Zielsetzung
Natürlich basieren diese neue Überlegungen auf meinen diversen Ausarbeitungen zum ´Auto-Motor bzw. Autonom arbeitende Sogturbine´, den Beschreibungen der ´Teilchen-Bewegung´ im vorigen Teil, besonders hinsichtlich des ´Tornado-Motors´, dort vorwiegend betreffend Clem-Motor und den Vorschlägen optimierter Gestaltung. Der wesentliche Anstoß für diese neue Konzeption ergab sich jedoch aus intensiven Gesprächen mit einigen Lesern. Nachfolgend ist die theoretische Basis des Zusatz-Nutzens dieser Maschinen dargestellt. Zielsetzung dieses Kapitels ist also, eine unglaublich simple Konstruktion und deren Bewegungsprozesse zu beschreiben, durch beispielhafte Berechnungen die entscheidenden Effekte zu belegen, so dass möglichst bald nahezu optimale Maschinen zur Erzeugung frei verfügbarer Energie gebaut werden können.
Durch diesen Kanal fließt Fluid vom Einlass D (oben, beim ´dünnen Ende´ des Rotors) nach unten-außen zum Auslass E (unten, beim ´dicken Ende´ des Rotors). Das Fluid haftet einerseits an der ortsfesten Gehäusewand und andererseits an der rotierenden Oberfläche des Rotors. Durch Gravitation und Fliehkraft wird das Fluid auf spiraliger Bahn fließen, wie durch die blaue Kurve zwischen C und E skizziert ist.
Drehbewegung
In diesen Bildern ist eine Drehung des Rotors um 60 Grad dargestellt. Die Partikel an der Gehäusewand bleiben weiterhin an ihrer jeweiligen Position G. Die Partikel am Rotor dagegen werden mitgeführt zu einer jeweiligen Position I. Die blaue Kurven markieren vorige benachbarte Partikel, die nun auseinander gezogen sind in Abhängigkeit vom Radius. Hier ist beispielsweise die untere Kurve etwa drei mal länger als die obere, d.h. nach unten hin ergibt sich zunehmend Ausdünnung bzw. Sog.
Wenn der Rotor zu drehen beginnt, kommt das Fluid erst mit Verzögerung ebenfalls in drehende Bewegung. Die Partikel nahe beim Rotor werden mitgerissen und ´ziehen´ auch Partikel weiter außen zunehmend in eine Kreisbahn. Aus diesem Bild ergibt sich jedoch schon eindeutig, dass die drehende Strömung im Kanal langsamer sein wird als die Rotordrehung, das Fluid sich im Durchschnitt vermutlich nur halb so schnell als die Rotoroberfläche im Kreis herum drehen wird.
Wärme-Entwicklung
Wenn Partikel bei E eintreffen, stoßen sie auf dort bereits haftende Partikel, letztlich aber wird der entsprechende Impuls an die Gehäusewand abgegeben. Diese Wand wird dabei ´erschüttert´ bzw. zumindest ein Teil der vom Rotor auf Fluidpartikel übertragenen Energie wird an das Gehäuse weiter gegeben. Bei dieser Konzeption wird also das Gehäuse aufgeheizt bzw. von dessen Oberfläche wird auch wieder Wärme auf benachbartes Fluid übertragen. Sowohl das Gehäuse als auch das Medium werden durch diesen Bewegungsprozess erhöhte Wärme aufweisen. Andererseits ergeben durch Sog generierte Strömungen eine Abkühlung (siehe Kapitel vorigen Teils), so dass bei geeigneter Konstruktion diese Maschine keinesfalls übermäßige Hitze entwickeln wird.
Zickzack-Kurs
An der Wand ist eine relativ dicke Grenzschicht gegeben, allein z.B. aufgrund Fliehkraft. In diesen Turbulenzen wird das Teilchen nicht exakt in gleichem Winkel reflektiert, sondern in etwas stumpferem Winkel in Richtung G in den Kanal zurück fliegen bzw. durch Kollisionen diese Geschwindigkeit und Richtung an andere Partikel weiter geben (wie analog dazu in Rohren eine anfangs laminare Strömung in turbulente, nach innen gerichtete Bewegung übergeht).
Ein bei G eintreffendes Teilchen wird dort möglicherweise einige Zeit an der Rotoroberfläche haften, früher oder später jedoch tangential davon fliegen, nun wieder beschleunigt durch den Rotor. Im Zickzack-Kurs wandert also ein Teilchen rundum durch den Kanal. Ein Teilchen bewegt sich dabei keinesfalls von einer Wand zur andern, sondern nur beide Bewegungen mit jeweiliger Richtung und Geschwindigkeit werden prinzipiell bei Kollisionen ausgetauscht.
In diesem Bild links im Kanal sind diese beiden Bewegungen vielfach überlagert gezeichnet. Hell hervor gehoben sind schematisch einige Wegabschnitte von Partikeln nahe der Gehäusewand, mitten im Kanal sowie nahe bei der Rotoroberfläche. Partikel lösen sich immer wieder vom Rotor ab, jedoch wird deren ´leerer´ Platz umgehend wieder besetzt durch nachfolgende Partikel. Die hier skizzierten Bahnen sind natürlich in sehr grobem Maßstab dargestellt, jedoch wird das prinzipielle Bewegungsmuster der realen Fluidpartikel durchaus entsprechend sein.
Man kann aus dieser Darstellung erkennen, dass die Oberfläche der Gehäusewand möglichst glatt sein sollte, so dass dort möglichst wenig Wärme übertragen wird und andererseits die Teilchen mit möglichst geringem Verlust an Geschwindigkeit reflektiert werden. Andererseits darf die Oberfläche des Rotors durchaus rauh sein, damit relativ viele Partikel dort relativ lang anhaften und die aufgenommene kinetische Energie bei ihrem tangentialen Flug auf benachbarte Partikel im Drehsinn des Systems übertragen.
Meist unterschätzt wird jedoch die zentripetale Kraft, welche sich bei solchen Potentialwirbeln ergibt. Hier drehen Fluidteile von außen nach innen zunehmend schneller, wie durch gekrümmte Pfeile bei F skizziert ist. Schnellere Strömung weist geringeren seitlichen Druck auf als benachbarte langsamere Strömung. Umgekehrt bewirkt der höhere statische Druck der langsameren Strömung eine zentripetale Kraft G. Der nach außen gerichteten Trägheit einer rotierenden Flüssigkeit steht somit eine nach innen gerichtete Kraft entgegen.
Bei einer zähflüssigen Masse überwiegt die Fliehkraft, aber schon bei Wasser wird in Potentialwirbeln die Masse nicht nach außen geschleudert, sondern in den ´Strudel´ hinein gezogen (etwa wie hier mit Kurve H skizziert ist). Bei Luft spielt Fliehkraft praktisch keine Rolle mehr, weil die frei beweglichen Teilchen immer zur relativen Leere strömen. Mit Luft betriebene Maschinen erfordern jedoch relativ großes Bauvolumen, so dass hier dünnflüssiges Öl das optimale Medium sein wird.
Zentripetale Kräfte
Außerhalb vom Rand des Auges bilden Luftmassen einen Ring schnell rotierender Luftmassen C (dunkelblau), wobei diese Strömung erhöhten dynamischen Druck aufweist. Nach fundamentalem Gesetz der Strömungslehre ist die Summe von statischem und dynamischem Druck konstant (siehe Kapitel des vorigen Teils). Exakt entsprechend zur Erhöhung des Strömungsdrucks muss darum die Reduzierung des statischen Drucks sein. Symbolisiert ist dies hier durch ein Rechteck C (dunkelrot), dessen Kantenlängen gegenüber vorigem Quadrat in Strömungsrichtung verlängert und quer zur Strömungsrichtung entsprechend verkürzt sind.
Immer wieder wird ´gerätselt´ woher Wirbelstürme ihre Energie beziehen. Es ist aber vollkommen klar, dass die zentrale Strömung den nach vorwärts gerichteten Strömungsdruck aufweist und somit eine entsprechende Differenz statischen Drucks von außen nach innen ergibt. Statischer Druck bleibt in offenen Systemen nicht statisch, sondern strebt natürlich nach Ausgleich. Also wird Strömung radial nach innen aufkommen - und deren kinetische Energie muss logischerweise in Summe genau der Strömung des mittigen Rings entsprechen. Die zum Zentrum hin gerichtete radiale Strömung und Drücke müssen in Summe darum genau den Verhältnissen im zentralen Strömungsring entsprechen, hier unten im Bild gekennzeichnet durch Rechteck E (dunkelrot).
Vom Rand her wird es einen fließenden Übergang des statischen Drucks B (im Bild rechts) mit zunehmendem dynamischen Druck F hin zur mittige Ring-Strömung und dynamischem Druck C geben. Die tangentiale und radiale Kräfte ergeben insgesamt die bekannten Strömungen G eines Potentialwirbels, radial außen beginnend und nach innen beschleunigt in zunehmend tangentiale Richtung. Ein Wirbelsturm (wie jeder andere Potentialwirbel) erfordert anfangs nur ein auslösendes Moment für eine drehende Bewegung. Die nachfolgende Beschleunigung erfolgt automatisch, indem Moleküle immer in Richtung geringeren Gegendrucks bzw. geringerer Dichte fließen, die latent vorhandene kinetische Energie molekularer Bewegung damit eine vorrangige Richtung erfährt.
Ausdrehender Potentialwirbel
Voriger Wirbelsturm oder andere natürliche Strudel stellen ein-drehende Potentialwirbel dar. Im Gegensatz dazu bewegt sich der kegelförmige Rotor unten mit seinem längeren Radius schneller im Raum, so dass das Fluid im Kanal einen aus-drehenden Potentialwirbel darstellt. Entsprechend erfolgt der Zufluss zum schnellen Strömungsring (unten) von oben-innen. Die Differenz statischen Drucks ergibt hier also keine radial einwärts wirkende Kraft, sondern ein Druckgefälle von oben-innen nach unten-außen im Kanal und entsprechend wird die Strömung auf spiraliger Bahn verlaufen - und das nicht nur aufgrund Gravitation und Trägheit, sondern beschleunigt durch die latente kinetische Energie molekularer Bewegung.
Konstanter Querschnitt
Eine gleich bleibende Querschnittsfläche von 400 cm^2 (QF 400) wird beispielsweise erreicht, wenn der Radius des Rotors oben 4 und unten 20 cm beträgt, der Radius des Gehäuses oben 12 und unten 23 cm aufweist. Der ringförmige Kanal ist oben damit 8 cm breit und verjüngt sich nach unten auf 3 cm. Wenn die Höhe des Rotors 25 cm beträgt, weist der Kanal einen Rauminhalt von 1 Liter auf (RI 1000), bei 50 cm Höher wäre das Volumen 2 Liter (RI 2000) bzw. bei Wasser somit die wirksame Masse rund 2 kg.
In diesem Kanal wäre also auf jeder Ebene gleich viel Masse in Bewegung, von oben nach unten zunehmend schneller drehend, wie rechts im Bild durch unterschiedliches Blau markiert ist. Es ergibt sich daraus ein Gefälle statischen Drucks, d.h. die oberen Fluidschichten drücken nach unten. Das Fluid wird also von oben nach unten auf spiraliger Bahn fließen, wie links im Bild durch die Kurve skizziert ist.
Bei obigem Wirbelsturm erzeugt das Gefälle statischen Drucks den von außen nach innen beschleunigten Wind, d.h. von außen muss immer Zufluss ´neuer´ Luft gegeben sein. Genauso kann hier Selbstbeschleunigung nicht allein durch die schnellere horizontale Drehung des Fluids in den Kanälen zustande kommen, wenn nicht zugleich die von oben nach fließenden Massen ebenfalls zunehmend schneller abwärts strömen können. Das ist bei gleich bleibender Querschnittsfläche nicht gegeben (obige konstante 400 cm^2 auf allen Ebenen), d.h. nicht nur die Breite der Kanäle sondern auch ihre Querschnittsflächen müssen von oben nach unten geringer werden.
Abnehmender Querschnitt
Es wird unterstellt, dass der Rotor mit 1200 Umdrehungen je Minute läuft (U/M 1200), womit die Rotoroberfläche ganz unten eine Geschwindigkeit von 25 m/s aufweist (VR 25). Es wird unterstellt, dass das Fluid im Durchschnitt nur die Hälfte dieser Geschwindigkeit aufweist, ganz unten also eine Drehgeschwindigkeit von 12,5 m/s erreicht (VF 12.5).
Dieser Abfluss erfordert natürlich entsprechenden Zufluss. Da Fluid aber nur mit geringerer Geschwindigkeit nachfolgen darf, muss die Querschnittsfläche oben größer sein. Hier wurde beispielsweise die Fläche oben auf 800 cm^2 verdoppelt (QF 800) indem der Radius des Gehäuses dort auf 16 cm erweitert wurde (anstelle voriger 12 cm Gehäuseradius). Die Strömungsgeschwindigkeit oben ist mit nur noch 6.25 m/s somit halbiert (VF 6.25).
Die Rotor-Oberfläche bewegt sich unten fünf mal schneller im Raum als oben (Radius 20/4). Der Rotor beeinflusst und beschleunigt direkt aber nur eine Grenzschicht von z.B. 2 bis 4 mm (also nur etwa der zwanzigste Teil des Massedurchsatzes). Es ist darum nicht zu erwarten, dass auch die Fluid-Strömung insgesamt von oben nach unten fünffach beschleunigt wird. Eine autonome Verdoppelung der am Zufluss gegebenen Strömung bis zum Abfluss (von diesen 6.25 auf 12.5 m/s) ist vermutlich ein realistischer Wert. Das entspricht in etwa auch dem jeweiligen mittleren Radius des Kanals (21.5 / 10), also dieser Durchschnittsbetrachtung entsprechend.
Zufluss-Schnecke
Diese Dimensionen mögen zunächst über-dimensioniert erscheinen - aber auch der Wirbelsturm kann seine Dynamik nur entwickeln aus dem statischen Druck eines weiten Umfelds. Hier bei diesem aus-drehenden Potentialwirbel erfordert der Zufluss ausreichender Masse mit ausreichend geringer Geschwindigkeit eben diese relativ großen Durchmesser. Beim offenen System des Wirbelsturms kann der ´Wind´ aus praktisch ´ruhendem´ Umfeld starten. Hier im geschlossenen Kreislauf dieser Maschine ist am Einlass zum Rotor schon eine gewisse Rücklauf-Geschwindigkeit gegeben, aus der heraus der ´Wind´ zu starten ist.
Die Beschleunigung resultiert aus der vertikalen Druckdifferenz, indem Moleküle hier abwärts gestoßen werden bzw. umgekehrt die untere schnelle Strömung saugend wirkt auf obere Bereiche. Indem das Fluid über eine Schnecke zugeführt wird, herrscht darin drehende Bewegung auf horizontaler Ebene. Zusammen mit dem Sog in vertikaler Richtung wird das Fluid aus der Schnecke in diagonaler Richtung zum Einlass des Rotors fließen. Nach obigen Daten fällt das Fluid dort mit 6.25 m/s nach unten - aber es wird damit auch schon mit dieser Geschwindigkeit drehend sein.
Wenn das Fluid also per Schnecke schon drehend zugeführt wird, muss am oberen Teil des Rotors keine Beschleunigung mit Haftreibung einer nur dünnen Grenzschicht erfolgen, vielmehr ist das Fluid am Einlass schon auf ganzer Breite auf dieser Drehgeschwindigkeit. Weiter nach unten hin ´zieht´ die dann relativ schnellere Rotoroberfläche aus dem Fluid eine beschleunigte Grenzschicht heraus, womit insgesamt eine wesentlich schnellere Strömung im Kanal zustande kommen wird.
Brutto-Ergebnis
Die kinetische Energie des am Auslass abfließenden Fluids lässt sich überschlägig nach gängiger Formel E = 0.5 * m * v^2 ermitteln. Als Abfluss-Geschwindigkeit wird dabei die Hälfte der Geschwindigkeit der Rotoroberfläche ganz unten angenommen und Wasser als Medium unterstellt. Bei der im vorigen Bild angenommenen Drehzahl von 1200 Umdrehungen je Minute fließen 5 Liter mit 12.5 m/s am ringförmigen Auslass ab, was 390 Nm entspricht. Bei einer ´Leerlauf-Drehzahlt´ von z.B. 600 U/min fließen 2.5 Liter mit 6.25 m/s ab, was nur noch rund 50 Nm ergibt. Umgekehrt ergeben sich z.B. bei 1800 U/min ein Volumendurchsatz von 7.5 Liter bei 18.75 m/s mit dann 1318 Nm. Wenn diese Maschine auch 2400 U/min fahren kann, würden 10 Liter mit 25 m/s gefördert, rechnerisch 3125 Nm entsprechend.
Diese überschlägige Rechnung basiert also auf Vermutungen hinsichtlich durchschnittlich erreichbaren Fluid-Durchsatzes. Der Aufwand für den Antrieb des Rotors dürfte keine große Bedeutung haben. Wesentlich größer könnten dagegen die Reibungsverluste sein, die einerseits in Form von Wärme auftreten, aber eben auch den Durchsatz wesentlich hemmen könnten. Besondere Bedeutung hat darum auch die Organisation des Zuflusses.
Andererseits sind in dieser Rechnung nur die Effekte der Selbstbeschleunigung berücksichtigt, also nur betreffend die autonome Umwandlung statischen Drucks in Strömungsdruck am Auslass. Dieser könnte durchaus wesentlich höher sein, wenn die Fliehkraft mit einbezogen wird. Wie oben ausgeführt wurde, erfordert die Erzeugung von Fliehkraft zuerst die Beschleunigung von Masse auf eine Kreisbahn, bei einem geschlossenen Kreislauf auch fortwährend.
Wenn aber z.B. durch obige Schnecken der Zulauf schon aufgrund Sogwirkung in diagonale Richtung erfolgt, wirkt diese Strömungs-Trägheit natürlich auch auswärts-abwärts weiterhin. Alle autonome Beschleunigung wirkt ebenfalls insgesamt immer diagonal nach unten-auswärts. Am Auslass könnte also durchaus auch höhere Druck-Energie gegeben sein als nur die oben unterstellte.
Andererseits wird hier unterstellt, dass im Kanal prinzipiell laminare Strömung herrscht. Tatsächlich aber gleiten unterschiedlich schnelle Stromfäden nicht vollkommen glatt aneinander entlang, so dass sich auch hier Wirbelbahnen und Wirbelzöpfe ergeben werden. Dadurch wird der Durchsatz etwas geringer sein und am Auslass wird nicht die gesamte kinetische Energie in mechanisches Drehmoment umzusetzen sein. Bei unterschiedlicher Drehzahl werden sich unterschiedliche Wirbelmuster ergeben, die einerseits hemmend oder auch Durchsatz ´wie auf Kugellagern´ ergeben können.
Düsen und Turbine
Es wurde unterstellt, dass die Geschwindigkeit der Fluidströmung nur 50 Prozent der Rotorgeschwindigkeit beträgt - oder vielleicht auch 70 Prozent. Dennoch könnte die kinetische Energie dieser Strömung direkt durch den Rotor in Drehmoment umgewandelt werden nach dem Rückstoss-Prinzip. Das ist aber nicht ratsam, weil damit die Gefahr unkontrollierter Beschleunigung bis zur Zerstörung gegeben ist. Zum andern wird sich das Wirbelsystem nicht effektiv entwickeln können, wenn am Auslass zu großer Widerstand gegeben ist.
In diesem Bild unten sind links und rechts zwei Möglichkeiten zur Umsetzung der kinetischen Energie in Drehmoment skizziert. Bei D wird der Kanal am unteren Ende nach außen umgelenkt und etwas verjüngt. Die schnelle Strömung entlang des Rotors muss den längeren Weg zurück legen, so dass am Auslass eine ziemlich homogene Strömung diagonal auswärts sich ergibt, rundum als flächiger Strahl. Rechts im Bild weist der Kanal am Auslass direkt nach unten, d.h. hier wird die auswärts gerichtete Bewegungskomponente in die tangentiale Richtung umgelenkt.
Die Umsetzung in Drehmoment erfolgt durch eine separate Turbine T (gelb), deren Schaufeln S links direkt am Auslass angeordnet sind. Die Turbine wird etwa halbe Geschwindigkeit des Fluids aufweisen, also rund vier mal langsamer als der Rotor drehen. Das Fluid wird an den Schaufeln umgelenkt und fliegt in freien Raum (markiert durch dunkelblaue Punkte). Dieser freier Abfluss ist wichtig, weil es damit keinen Rückstau in den Kanal hinein geben wird. Vermutlich wäre noch günstiger, wenn der Strahl zuerst eine freie Strecke fliegt und dann erst an ´Freistrahl-Turbinen-Schaufeln´ umgelenkt wird, wie rechts im Bild skizziert ist. Das Fluid fällt letztlich in ein Becken, aus dem der Rückfluss R nach oben erfolgen muss.
Kreislauf
Das Wasser sammelt sich im Becken F und wird durch ein Rücklauf-Rohr G nach oben geführt. Die Masse fällt im Kanal mit ihrer Schwerkraft nach unten und muss mit entsprechender Kraft wieder angehoben werden. Dieses Absenken / Anheben ist also kräfte-neutral, mit Ausnahme der Strecke freien Fallens im Raum E. Es wird dennoch keine ´Umwälzpumpe´ erforderlich sein, weil die Druck-Differenzen im Kanal starken Sog zurück in die Einlass-Schnecke und von dort wiederum zurück in das Rückfuß-Rohr bewirken wird.
Voraussetzung für diese Sogwirkung ist allerdings, dass sich keine Luftblase im oberen Teil der Maschine befindet. Das wird beim Start der Maschine nicht gegeben sein (bei Betrieb mit Flüssigkeiten), weil im Ruhezustand das Medium absinkt und den Raum E füllt. Die Luft befindet sich dann oben im Zulauf H, beispielsweise über der blau-gestrichelten Linie. Beim Starten der Maschine muss der Rotor angefahren und zugleich durch Pumpe P die Luft von oben abgesaugt und in den Raum E gedrückt werden.
Natürlich sind auch andere Regelungen dieses Startproblems und der Organisation des Rückflusses möglich. Ebenso sind die Ausführung des Rotors und der Turbine sowie deren Lagerung zweckdienlich zu gestalten, inklusiv des Antriebs und Abtriebs. Vermutlich sind auch weitere Nebenaggregate erforderlich. Im Prinzip jedoch wird diese Konzeption eine autonom laufende Maschine zur Generierung frei verfügbaren mechanischen Drehmoments sein (ähnlich wie der Clem-Motor, jedoch nur mit einem weiten Kanal).
Aus- und ein-drehender Wirbel
Das Fluid (blau) wird nun im Einlass-Bereich D direkt durch die Sogwirkung des drehenden Rotors B (rot) durch Kanal C nach oben gesaugt. Der Kanal wird wie zuvor durch die kegelförmig (und hier gekrümmte) Oberfläche des Rotors nach innen/oben begrenzt, nach außen/unten nun jedoch durch einen ringförmigen Körper G (grau). Dieses ist ein ortsfestes Teil, das mittels Leitblechen H (zwischen den gestrichelten Linien) mit dem Gehäuse A verbunden ist.
Analog zu den oben beschriebenen Bewegungsprozessen wird das Fluid im Kanal beschleunigt und fließt oben-außen durch den Auslass ab. Dort wird es wiederum an Schaufeln S einer Turbine T (gelb) nach hinten (im Drehsinn des Systems) umgelenkt und somit die kinetische Energie der beschleunigten Strömung in Drehmoment umgesetzt. Das Fluid fliegt in den Luft-Bereich E (hellgelb), d.h. tritt widerstandfrei aus (markiert durch dunkelblaue Punkte) ohne Rückstau in den Kanal zurück. Die Drehgeschwindigkeit des Fluids wird dabei wesentlich reduziert und es sinkt abwärts wieder zum Einlassbereich D.
In diesem unteren Kessel ergibt sich ein ein-drehender Wirbel. Oben-außen dreht das Fluid relativ langsam, aufgrund Impuls-Konstanz nimmt die Winkelgeschwindigkeit nach unten-mittig zu. Die Leitbleche H sind entsprechend geformt, aber das Fluid beschleunigt autonom in diesem Potentialwirbel aufgrund Differenz statischen Drucks. Der Rotor muss also nicht ´ruhendes´ Fluid mechanisch wieder beschleunigen, weil am Einlass bereits drehende Strömung anliegt. Die Querschnitte im Kanal und im Rücklaufkanal müssen so angelegt sein, dass von oben-außen über unten-mittig bis zum Kanal-Auslass (E-H-D-C-S) jeweils weniger Querschnittsfläche verfügbar ist.
Fliehkraft / Schwerkraft
In diesem Bild rechts bei F ist der Wasserspiegel bei ruhender Maschine eingezeichnet, wobei die Turbinenschaufel S und auch ein Teil des Kanals frei von Wasser sind. Sobald nun der Rotor gestartet wird wirkt er wie eine Zentrifugalpumpe und treibt das Wasser durch den Kanal nach außen. Das Starten der Maschine erfordert in dieser Version also keine zusätzliche Einrichtungen und ein stabiler Fluid-Kreislauf ist gewährleistet.
Im Gegensatz zur Schwerkraft hat die Trägheits- bzw. Fliehkraft bei diesem System durchaus Bedeutung hinsichtlich des Beschleunigungs-Effekts (wenn als Medium eine Flüssigkeit eingesetzt wird). In vorigen Versionen hatte die Fliehkraft ähnliche Bedeutung wie schon bei Segner- bzw. Segner/Euler-Rad durch ihre auswärts-abwärts gerichtete Kraftkomponente. Fliehkraft äußert sich immer mit einer Auswärts-Komponente, hier allerdings wird diese verwendet zur Generierung einer Aufwärts-Komponente.
Das Fluid wird per Fliehkraft an die obere Seite des ringförmigen Körpers G gedrückt und durch diesen Druck entlang dieser Oberfläche nach oben-außen geschoben. Andererseits ergibt sich damit bzw. durch turbulente Strömung an dieser Oberfläche relativ hoher Druck, der schräg-aufwärts wirkt, d.h. in Richtung der schnelleren Strömung bei der Rotor-Oberfläche. Im Gegensatz zur vorigen Version kann die Fliehkraft also nicht einfach nach unten-außen ´entweichen´, sondern sorgt hier für erhöhte Differenz statischer Drücke - und diese sind entscheidend für die Selbst-Beschleunigung des Fluids aufgrund ihrer eigenen inneren Kinetik.
Optimale Maschine
Allerdings wird bei flüssigem Medium die Nutzung der generierten Energie optimal nur bei freiem Abfluss in einen Luftraum sein. Diese Maschine wird problemlos arbeiten in stationärem Umfeld, in Fahrzeugen jedoch wird das Fluid im Gehäuse phasenweise unkontrolliert herum schwappen, so dass dieser Motor nicht universell einsetzbar ist. Wenn der Motor aber mit Luft als Medium betrieben wird, gibt es weit weniger Einschränkungen, andererseits sind größere Bauvolumen und Drehzahlen erforderlich für ausreichende Leistung. Diese und zusätzliche Gesichtspunkte werden im nächsten Kapitel diskutiert.
Kundige Leser werden feststellen, dass dieser Motor Ähnlichkeiten mit dem Segner-Rad bzw. Segner/Euler-Rad aufweist (beide vor rund 250 Jahren gebaut) oder mit einigen Konstruktionen von Viktor Schauberger (vor gut 50 Jahren gebaut) oder mit dem Clem-Motor (vor etwa 25 Jahren gebaut). Ich möchte auf diese Vorgänger hier nicht detailliert eingehen, weil das Fluid in diesen Maschinen durch relativ enge Querschnitte geführt wurde in teilweise sehr komplexer Bauweise. In dieser neuen Konzeption des Kegelmotors bewegt sich Fluid relativ frei und die Konstruktion ist denkbar einfach. Die Bewegungsprozesse sind somit leicht zu beschreiben und die entscheidende Effekte klar zu erkennen.
Grundkonstruktion
In Bild 06.02.01 sind schematisch die wichtigsten Bauelemente dargestellt. In einem Gehäuse A (grau) ist eine kegelförmige Aussparung angelegt, in welcher ein ebenfalls kegelförmiger Rotor B (rot) dreht. Zwischen der Gehäuse-Innenwand und dem Mantel des Rotors wird ein ringförmiger Kanal C (hellblau) gebildet, dessen Durchmesser also nach unten ebenfalls zunehmend ist. Der Kanal wird nur durch den runden kegelförmigen Rotor und die runde kegelförmige Gehäusewand gebildet und ansonsten durch keine Querwände unterteilt (im Gegensatz zu Maschinen des vorigen Teils).
In Bild 06.02.02 sind oben das Gehäuse A, der Kegelstumpf des Rotors B und der dazwischen gebildete Kanal C noch einmal im Längsschnitt durch die Systemachse dargestellt. Drei Ebenen D, E und F sind als waagrechte Schnitte markiert, je ein Halbkreis dieser Querschnitte sind im Bild unterhalb skizziert.
Jeweils ein Radius von der Systemwelle nach links unten ist markiert, wobei jeweils bei Punkt G aktuell ein Fluidpartikel an der Gehäusewand und weiter innen jeweils bei Punkt H ein Fluidpartikel an der Oberfläche des Rotors haften. Auf allen drei Querschnitten sind die Positionen der zwischen G und H benachbarten Fluidpartikel durch dünne blaue Linien markiert.
In Bild 06.02.03 ist ein Querschnitt in etwas größerem Maßstab gezeichnet, wiederum mit Gehäusewand A, Rotor B und Kanal C. Unten bei D haftet ein Partikel an der Rotoroberfläche und bewegt sich mit dortiger Drehgeschwindigkeit im Raum. Die Oberfläche weicht aus tangentialer (Fliehkraft-) Richtung fortwährend zurück, so dass sich der Partikel von der Oberfläche lösen wird. Er fliegt mit der Geschwindigkeit des Rotors in Richtung E bzw. wird bei nachfolgenden Kollisionen diese Geschwindigkeit und Richtung an benachbarte Partikel weiter gegeben.
Theoretisch müsste das von D nach E fliegende Teilchen an der Gehäusewand spiegelbildlich reflektiert werden und damit in Richtung F mit unveränderter Geschwindigkeit weiter fliegen. Das Teilchen hat jedoch Bewegungsenergie an die Wand abgegeben, so dass es mit etwas verminderter Geschwindigkeit weiter fliegen wird.
Zentrifugale Kräfte
Bei drehender Bewegung denken wir sofort an Fliehkräfte, weil diese bei Bewegung fester Körper uns sehr wohl bekannt sind. Auch Flüssigkeiten besitzen Trägheit, die bei Rotation als zentrifugale Kräfte in Erscheinung treten. In Bild 06.02.04 ist voriger Querschnitt noch einmal dargestellt. Partikel einer Flüssigkeit wollen aufgrund Trägheit gerade aus fliegen, also in jeweils tangentiale Richtung, wie hier im Bild unten bei D durch Pfeile markiert ist. Durch Fliehkraft E wird also nach außen hin zunehmende Dichte bzw. Druck auftreten, hier markiert durch unterschiedliches Blau.
In Bild 06.02.05 werden zentripetale Kräfte am Beispiel eines Wirbelsturms verdeutlicht. Der mittige Bereich A (gelb) stellt das ´Auge´ dar, innerhalb dessen nahezu Windstille und fast normaler Luftdruck herrschen. Dort ist also nur statischer Druck gegeben, der nach allen Seiten mit gleicher Kraft wirkt, hier repräsentiert durch das Quadrat B (hellrot).
Ganz außen am Rand des Wirbelsturms herrscht fast Windstille und damit fast normaler Luftdruck, hier markiert durch das Quadrat ganz links. Vom Rand zum mittigen Strömungsring herrscht also ein Gefälle statischen Drucks, somit eine zentripetal wirkende Kraft D.
Die Strömung im Kanal des Kegel-Motors wird angetrieben durch Drehung des Rotors. Eine dünne Fluidschicht an der Rotoroberfläche dreht dabei schneller als Fluid weiter außerhalb. Insofern wirkt also zentripetale Kraft analog zu vorigem Wirbelsturm. Zum andern jedoch ist die Strömung in diesem kegelförmigen Kanal von oben-innen nach unten-außen gerichtet. Die Schwerkraft unterstützt die Bewegung von oben nach unten, Trägheit bzw. Fliehkraft unterstützen die Auswärtsbewegung. Beide Wirkungen sind aber nicht entscheidend für diese Maschine, weil der Kreislauf des Mediums entsprechendes Anheben gegen die Gravitation erfordert, zum andern wirkt Fliehkraft nur nach entsprechender Beschleunigung von Masse.
Damit diese fluid-interne kinetische Energie nach außen wirksam werden kann (Selbstbeschleunigung auftreten kann), muss das Fluid unterschiedlich schnelle Strömung aufweisen. In horizontaler Richtung ist diese Geschwindigkeitsdifferenz gegeben, indem Fluid entlang der Gehäusewand langsam ist und nach innen immer schneller dreht. Die erforderliche Geschwindigkeitsdifferenz in vertikaler Bewegungsrichtung ist aber nicht gegeben, wenn die Kanäle nach unten hin größere Querschnittsflächen aufweisen, wie oben vereinfachend dargestellt wurde. In Bild 06.02.06 sind darum zwei andere Längsschnitte dargestellt.
Ein entsprechend geformter Kanal ist im Längsschnitt des Bildes 06.02.07 dargestellt. Der Rotor B ist wie vorige lange Version dimensioniert: mit Radius 4 cm oben und 20 cm unten bei einer Höhe von 50 cm.
Das Gehäuse A hat unten ebenfalls wieder einen Radius von 23 cm, so dass der Kanal dort 3 cm breit ist und wiederum vorige 400 cm^2 Querschnittsfläche (QF 400) aufweist.
Wie am Beispiel des Wirbelsturms erkannt wurde, weist die drehende Strömung genau gleiche Werte auf wie die radial zufließende Strömung (die tangential praktisch mit gleicher Geschwindigkeit einmündet). Analog wird hier eine axiale Strömungskomponente auftreten (im Kanal von oben-innen nach unten-außen), die letztlich gleiche Geschwindigkeit wie die Drehbewegung aufweist. D.h. ebenfalls mit diesen 12.5 m/s wird Fluid am Auslass abfließen, was bei einer Querschnittsfläche von 400 cm^2 einen Volumenstrom von 5 Liter/Sekunde ergibt (VS 5000).
Auch vor dem Einlass zum Rotor sollte natürlich nochmals höherer statischer Druck anliegen. Hier im Bild ist dazu eine relativ weite Schnecke (D) vorgesehen, deren ´Rohr-Radius´ von diesen 16 cm sich nach hinten auf 18 cm erweitert. In diese Schnecke sollte tangential ein Rohr münden, deren Querschnittsfläche beispielsweise 1000 cm^2 beträgt (QF 1000) und der Zufluss darin nurmehr mit 5 m/s erfolgt (VF 5).
Die wesentliche Beschleunigung resultiert aus dem Übergang statischen Drucks in dynamischen Strömungsdruck. Wie beim Wirbelsturm ist auch in dieser Maschine nur ein auslösendes Moment erforderlich. Mechanischer Antrieb wirkt hier nur auf die Grenzschicht bzw. soweit die ´Haftreibung´ am Rotor reicht, nur wenige Millimeter bzw. nur einen Bruchteil des gesamten Fluid-Volumens betreffend. Vermutlich wird der Energie-Aufwand zum permanenten Antrieb des Rotors weniger als ein Zehntel des Energie-Umsatzes insgesamt sein.
In Bild 06.02.08 ist der untere Teil des Gehäuses und des Rotors in Ausschnitten schematisch dargestellt. Das Fluid hat am Auslass zwei Bewegungs-Komponenten, eine tangentiale (VT) aufgrund der Drehung und eine vertikale (VV) bzw. schräg nach unten-außen weisende aufgrund der Selbstbeschleunigung und der Fliehkraft. Insgesamt fließt das Fluid also diagonal (VD) auswärts-abwärts aus dem Kanal ab.
In Bild 06.02.09 sind die Konzeption und wesentliche Komponenten dieser Maschine dargestellt, wobei als Arbeitsmedium Wasser (oder Öl) unterstellt ist. Im Gehäuse A (grau) dreht der kegelförmige Rotor B (rot) und zwischen beiden wird der Kanal C (hellblau) gebildet. Das Wasser fließt aus einer Zufluss-Schnecke D in den Kanal und beschleunigt nach unten-außen ab. An Schaufeln S einer Turbine T (gelb) wird der erhöhte Strömungsdruck in Drehmoment umgesetzt, wobei das Wasser verzögert wird und in einen mit Luft gefüllten Raum E fliegt (hellgelb bzw. dunkelblaue Punkte).
Dennoch, diese zusätzliche Pumpe und Rohre sind nicht optimal und eine bessere Lösung muss darum möglich sein. Das Absenken und Anheben von Masse in voriger Version ist nicht ganz kräfteneutral wegen des Luftbereichs unterhalb des Rotors. Luft drängt in Flüssigkeit immer aufwärts und andererseits geht die hydraulische Wirkung des Sogs verloren, sobald oben eine Luftblase entstehen sollte. Wesentlich einfacher und problemlos zu starten und zu fahren ist die Maschine, wenn vorige Version auf den Kopf gestellt wird, wie in Bild 06.02.10 schematisch dargestellt ist.
Wie oben angesprochen spielt die Schwerkraft bei diesem Kreislauf keine Rolle hinsichtlich des gewünschten Beschleunigungs-Effektes. Bei dieser Konzeption mit relativ flachem Rotor-Kegel ist die Fallhöhe des Fluids im Luftraum E nur wenige Zentimeter und um diese Differenz wird das Fluid aufgrund Fliehkraft problemlos angehoben.
Diese Version mit integriertem Rücklauf in einem rundum angelegten, geschlossenen Fluidbehälter bzw. -Kreislauf erfordert weniger Bauelemente, ist einfacher zu betreiben und wird zudem nochmals effektiver arbeiten. Bei dieser Version wird das Anheben von Masse gegen die Schwerkraft mittels Fliehkraft-Wirkung relativ einfach bewerkstelligt.
06.03. Überschall-Motor
Implosions-Maschinen