]
- - DE 102004025464 [0005, 0011]
- - DE 3315439 [0006]
- - DE 3315435 [0012]