DE102013016307B3

DE102013016307B3 - Anlage und Verfahren zur Erzeugung von kontinuierlichen Wasserwellen

Info

Publication number: DE102013016307B3
Application number: DE102013016307.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Müller; Falko Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-09-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwellen, wobei die Vorrichtung einen Verdrängungskörper umfasst, der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken, und ferner Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers umfasst, wobei die Bewegungsmittel ausgelegt sind, den Verdrängungskörper derart im Wasser zu bewegen, dass durch punktuelle Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle entsteht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Wellen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, kontinuierlichen, fortschreitenden Wellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemein sind Vorrichtungen zum Erzeugen von Wasserwellen (Wellenmaschinen) bekannt. Sie werden beispielsweise in Forschungseinrichtungen eingesetzt, um das Strömungsverhalten von Wasserfahrzeugen zu testen oder Uferbefestigungen zu untersuchen. Derartige Tests erfolgen häufig im verkleinerten Modellmaßstab. Wellenmaschinen kommen zudem in Schwimmbädern zum Einsatz, um künstliche Wasserwellen für den Schwimm- bzw. Wassersport zu erzeugen. Außerdem werden Wellenmaschinen in Schlepptanks und Seegangsbecken von Schiffbau-Versuchsanstalten verwendet, um künstlichen Seegang zu erzeugen.
Das Prinzip der Wellenerzeugung beruht auf der Verdrängung von Wasser. Beispielsweise werden Pumpen verwendet, die mithilfe einer starken Wasserströmung unter ständigem Energieaufwand eine ortsfeste Welle erzeugen. Alternativ werden Paddel bzw. Klappen im Wasser auf und ab bewegt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Translation eines Verdrängungskörpers im Wasser. Es sind auch Vorrichtungen mit komplexem Aufbau bekannt, die im Zeitabstand von Minuten Einzelwellen erzeugen. Herstellung und Betrieb solcher Vorrichtungen sind jedoch entsprechend kostspielig.
Grundsätzlich sind beliebige Wellenformen möglich. Für den Wassersport, beispielsweise für Surfer oder Wellenreiter, sind insbesondere hohe Wellen gewünscht, die sich in den oberen Wasserschichten ausbreiten und brechen. Darüber hinaus profitieren Wassersportler von der Möglichkeit, Wellen zu erzeugen, die – im Gegensatz zu natürlich vorkommenden Wellen, z. B. am Strand – kontinuierlich fortschreiten und es so beispielsweise Surfern oder Wellenreitern ermöglichen, unterbrechungsfrei ihren Sport zu praktizieren.
In Anbetracht steigender Energiepreise und im Sinne eines wachsenden Umweltbewusstseins, sollte der Energiebedarf für eine Wellenmaschine reduziert werden. Unter Rentabilitätsbetrachtungen sollte eine Wellenmaschine zudem billig in der Herstellung, langlebig und einfach zu warten sein.
Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen Vorrichtungen, die sogenannte Permanentwellen erzeugen, beispielsweise indem ein Verdrängungskörper im Wasser ständig hin- und her bewegt wird, und Vorrichtungen, die Einzelwellen erzeugen, beispielsweise indem ein Verdrängungskörper in das Wasser eingetaucht wird.
Vorrichtungen zur Erzeugung von Permanentwellen erfordern ständige Energiezufuhr, um den Verdrängungskörper im Wasser zu bewegen. Unter Ausnutzung von Resonanzeffekten kann auch eine stehende Welle in einem mit Wasser gefüllten Becken erzeugt werden. Wegen des hohen Energiebedarfs sind üblicherweise nur Wellen geringer Höhe möglich.
Einzelwellen sind nach begrenzter – und oft nur sehr kurzer – Laufzeit zu Ende, so dass eine unterbrechungsfreie Nutzung nicht oder nur unter sehr hohem Aufwand möglich ist.
Die DE 10 2010 035 117 B4 zeigt eine Anlage zur Erzeugung von für den Wassersport geeigneten Einzelwellen, bei der ein walzenförmiger Verdrängungskörper über eine schiefe Ebene in ein Wasserbecken rollt. Dadurch kann eine lineare Einzelwelle beträchtlicher Höhe erzeugt werden.
Aus der DE 10 2011 016 842 B3 ist ebenfalls eine Anlage zur Erzeugung von für den Wassersport geeigneten Einzelwellen bekannt. Sie umfasst einen kugelförmigen Verdrängungskörper, der von oberhalb der Wasserfläche in das Wasser eintaucht und durch die mit dem Aufprall auf die Wasserfläche verbundene Wasserverdrängung eine einzelne Ringwelle erzeugt.
Die US-amerikanische Patentschrift US 4,810,129 A zeigt eine Anordnung zur Erzeugung künstlicher Wellen in einem Wassercontainer mit einem Schwimmkörper, der ständig horizontal im Wasser hin- und her bewegt wird (sog. „rocking motion”), um Wellen zu erzeugen. Durch die besondere Form des Schwimmkörpers werden Resonanzeffekte begünstigt. Dies erfordert eine ständige Energiezufuhr, z. B. mittels einer Hydraulikanlage.
In der US 2013/0074254 A1 ist eine Wellenmaschine gezeigt, bei der ein Schieber bzw. Pflug durch einen ringförmigen Kanal gezogen wird, der eine mittige Insel umgibt. Der Schieber wird von einem Motor in eine um die Insel rotierende Bewegung versetzt, so dass nach außen laufende Wasserwellen erzeugt werden.
Die US 2012/0255112 A1 zeigt eine an einer zentralen Insel angeordnete Wellenmaschine, die nach außen in unterschiedliche Richtungen laufende Wasserwellen erzeugen kann. Dabei wird das Wasser wahlweise durch feste Verdrängungskörper, wie z. B. Druckstempel, Paddel oder dergleichen, durch Wasser aus einem Pumpsystem oder durch Druckluft in Bewegung versetzt.
Eine Wellenmaschine mit einem am Beckenrand umlaufenden Verdrängungskörper und Strömungsmitteln, z. B. Düsen, die das Wasser in eine der Bewegungsrichtung des Verdrängungskörpers entgegengesetzte Strömung versetzen, ist in der US 2009/0260146 A1 gezeigt.
In der US 3,913,332 A ist eine Anlage zum Erzeugen von kontinuierlichen, für den Wassersport geeigneten Wellen gezeigt. Dabei bewegen sich ein oder mehrere selbstangetriebene Verdrängungskörper in einem Ringtunnel entlang einer zirkularen Führungsschiene. Die Verdrängungskörper haben eine beidseitige pflugähnliche Form und „durchpflügen” sozusagen das Wasser, welches dadurch in eine Wellenbewegung versetzt wird.
Die WO 00/05 464 A1 zeigt ein Wasserbecken mit einer Wellenanlage. Die Wellen werden dabei durch einen schaufel- oder ruderblattförmigen Verdrängungskörper erzeugt, der entlang eines im Becken angeordneten ringförmigen Wasserkanals bewegt wird. Dabei schreiten die Wellen von dem Kanal aus nach außen fort.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 98/45553 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von stehenden Wellen bekannt, die einen schalenförmigen Verdrängungskörper umfasst, der in einem Wasserbassin angeordnet ist und durch ein Hubelement vertikal im Wasser auf und nieder bewegt wird. Um Resonanzeffekte auszunutzen, wird die Bewegungsfrequenz an die Wellenfrequenz im Wasserbassin empirisch angeglichen. Da sich der gezeigte Verdrängungskörper beim Eintauchen ins Wasser mit Wasser füllt, ist ein leistungsstarkes und damit teures Hubelement notwendig.
Die BE 101 73 15 A7 zeigt eine von Seitenwänden umgebene, ringförmige Wellenmaschine, die nach innen gerichtete Wellen erzeugt.
Die US 2004/0245780 A1 , welche der AU 2005/201959 A1 desselben Erfinders entspricht, zeigt ebenfalls eine ringförmige Wellenmaschine, die ein Becken mit einer Insel in der Mitte umgibt. Die Wellenmaschine erzeugt mittels mehrerer Paddel nach innen, auf das Zentrum der Insel gerichtete Wellen, die permanent um die Insel kreisen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden, für den Wassersport geeigneten Wellen bereit zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwellen bereit. Die Vorrichtung umfasst einen Verdrängungskörper, der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken, und Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers. Die Bewegungsmittel sind ausgelegt, den Verdrängungskörper derart in eine umlaufende Kippbewegung beziehungsweise eine Taumelbewegung im Wasser zu versetzen, dass durch punktuelle Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird. D. h., Wasser wird nicht gleichzeitig entlang der gesamten Umfangslinie verdrängt, sondern vielmehr partiell an einem bestimmten Punkt bzw. in einem bestimmten Teilbereich der Umfangslinie. Dieser Punkt bzw. Teilbereich läuft dann sukzessive die gesamte Umfangslinie entlang. Auf diese Weise entsteht eine im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwellen bereit, bei dem ein Verdrängungskörper, der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken, durch Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers derart in eine umlaufende Kippbewegung beziehungsweise eine Taumelbewegung im Wasser versetzt wird, dass durch punktuelle Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird. Auf diese Weise entsteht eine im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle.
Weitere Ausführungen und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. So zeigt:
1a eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine, wobei der Verdrängungskörper von den Bewegungsmitteln in eine umlaufende Kippbewegung versetzt wird.
1b eine schematische Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels der Wellenmaschine, wobei der Verdrängungskörper eine rotationssymmetrische Form aufweist und durch Zugstreben bzw. Seile radial mit dem Fundament verbunden ist.
2 eine schematische Darstellung der im Wesentlichen umlaufenden, kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden, sichelförmigen Wasserwelle.
3a eine schematische Darstellung einer einzelnen, nach außen fortschreitenden, ringförmigen Wasserwelle (Einzel-Ringwelle).
3b eine schematische Darstellung einer permanenten, insbesondere stehenden, ringförmigen Wasserwelle (Stehende Ringwelle).
3c eine schematische Darstellung einer einzelnen, nach außen fortschreitenden, bogenförmigen Wasserwelle (Partielle Ringwelle).
3d eine schematische Darstellung einer permanenten, insbesondere stehenden, bogenförmigen Wasserwelle (Partielle Stehende Ringwelle).
4a eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine mit einem toroidalen Verdrängungskörper, der von drei senkrecht angeordneten, linearen Bewegungsmitteln angetrieben wird, die unten mit einem Fundament und oben mit dem Verdrängungskörper verbunden sind.
4b eine schematische Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Wellenmaschine, wobei die drei Bewegungsmittel exzentrisch und auf einer nicht durch den Mittelpunkt verlaufenden Linie so angeordnet sind, dass sie auch Seitenkräfte des toroidalen Verdrängungskörpers übernehmen.
5 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper, der von zwei senkrecht und in einem rechten Winkel versetzt angeordneten Hydraulikzylindern bewegt wird und nach innen gerichtete Ausleger aufweist, die an ein mittig auf einem Fundamentsockel angeordnetes Gelenk ankoppeln.
6 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine, die einen mit dem Verdrängungskörper verbundenen, mittig angeordneten Arm aufweist, der von einem Getriebe in eine rotierende Bewegung versetzt werden kann.
7 schematisch unterschiedliche Formen, die der Querschnitt eines Verdrängungskörper aufweisen kann.
8a eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine, deren Verdrängungskörper aus einer Vielzahl von einzelnen, unabhängigen Sektionen zusammengesetzt ist.
8b eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels einer Wellenmaschine, deren Verdrängungskörper aus mehreren einzelnen, unabhängigen Sektionen zusammengesetzt ist, die je ein Bewegungsmittel zu ihrer gesteuerten Bewegung aufweisen.
9 schematisch eine Darstellung einer einzelnen, unabhängigen Sektion, die ein Bewegungsmittel zur Kippung zusätzlich zu ihrer gesteuerten Bewegung aufweist.
10a eine Ausführungsform des Verdrängungskörpers, der ausgelegt ist, durch einen tiefer gelegten Drehpunkt dem verdrängten Wasser einen zusätzlichen Impuls in Laufrichtung der erzeugten Welle zu geben.
10b eine Ausführungsform des Verdrängungskörpers, der ausgelegt ist, durch einen zusätzlichen Hydraulikzylinder dem verdrängten Wasser einen zusätzlichen Impuls in Laufrichtung der erzeugten Welle zu geben.
10c eine Ausführungsform des Verdrängungskörpers, der ausgelegt ist, durch einen zusätzlichen Lenker dem verdrängten Wasser einen zusätzlichen Impuls in Laufrichtung der erzeugten Welle zu geben.
11 eine schematische Darstellung mehrerer kontinuierlicher, nach außen fortschreitender, sichelförmiger Wasserwellen, die gleichzeitig um den Mittelpunkt der Vorrichtung kreisen.
12 schematisch unterschiedliche geschlossene Wellenformen, die mit einem aus mehreren einzelnen, unabhängigen Sektionen zusammengesetzten Verdrängungskörper erzeugt werden können.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Vor einer detaillierten Beschreibung der Wellenmaschine folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsformen und deren Vorteile.
Wassersportler, insbesondere Surfer beziehungsweise Wellenreiter, benötigen vor allem große Wellenhöhen, z. B. Wellen bis zu etwa 3 m Höhe. Darüber hinaus liegt die besondere Attraktivität von kontinuierlich fortschreitenden Wellen großer Höhe darin, dass sie den Wassersportlern die Möglichkeit bieten, ihren Sport unterbrechungsfrei zu praktizieren, im Gegensatz zu Wellen am Naturstrand, die nach begrenzter (und oft nur sehr kurzer) Laufzeit zu Ende sind.
Die Erfinder haben erkannt, dass für den Wassersport geeignete, kontinuierliche, nach außen fortschreitende Wasserwellen von beträchtlicher Höhe mit einer Vorrichtung zur Erzeugung kontinuierlicher Wasserwellen, z. B. in einem mit Wasser gefüllten Becken, kostengünstig und mit verhältnismäßig geringem Energiebedarf erzeugt werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn im Wechselbetrieb auch Einzelwellen erzeugt werden können.
Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung einen Verdrängungskörper, der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken. Vorzugsweise weist der Verdrängungskörper eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form, insbesondere eine kreisförmige oder elliptische Form, auf. Beispielsweise weist der Verdrängungskörper die Form eines Diskus auf. Besonders bevorzugt weist der Verdrängungskörper im Wesentlichen die Form eines Toroids auf. Unter einem Toroid ist hier ein Körper zu verstehen, der beispielsweise die Form eines Schwimmreifens oder eines „Doughnuts” aufweist. Der Toroid ist dabei nicht auf kreisförmige oder im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte beschränkt. Vielmehr sind je nach Anwendung unterschiedliche Querschnitte denkbar. Beispielsweise könnte ein ovaler Querschnitt oder ein dreieckiger Querschnitt vorteilhaft für die gewünschte Erzeugung von Wellen sein. Vorzugsweise bietet dieser Querschnitt geeigneten Widerstand gegen Einbeulen oder sonstige mechanische Deformationen. Außerdem ist eine ausreichende Steifigkeit gegen Verwindungs- und Biegekräfte am Toroid günstig.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers. Die Bewegungsmittel sind ausgelegt, den Verdrängungskörper derart in eine umlaufende Kippbewegung beziehungsweise eine Taumelbewegung im Wasser zu versetzen, dass durch punktuelle, d. h. lokale, nur an einzelnen Orten stattfindende, Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird.
Dabei wird – entlang der äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers – ein Abschnitt des Verdrängungskörpers derart im Wasser gekippt, dass das Wasser lokal, an dem jeweiligen Abschnitt, im Wesentlichen nach außen und oben verdrängt wird. Durch die umlaufende lokale bzw. punktuelle Verdrängung des Wassers und die daraus resultierende Wasserbewegung entsteht die im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle.
Bei Ausführungsbeispielen mit einem toroidalen oder diskusförmigen Verdrängungskörper beispielsweise versetzen die Bewegungsmittel den Verdrängungskörper derart in Bewegung, dass ein Ende der Achse des Toroids um eine Vertikalachse rotiert. Die Vertikalachse steht senkrecht auf dem Boden des Beckens und geht durch den Mittelpunkt des Toroids. Befindet sich der toroidale Verdrängungskörper in horizontaler Ausrichtung, fällt die Vertikalachse mit seiner Achse zusammen. Befindet sich der Verdrängungskörper jedoch in schräger Ausrichtung, ist seine Achse gegenüber der Vertikalachse geneigt. Der Verdrängungskörper wird dann durch die Bewegungsmittel in eine Taumelbewegung versetzt, bei der das eine Ende seiner Achse um die Vertikalachse rotiert. Die Bewegung des toroidalen Verdrängungskörpers ähnelt somit einer Präzessionsbewegung eines Kreisels, mit dem Unterschied, dass der Verdrängungskörper selbst nicht um seine Achse rotiert.
Zu Beginn der Taumelbewegung befindet sich z. B. ein Bereich oder Sektor des toroidalen Verdrängungskörpers im Wesentlichen unterhalb der Wasseroberfläche und ein diesem Sektor gegenüberliegender Sektor des Verdrängungskörpers im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche. Durch die Rotation der Achse des Verdrängungskörpers um die Vertikalachse und die damit einhergehende Änderung ihrer Neigungsrichtung wird stetig ein nächster, anderer Sektor des Verdrängungskörpers in das Wasser eingetaucht, während sich der zuvor eingetauchte Sektor wieder aus dem Wasser erhebt. Nach einer Rotation der Achse um 180° um die Vertikalachse befindet sich der zu Beginn eingetauchte Sektor im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche, wohingegen der diesem Sektor gegenüberliegende Sektor, der zu Beginn im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche lag, wenigstens nahezu vollständig in das Wasser eingetaucht ist.
Durch das Eintauchen des Sektors in das Wasser wird Wasser an dem Ort des eintauchenden Sektors im Wesentlichen nach außen und oben verdrängt. Da die Achse um die Vertikalachse rotiert, wird stetig um die Vertikalachse laufend ein anderer Sektor des Verdrängungskörpers in das Wasser eingetaucht, so dass Wasser lokal entlang der äußeren Umfangslinie des Verdrängungskörpers umlaufend im Wesentlichen nach außen und oben verdrängt wird. So entsteht eine kontinuierliche Welle, die sich nach außen bewegt, aber stets mit dem eingetauchten Sektor des toroidalen Verdrängungskörpers verbunden bleibt. Am besten ist die so erzeugte Wellenform mit einer Sichel vergleichbar, die ständig um den Mittelpunkt der Anlage kreist.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen rotiert der Verdrängungskörper wahlweise im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn. Vorzugsweise ist vorgesehen, die Rotationsrichtung der Achse je nach Bedürfnis der Surfer wechseln zu können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Bewegungsmittel zusätzlich ausgelegt, den Verdrängungskörper derart im Wasser zu bewegen, dass durch Wasserverdrängung entlang der äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers eine Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine einzelne, nach außen fortschreitende, im Wesentlichen ringförmige Wasserwelle entsteht. Alternativ bewegen die Bewegungsmittel den Verdrängungskörper im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz im Wasser, so dass eine stehende, im Wesentlichen ringförmige Wasserwelle entsteht. Das bedeutet, dass mit einer solchen Vorrichtung zusätzlich zu der im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden, sichelförmigen Wasserwelle auch einzelne oder stehende (quasi permanente) „Ringwellen” erzeugt werden können, falls dies gewünscht ist.
Befindet sich beispielsweise der toroidale Verdrängungskörper in horizontaler Ausrichtung, können die Bewegungsmittel den Toroid in Hubbewegungen entlang der Vertikalachse, d. h. in Auf- und ab Bewegungen, versetzen. Dabei taucht dieser – bei der Abwärtsbewegung – ganz oder wenigstens teilweise in das Wasser ein. Durch die mit dem Eintauchen verbundene Wasserverdrängung wird eine nach außen fortschreitende Welle erzeugt, die im Wesentlichen ringförmig ist. Die genaue Form der Wellen hängt dabei nicht nur von der Form des Verdrängungskörpers, sondern auch von äußeren Gegebenheiten, beispielsweise der Form des Beckens, ab. Wird der Verdrängungskörper periodisch, vorzugsweise in der natürlichen Wellenfrequenz, auf- und ab bewegt, so werden stehende Ringwellen erzeugt. Dadurch entsteht rings um die Anlage ein flächendeckendes Muster aus konzentrischen Wellen, die zwar ihre Höhe schnell verlieren, aber doch eine interessante Belebung der Wasserlandschaft bewirken. Dies kann beispielsweise für Schwimmer von besonderem Interesse sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Bewegungsmittel zusätzlich ausgelegt, den Verdrängungskörper derart im Wasser zu bewegen, dass durch Wasserverdrängung entlang wenigstens eines Teils der äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers eine Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine einzelne, nach außen fortschreitende, im Wesentlichen bogenförmige Wasserwelle entsteht. Besonders bevorzugt bewegen die Bewegungsmittel den Verdrängungskörper im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz im Wasser, so dass eine stehende, im Wesentlichen bogenförmige Wasserwelle entsteht. Das bedeutet, dass mit einer solchen Vorrichtung zusätzlich zu der im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden, sichelförmigen Wasserwelle – und ggf. auch zusätzlich zu den oben beschriebenen „Ringwellen” – auch einzelne oder stehende bogenförmige Wasserwellen („partielle Ringwellen”) erzeugt werden können, falls bspw. nur wenige Wassersportler eine Welle nutzen möchten.
Befindet sich beispielsweise der toroidale Verdrängungskörper in schräger Ausrichtung, d. h. ist seine Achse gegenüber der Vertikalachse geneigt, können die Bewegungsmittel den Toroid in Kippbewegungen bezüglich der Wasseroberfläche versetzen. In schräger Ausrichtung befindet sich ein Sektor des Verdrängungskörpers im Wesentlichen unterhalb der Wasseroberfläche und ein diesem Sektor gegenüberliegender Sektor des Verdrängungskörpers im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche. Durch die Kippbewegung taucht der Sektor, der sich im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche befand, in das Wasser ein, d. h. die gegenüber der Vertikalachse geneigte Achse kippt in Richtung Vertikalachse. Dabei wird durch die mit dem Eintauchen verbundene Wasserverdrängung eine Wasserbewegung im Wesentlichen entlang des Teils der äußeren Umfangslinie erzeugt, der den eintauchenden Sektor nach außen begrenzt. Somit entsteht eine einzelne, nach außen fortschreitende, partiell ringförmige – d. h. im Wesentlichen bogenförmige – Wasserwelle. Diese Welle hat ihre maximale Höhe in der Mitte und fällt nach den Seiten ab.
Auch in diesem Fall kann durch periodische Kippbewegungen, insbesondere im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz, eine stehende bogenförmige Welle erzeugt werden. Diese wird aber nur am Ort des eintauchenden Sektors erzeugt und breitet sich von dort nach außen aus. Dabei wird also nicht die gesamte Wasserfläche bewegt, so dass sowohl für Badegäste, die eine ruhige Wasseroberfläche bevorzugen, als auch für Wassersportler, z. B. Schwimmer, die eine Herausforderung durch Wasserwellen suchen, ein passender Bereich bereitgestellt werden kann. Bleibt noch zu erwähnen, dass die Wellenrichtung beliebig gewählt werden kann, auch veränderlich von einer Welle zur anderen, nach einem beliebigen Muster.
Solche (partiellen) Ringwellen bieten für Surfer, Schwimmer und Zuschauer eine Abwechselung gegenüber der kontinuierlichen Sichelwelle. Wichtiger ist aber der erheblich geringere Energieverbrauch, wenn an Tagesrandzeiten oder an Wochentagen der Andrang der Wassersportler vorübergehend nachlässt. Dieser Aspekt ist eminent wichtig, weil so die Vorrichtung immer verlässlich ein Wellenprogramm anzubieten hat. Oder anders gesagt: wann immer Wassersportler kommen, erhalten sie garantiert ihre Welle. Ringwellen können bspw. im Minutentakt produziert werden. Die Energiekosten pro Welle betragen etwa 1 Euro.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weisen die Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers wenigstens einen mit dem Verdrängungskörper verbundenen, mittig angeordneten Arm auf. Dieser kann von einem Antriebselement, z. B. einem Getriebe, in eine rotierende Bewegung versetzt werden. Der Arm kann beispielsweise entlang der Achse des toroidalen Verdrängungskörpers angeordnet sein. Wird der Arm nun von dem Getriebe oder auf eine ähnliche Weise in rotierende Bewegung, z. B. um die Vertikalachse, versetzt, nimmt er die Achse des Toroids mit, so dass die Achse ebenfalls um die Vertikalachse rotiert, d. h. ihre Neigungsrichtung ändert. Der toroidale Verdrängungskörper wird somit von dem Arm in eine Taumelbewegung versetzt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Länge des Arms zur besseren Steuerung des Verdrängungskörpers gezielt verändern, d. h. verlängern bzw. verkürzen lässt, beispielsweise um die Eintauchtiefe des Toroids zu regeln.
Bei anderen Ausführungsbeispielen weisen die Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers wenigstens zwei lineare Bewegungsmittel auf. Diese sind exzentrisch und auf einer nicht durch den Mittelpunkt verlaufenden Linie angeordnet. Die linearen Bewegungsmittel können z. B. Hydraulikzylinder oder elektrische Aktoren, d. h. Gewindespindeln für Hubzwecke mit elektrischem Antrieb, umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weisen die Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers drei Hydraulikzylinder auf. Die Hydraulikzylinder sind beispielsweise senkrecht angeordnet und mit ihrem unteren Ende mit einem Fundament, z. B. am Beckenboden, verbunden. Wenigstens einer der Hydraulikzylinder ist dabei gelenkig, beispielsweise kipp- bzw. kugelgelenkig, an das Fundament angekoppelt. Das obere Ende der Hydraulikzylinder ist mit dem Verdrängungskörper verbunden. Dazu weist der Verdrängungskörper bei manchen Ausführungsbeispielen drei mit ihm verbundene, z. B. nach innen gerichtete, Ausleger auf. Vorzugsweise weist er genau so viele Ausleger auf, wie Hydraulikzylinder vorgesehen sind. Das obere Ende eines jeden Hydraulikzylinders ist dann jeweils mit einem der Ausleger allseits gelenkig, bspw. kipp- bzw. kugelgelenkig, verbunden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weisen die Bewegungsmittel zwei Hydraulikzylinder auf. Die zwei Hydraulikzylinder sind senkrecht, insbesondere um 90° versetzt, angeordnet. Vorzugsweise sind die Hydraulikzylinder mit ihrem oberen Ende an den Verdrängungskörper bzw. die Ausleger und/oder mit ihrem unteren Ende an das Fundament angekoppelt. Dabei ist vorgesehen, dass die Hydraulikzylinder jeweils gelenkig, bspw. kipp- bzw. kugelgelenkig, angekoppelt sind. Besonders bevorzugt weisen Ausführungsbeispiele mit zwei Hydraulikzylindern ein im Wesentlichen mittig angeordnetes Kugelgelenk auf, welches beispielsweise auf einer aus dem Fundament nach oben ragenden Erhebung angeordnet ist, und ebenfalls mit dem Verdrängungskörper bzw. wenigstens einem der Ausleger verbunden ist. Der Verdrängungskörper ist dadurch auch mittig fixiert. Vorzugsweise ist das Kugelgelenk dabei fundamentseitig vertikalbeweglich ausgeführt. Dadurch kann auch eine ringförmige Wasserwelle durch Vertikalabsenkung des bspw. toroidalen Verdrängungskörpers realisiert werden.
Ferner weist die Vorrichtung bei manchen Ausführungsbeispielen eine Anordnung von Seilen auf, die den Verdrängungskörper mit dem Fundament bzw. dem Fundamentsockel verbinden. Vorzugsweise sind die Seile jeweils drehbar an dem Verdrängungskörper und an dem Fundamentsockel angeordnet. Diese Anordnung dient z. B. der Mittenfixierung des Verdrängungskörpers. Darüber hinaus kann sie die Aufgabe übernehmen, das – zuweilen erhebliche – Drehmoment des Verdrängungskörpers an das Fundament abzuleiten. Dieses Drehmoment entsteht z. B. durch den rotierenden Eintaucheffekt und die damit verbundene Wasserverdrängung. Natürlich sind statt der Seile auch beispielsweise Zugstangen möglich.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Anlage eine – beispielsweise etwa quadratische – Anordnung von vier Seilen bzw. Zugstangen auf, die den Verdrängungskörper mit dem Fundament verbinden. Besonders bevorzugt sind die Befestigungspunkte der Seile bzw. Zugstangen jeweils drehbar und für hohe Zugkräfte dimensioniert. Somit liegt ein Kardangelenk vor, das dem Verdrängungskörper die ungehinderte Taumelbewegung erlaubt und gleichzeitig das hohe Drehmoment an das Fundament ableitet.
Vorzugsweise können die Seile bzw. Zugstangen verlängert und/oder verkürzt werden. Dies kann beispielsweise durch an den Zugstangen- bzw. Seilenden eingebaute Hydro-Zugzylinder realisiert werden. Besonders bevorzugt werden die Hydro-Zugzylinder so gesteuert, dass die Seile immer gespannt bleiben. Auf diese Weise erlaubt das Kardangelenk, dass der Verdrängungskörper horizontal und parallel angehoben wird, was beispielsweise zur Erzeugung einer Einzel-Ringwelle erforderlich ist.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die fundamentseitigen Anlenkpunkte durch eine rollengelagerte senkrechte Linearführung die Höhenbewegung des Verdrängungskörpers mitmachen. Für den Taumelbetrieb würden die Anlenkpunkte dann wieder beispielsweise in der mittleren Höhe fixiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass statt der Hydro-Zugzylinder auch sogenannte elektrische „actuators” (Aktoren), d. h. Gewindespindeln für Hubzwecke mit elektrischem Antrieb, eingesetzt werden können.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Verdrängungskörper vorzugsweise in etwa ein Gewicht hat, das ihn etwa halb eintauchen lässt, wenn von den Hydraulikzylindern keine Kräfte ausgehen würden. Bei Ausführungsbeispielen, in denen der Verdrängungskörper z. B. aus geschweißtem Stahlblech besteht, ist dann ein Zusatzballast einzubringen, wie z. B. Sandsäcke, Schotter oder ähnliches. Im Betrieb für Sichelwellen, d. h. im Taumelbetrieb, muss nun ein Teil des Toroids gegen den Auftrieb heruntergezogen werden, bspw. mit der Kraft der Hydraulikzylinder. Zwar wird ein Teil der dafür aufgewendete Energie beim Auftauchen durch den Auftrieb zurück gewonnen, aber die Hydraulikzylinder sind offensichtlich unnötig belastet. Möglicherweise schafft ein höherer Ballast Abhilfe. Optimal ist aber wohl ein Wasserballast, der den Toroid etwa zur Hälfte füllt, wenn er sich in schräger Ausrichtung befindet. So reduziert er den Auftrieb der getauchten Toroidhälfte und die erforderliche Zugkraft der Zylinder. Diese Entlastung bleibt während des Taumelbetriebs erhalten, weil ja das Wasser immer seine tiefste Lage zu behalten versucht, also immer mit umläuft. Auf den Energieeinsatz hat dieser Effekt keinen Einfluss. Es werden lediglich die „Blindlasten” der Hydrozylinder reduziert. Sie können etwas leichter ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist der Verdrängungskörper als Hohlkörper ausgebildet, der zur Gewichtstrimmung ganz oder zum Teil befüllbar, insbesondere mit Wasser befüllbar, ist, um seine Masse anzupassen. Andere Füllstoffe als Wasser sind auch möglich, bspw. Bentonit-Wasser-Suspensionen, deren Materialdichte etwa doppelt so groß wie die von Wasser ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen besteht der Verdrängungskörper, d. h. dessen Hülle, aus Beton, Stahl oder Kunststoff. Andere Stoffe oder Stoffgemische sind möglich. Vorzugsweise eignen sich die verwendeten Materialien für den Einsatz im Wasser und sind korrosionsbeständig gegen Wasser, Salz und/oder UV-Strahlung. Der Verdrängungskörper ist bei einigen Ausführungsbeispielen vor Ort leicht montierbar, z. B. aus modularen Teilsegmenten aus Stahl oder Beton. Betonsegmente werden z. B. mittels außen umlaufender Spannbänder zusammengepresst, so dass der Verdrängungskörper großen Belastungen, insbesondere im Taumelbetrieb, stand hält. Alternativ werden Stahlelemente vor Ort verschweißt oder Kunststoffelemente nach bekannten Verfahren verklebt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Verdrängungskörper aus einer Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise unabhängigen, Sektionen zusammengesetzt, d. h. die Sektionen können sich vorzugsweise unabhängig voneinander bewegen. Dazu weisen bei manchen Ausführungsbeispielen die Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers wenigstens je ein Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung jeder einzelnen, unabhängigen Sektion des Verdrängungskörpers auf. So können die Sektionen in dichter Folge nacheinander bewegt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die umlaufende Kippbewegung bzw. die Taumelbewegung des Verdrängungskörpers nachempfunden werden, so dass auch bei diesen Ausführungsbeispielen für den Wassersport geeignete, kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwellen entstehen.
Werden hingegen die einzelnen Sektionen gleichzeitig angehoben und wieder abgesenkt, können mit einer solchen Anlage auch einzelne oder stehende Ringwellen erzeugt werden. Auch ist es möglich, dass nur ein Teil der Sektionen eine gleichzeitige Auf- und ab Bewegung ausführt. Werden beispielsweise manche der Sektionen, die nebeneinander, im Wesentlichen entlang eines Kreisbogens, angeordnet sind, gleichzeitig angehoben und wieder abgesenkt, so entsteht eine im Wesentlichen bogenförmige Wasserwelle. Werden diese Sektionen periodisch, im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz, auf- und ab bewegt, entsteht eine sogenannte stehende bogenförmige Wasserwelle.
Interessanter können die Wellen dadurch werden, dass die Sektionen unterschiedlich tief eintauchen. So erreicht man eine Modulation der Wellenhöhe in einfachster Weise.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, dass die einzelnen Sektionen eine Kippung um eine Querachse ausführen können. Diese kann beispielsweise durch einen Hydrozylinder bewirkt werden. Vorzugsweise ergänzt diese Kippung die Auf- und ab Bewegung der Sektionen und perfektioniert damit die Simulation der Taumelbewegung des bspw. toroidalen Verdrängungskörpers.
Die Erfinder haben erkannt, dass es hilfreich für die Erzeugung einer optimalen Wellenform sein kann, wenn der erzeugten Wasserwelle ein zusätzlicher Impuls in Wellen-Laufrichtung übertragen werden kann. Dies ist analog zur Bewegung eines über eine schiefe Ebene abrollenden, walzenförmigen Verdrängungskörpers zu verstehen, der das Wasser vertikal und horizontal verdrängt. Eine solche Bewegungskomponente kann beispielsweise durch einen tiefer gelegten Drehpunkt erreicht werden. Es kann aber auch ein zusätzlicher „Lenker” oder ein weiterer Hydrozylinder vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt sind die Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers zusätzlich ausgelegt, den Verdrängungskörper beziehungsweise die einzelnen, unabhängigen Sektionen derart im Wasser zu bewegen, dass gleichzeitig mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwellen die entstehen. Das ist insbesondere für eine sehr hohe Auslastung der Vorrichtung interessant. Natürlich erhöht sich dabei auch der Energieverbrauch.
Bei vorübergehend schwacher Auslastung ist es dagegen möglich, Einzel-Ringwellen durch synchrones Absenken aller Sektionen zu erzeugen, analog zu den vorher beschriebenen Ringwellen des kompakten Toroids. Bei noch geringerer Auslastung oder beim Schulungsbetrieb kann eine reduzierte Zahl von Sektionen engagiert werden, bis hinunter zu nur einer einzigen.
Damit sind über die Sichelwelle hinaus alle weiteren oben beschriebenen Wellenmuster mit diesem „gegliederten” Verdrängungskörper ohne Einschränkungen realisierbar. Die Nutzung der Einzelsektionen muss sich aber nicht allein auf die Imitation des Taumelbetriebs beschränken, also nicht allein auf eine im Wesentlichen kreisförmige Anordnung. Vielmehr können fast beliebig viele andere Varianten realisiert werden, wie zum Beispiel eine Ellipse oder eine eingebeulter Ellipse. Im Beulenbereich oder im Übergang von konkav auf konvex entstehen interessante Welleneffekte für die Wassersportler.
Vorzugsweise regelt ein Steuerprogramm die Bewegungsmittel derart, dass sie den Verdrängungskörper so bewegen, dass der gewünschte Wellentyp entsteht. Beispielsweise werden die Hydraulikzylinder so auf- und ab bewegt, dass der Verdrängungskörper die umlaufende Taumelbewegung ausführt und somit eine kontinuierliche, nach außen fortschreitende Wasserwelle in Form einer Sichel, die um den Mittelpunkt der Anlage kreist, erzeugt. Bei anderen Ausführungsbeispielen versetzt das Steuerprogramm das mittig angeordnete Getriebe, und damit den Arm, so in eine rotierende Bewegung, dass die von dem Arm mitgenommene Achse des Verdrängungskörpers um die Vertikalachse rotiert. Über das Steuerprogramm kann auch die Umlauffrequenz des Verdrängungskörpers und/oder seine Eintauchtiefe gesteuert werden. Dies kann manuell, z. B. per Knopfdruck, geschehen, oder mittels einer vorher festgelegten Programmierung. Darüber hinaus ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass das Steuerprogramm die Drehrichtung des Verdrängungskörpers ändern kann. So kann beispielsweise im Voraus ein bestimmtes Wellenprogramm festgelegt werden, d. h. wie lange der Verdrängungskörper mit welcher Umlauffrequenz und Eintauchtiefe in welche Drehrichtung bewegt wird. Das Steuerprogramm führt dann das vorher bestimmte Wellenprogramm aus, das sich an den Bedürfnissen der jeweiligen Wassersportler, z. B. Surfer oder Schwimmer, orientiert. Dennoch ist üblicherweise vorgesehen, dass das automatisch ablaufende Steuerprogramm jederzeit manuell unterbrochen werden kann, um bspw. auf unvorhergesehene äußere Gegebenheiten reagieren zu können.
Es kann vorgesehen sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Anlage zur Erzeugung von Wellen (Wellenerzeugungsanlage) in einem mit Wasser gefüllten Becken oder einem natürlichen Gewässer zu betreiben. Insbesondere kann es sich dabei um eine Anlage zum Erzeugen von permanenten Wasserwellen, z. B. für das Wellenreiten, handeln. Vorzugsweise ist eine solche Anlage auch für die Erzeugung einzelner, bspw. ringförmiger oder wenigstens partiell ringförmiger, Wellen geeignet. Besonders bevorzugt ist die Anlage darüber hinaus für die Erzeugung sogenannter „stehender Wellen” geeignet.
Eine solche Wellenerzeugungsanlage umfasst also eine Vorrichtung zur Erzeugung von für den Wassersport geeigneten Wellen gemäß der Erfindung sowie ein mit Wasser gefülltes Becken, in dem die Vorrichtung so angeordnet ist, dass sie in diesem Becken im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende Wasserwellen erzeugen kann.
Der Begriff „Becken” umfasst künstlich angelegte, mit Wasser gefüllte Gewässer, aber auch natürliche Gewässer. Er umfasst auch teils künstlich angelegte und teils natürlich bestehende Gewässer. Die beschriebene Wellenerzeugungsanlage eignet sich für einen Betrieb in natürlichen Gewässern, wie z. B. Seen bzw. Flüssen oder dem Meer, und künstlichen Gewässern wie Baggerseen, Stauseen, Steinbrüchen oder eigens dafür angelegten Becken. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Anlage als Indooranlage ausgestaltet, z. B. in einer Halle, oder sie wird im Outdoorbetrieb oder wenigstens teilweise unter permanenter Bedachung genutzt. Die Wellenerzeugungsanlage ist somit unabhängig von vorherrschenden Wetter-, Klima- bzw. Windbedingungen. Ferner ist sie unabhängig vom Tageslicht und somit insbesondere auch nach Feierabend und in der arbeitsfreien Zeit nutzbar, z. B. unter Flutlicht. Die Anlage eignet sich für den Einsatz in Urlaubsregionen und Touristikzentren, z. B. dem Mittelmeerraum, oder in regionalen Freizeitparks mit weiteren Freizeitangeboten. Sie kann auch als lokal angesiedelte Einzelattraktion dienen. Dies kann den Reisebedarf von Wassersportlern reduzieren, die nicht mehr z. B. in südliche Touristikregionen mit Wasser und natürlichen Wellenaufkommen reisen müssen. Das spart Ressourcen, insbesondere Energie, und verringert das Verkehrsaufkommen, insbesondere im Straßen- und Flugverkehr. Dadurch werden auch Schadstoffemissionen, insbesondere CO₂ Emissionen, verringert. Für den Benutzer ergibt sich gleichzeitig eine Zeitersparnis aufgrund verkürzter Reisezeit.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Form der erzeugten Welle beeinflusst werden kann. Dazu steigt bei manchen Ausführungsbeispielen der Boden des Beckens bzw. des Gewässers radial um den Verdrängungskörper an. Ferner kann der Beckenboden derart geformt sein, bspw. indem er Unebenheiten aufweist, dass die Welle die gewünschte Form erhält. Bei manchen Ausführungsbeispielen befindet sich am Schnittpunkt der Vertikalachse mit dem Boden, was der Mitte des Verdrängungskörpers entspricht, die tiefste Stelle des Beckens. Die Abflachung des Bodens in Richtung des Ufers bzw. des Beckenrandes kann linear oder entlang einer beliebigen Kurvenform erfolgen. Bei machen Ausführungsbeispielen steigt der Boden in allen Richtungen gleichmäßig an. Ein kontinuierlich ansteigender Beckenboden hilft, Wellenhöhe und Steilheit auch weiter draußen, d. h. in größerer Entfernung zum Verdrängungskörper, für Wassersportler, bspw. für Wellenreiter oder Surfer, attraktiv zu halten. Durch gezielte Unebenheiten des Bodens kann das z. B. bei Surfern gewünschte Brechen der Welle erreicht werden. Alternativ können umfänglich flachere und tiefere Bereiche errichtet werden, indem bspw. Winkelsektoren mit unterschiedlichen Neigungswinkeln rund um die Mitte des Verdrängungskörpers vorgesehen sind, so dass sich aus den daraus resultierenden unterschiedlichen Wellenkonturen der Welle eine vielfältige Wellenlandschaft ergibt. Um einer möglichen Bodenerosion entgegenzuwirken, kann vorgesehen sein, den Boden des Beckens zu bedecken, bspw. mit Kunststoffplanen oder mit Schutzmatten. Die Form des Bodens bildet eine feststehende Leitkontur für das verdrängte Wasser.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist die Anlage einen mittig angeordneten, vorzugsweise im Wesentlichen runden, Fundamentsockel auf. Der Fundamentsockel ragt von dem Fundament am Beckenboden nach oben. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Fundamentsockel aus dem Wasser herausragt oder zumindest bis in etwa zur Höhe der Wasseroberfläche ragt. Der Fundamentsockel kann in seinem Inneren eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen. Beispielsweise kann der Fundamentsockel in etwa die Form eines Hohlzylinders haben. In der Ausnehmung bzw. den Ausnehmungen können Teile der Anlage, beispielsweise die Hydraulikzylinder zum Verstellen des Verdrängungskörpers, angeordnet sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Fundamentsockel innerhalb seiner Ausnehmung einen oder mehrere Vorsprünge auf. Besonders bevorzugt weist der Fundamentsockel eine in etwa mittig angeordnete Erhebung in einer Ausnehmung auf. Auf dieser Erhebung kann beispielsweise das Getriebe zur Rotation des Verdrängungskörpers angeordnet sein. Ein toroidaler Verdrängungskörper kann beispielsweise um den Fundamentsockel herum angeordnet sein.
Da die Anlage mit dem Verdrängungskörper sich typischerweise in einem mittleren Bereich des mit Wasser gefüllten Beckens befindet, kann man von jeder Stelle des Ufers bzw. Beckenrandes aus die Wassersportler beobachten. Nach einer Umlaufzeit, bspw. von 10 Sekunden, wiederholt sich die wandernde Sichelwelle, die ja die Eigenschaft hat, dass jeder Beobachter immer einen Teil von ihr sieht. Diese allseitige Sichtbarkeit gilt natürlich auch für die vorher beschriebene einzelne Ringwelle und ihre Abwandlungen. Es ist also ein besonderer Vorteil der Anlage, dass jeder Zuschauer entlang des gesamten Ufers oder Beckenrandes die Wassersportler ohne Unterbrechung beobachten kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist als weiterer Vorteil eine Plattform für Zuschauer auf einer mittig angeordneten Insel, bspw. auf einem ausreichend großen, aus dem Wasser herausragenden, Vorsprung oberhalb des Fundamentsockels, vorgesehen. Auf einer solchen Insel erlebt man die direkte Nähe zu den Wassersportlern. Wegen des umlaufenden Charakters der Sichelwelle bewegen sich die Wassersportler, z. B. die Surfer, eine Zeit lang quasi kreisförmig um den Beobachter herum. Darüber hinaus kann von einer solchen Insel aus das Auf und Ab des Toroids aus unmittelbarer Nähe erlebt werden. Ein Aufenthalt auf der Plattform kann den Zuschauern gegen ein Eintrittsgeld gewährt werden, welches zum Gesamtertrag der Anlage beiträgt und/oder als Sponsoring für die Wassersportler, insbesondere die Wellenreiter, eingesetzt werden kann. Ein im Zentrum der Insel gelegener gastronomischer Betrieb, z. B. ein Bistro, kann weitere Einnahmen der Anlage generieren.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist auf dem Verdrängungskörper ein wenigstens teilweise umlaufender und gesicherter Rundgang angeordnet. Hier wird den Zuschauern das Erlebnis eines Schiffs in rauher See vermittelt.
Vorzugsweise ist bei manchen Ausführungsbeispielen ein – bspw. großmaschiges – Schutzgitter vorgesehen, um zu verhindern, dass Wassersportler, wie z. B. Surfer oder Schwimmer, unter den sich auf und ab bewegenden Verdrängungskörper geraten. Besonders bevorzugt sind bei manchen Ausführungsbeispielen an dem Schutzgitter Startpodeste, insbesondere in unterschiedlichen Höhen, angeordnet, so dass Wassersportler sich von diesen aus von der Welle quasi abheben und forttreiben lassen können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Startpodeste höhenverstellbar und insbesondere an die Wellenhöhe anpassbar. Alternativ sind sie stufenförmig ausgebildet, so dass ein Wassersportler die für ihn ideale Starthöhe selbst wählen kann.
1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper 10 in Form eines Torus, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Der Fundamentsockel 20 umfasst eine Erhebung in Form eines Hohlzylinders, die in etwa die Höhe des Wasserspiegels erreicht, und von dem Verdrängungskörper 10 umringt wird. Der Verdrängungskörper 10 weist zusätzlich drei nach innen gerichtete Ausleger 30 auf, die über die Erhebung ins Innere der Erhebung hineinragen. Im Inneren der Erhebung sind drei Hydraulikzylinder 40 senkrecht angeordnet. Die Hydraulikzylinder 40 sind mit ihrem unteren Ende an dem Fundamentsockel 20 und mit ihrem oberen Ende an den Auslegern 30 gelenkig angekoppelt. Sie dienen als Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers 10. Ferner weist die Wellenmaschine gemäß 1a eine in etwa quadratische Anordnung von Seilen 50 auf, die den Verdrängungskörper 10 mit dem Fundamentsockel 20 verbinden. Die Seile 50 werden ergänzend benötigt, um die Mittenfixierung (Zentrierung) des toroidalen Verdrängungskörpers 10 sicherzustellen, und um sein – ggf. erhebliches – Drehmoment an den Fundamentsockel 20 abzuleiten. Dieses Drehmoment entsteht durch die rotierende Eintauchbewegung und die damit verbundene Wasserverdrängung. Die Seile werden dabei jeweils drehbar und für hohe Zugkräfte dimensioniert an Befestigungspunkten 60 an dem Fundamentsockel 20 und an dem Verdrängungskörper 10 befestigt. Die torusseitigen Befestigungspunkte 60 können auch an den Auslegern 30 angeordnet sein.
In 1a ist zu erkennen, dass sich ein Sektor des toroidalen Verdrängungskörpers 10 im Wesentlichen unterhalb und ein diesem gegenüberliegender Sektor des Verdrängungskörpers 10 im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche befindet. Diese Lage ist typisch für einen toroidalen Verdrängungskörper 10 im Taumelbetrieb, wie oben beschrieben.
Zusätzlich ist oberhalb des Fundamentsockels 20 eine – im Wesentlichen runde – Plattform 70 für Zuschauer angeordnet. Die Plattform 70 befindet sich dabei in ausreichender Höhe, um einen reibungslosen Betrieb der Wellenmaschine zu ermöglichen, d. h. zwischen dem Fundamentsockel 20 und der Plattform 70 muss genug Abstand vorgesehen sein, damit der Verdrängungskörper 10 wenigstens teilweise aus dem Wasser auftauchen kann. Zuschauer auf der Plattform 70 erleben die direkte Nähe zu den Wassersportlern und haben auch einen bevorzugten Standort zum Fotografieren. Wegen des umlaufenden Charakters der Sichelwelle bewegen sich beispielsweise Surfer eine Zeit lang quasi kreisförmig um die Zuschauer. Auch die Auf- und ab Bewegung des Verdrängungskörpers 10 und die verdrängten Wassermassen werden die Zuschauer nachhaltig beeindrucken.
1b zeigt eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels der Wellenmaschine mit dem toroidalen Verdrängungskörper 10, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist, und der vier nach innen gerichtete Ausleger 30 aufweist. Unter drei Auslegern 30 ist jeweils einer der drei Hydraulikzylinder 40 senkrecht angeordnet und mit seinem oberen Ende gelenkig an den Auslegern 30 gekoppelt. Typischerweise sind die drei Hydraulikzylinder 40 gleichmäßig über den Umfang des Torus verteilt, d. h. zwischen ihnen ist ein Winkelabstand von etwa 120°. Das untere Ende der Hydraulikzylinder ist gelenkig an den Fundamentsockel 20 gekoppelt.
1b zeigt auch eine in etwa quadratische Anordnung von vier Seilen 50, die den Verdrängungskörper 10 mit dem Fundamentsockel 20 verbinden. Dazu sind die Seile 50 an zwei sich gegenüberliegenden Befestigungspunkten 60 drehbar mit dem Verdrängungskörper 10 und an zwei weiteren Befestigungspunkten 60 drehbar mit dem Fundamentsockel 20 verbunden. Somit liegt ein Kardangelenk vor, das dem Torus die ungehinderte Taumelbewegung erlaubt und gleichzeitig das hohe Drehmoment an das Fundament ableitet.
An jedem der vier Seilenden, die über die Befestigungspunkte 60 mit dem Fundamentsockel 20 verbunden sind, ist ein Hydro-Zugzylinder 80 vorgesehen. Somit können die Seile 50 entsprechend verlängert oder verkürzt werden, um eine Auf- und ab Bewegung des Torus in horizontaler Ausrichtung – und damit die Erzeugung einer einzelnen Ringwelle mit dem toroidalen Verdrängungskörper 10 – zu ermöglichen. Die Hydro-Zugzylinder 80 werden dabei üblicherweise so gesteuert, dass die Seile 50 immer gespannt bleiben.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwelle 90. Die Bewegungsrichtung der Welle ist dabei durch kleine Bewegungspfeile angedeutet. Im Zentrum der Welle ist ein im Wesentlichen kreisförmiger, bspw. toroidaler, Verdrängungskörper 10 angedeutet, der bei diesem Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn rotiert. Der toroidale Verdrängungskörper 10 führt somit eine Taumelbewegung bzw. eine umlaufende Kippbewegung im Uhrzeigersinn aus. Dadurch wird ebenfalls umlaufend durch den eintauchenden Sektor das Wasser im Wesentlichen nach außen und oben verdrängt. So entsteht eine kontinuierliche Welle (durchgezogene Linie), die sich nach außen bewegt, aber stets mit dem getauchten Sektor des Verdrängungskörpers 10 verbunden bleibt. Am besten ist die so entstandene Wellenform mit einer Sichel zu vergleichen, die ständig um den Mittelpunkt der Anlage im Uhrzeigersinn kreist.
Weitere Wellenerzeugungspunkte, d. h. Orte entlang der Umfangslinie des Verdrängungskörpers 10, an denen Wasser verdrängt wird, und die daraus resultierende Wasserwellen 90, sind in gestrichelten Linien angedeutet. Die so erzeugte, im Wesentlichen kontinuierlichen, sichelförmige Wasserwelle 90 schreitet also nach außen fort, wie durch die Pfeile angedeutet, und nimmt nachfolgend sukzessive die Positionen der hier gestrichelt angedeuteten Wellenfronten ein. Je nach Größe der Wasserfläche, in deren Mitte sich die Anlage befindet, hat eine Welle das Ufer noch nicht erreicht, wenn ihr die nächste schon folgt. Die Wellen verlieren allmählich ihre Energie, haben also ihre größte Höhe am Entstehungsort und werden dann nach außen hin kleiner. Ein Wassersportler, wie z. B. ein Surfer, kann sich in stets gleichem Abstand um die Anlage herum aufhalten und somit eine stets gleichbleibende Höhe der Wasserwelle 90 nutzen. Durch einen kontinuierlich ansteigenden Beckenboden kann die Wellenhöhe und Steilheit auch weiter draußen erhalten und bspw. für Surfer attraktiv gehalten werden.
Will man kleinere Wellen 90 haben, so kann die Umlauffrequenz und/oder die Eintauchtiefe des Verdrängungskörpers 10 reduziert werden. Dies verringert auch den Energieverbrauch der Vorrichtung. Surfer bewegen sich vorzugsweise schräg auf der Wellenflanke herunter. Das können sie hier unterbrechungsfrei praktizieren, bis ihnen die Kraft (oder das Geld) ausgeht. Will man nach einer gewissen Zeit nach der anderen Seite schräg abfahren, lässt sich, bspw. per Knopfdruck, die Drehrichtung des Toroid ändern.
Weitere interessante Wellenformen sind in 3 dargestellt. So zeigt 3a eine einzelne, nach außen fortschreitende, ringförmige Wasserwelle, d. h. eine Einzel-Ringwelle 100. Die Einzel-Ringwelle 100 wird erzeugt, indem der Verdrängungskörper 10 in horizontaler Ausrichtung parallel auf und ab bewegt wird, d. h. in Hubbewegungen entlang der Vertikalachse versetzt wird Somit entsteht entlang der Umfangslinie des Verdrängungskörpers 10 eine ringförmige Welle. Diese läuft radial nach außen und vergrößert dabei ständig ihren Durchmesser und somit ihre seitliche Ausdehnung. So bietet diese Einzel-Ringwelle 100 einer erheblichen Zahl von Wassersportlern, bspw. Surfern, zunehmenden Spielraum. Im Gegensatz zu einer Naturwelle, die erst mit der Annäherung an das Ufer ihre maximale Höhe erreicht, beginnt die Ringwelle mit maximaler Wellenhöhe und flacht dann mit zunehmender Ausdehnung ab. Ein ansteigender Beckenboden kann dem entgegenwirken und die Welle wieder „aufsteilen”. Die deutlich niedrigere Wellenhöhe weiter draußen kann z. B. auch von Schwimmern genutzt werden. Am Ufer ist die Welle dann genügend flach geworden, um Badegäste – unter anderem auch Kinder – nicht zu gefährden, ihnen aber dennoch eine Abwechslung zu bieten.
Ist der Verdrängungskörper 10 in horizontaler Ausrichtung teilweise getaucht und führt kleine Hubbewegungen im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz aus, so werden „Stehende Ringwellen” 110 erzeugt, wie in 3b gezeigt. Dadurch entsteht rings um die, typischerweise mittig in dem Becken angeordnete, Vorrichtung ein flächendeckendes Muster aus konzentrischen Wellen, die zwar ihre Höhe schnell verlieren, aber doch eine interessante Belebung der Wasserlandschaft bewirken. Eine für Surfer ausreichende Wellenhöhe zumindest im Nahbereich der Erzeugung ist von der Dimensionierung der Anlage, insbesondere der Hydraulikzylinder 40, sowie vom Energieeinsatz abhängig.
Ist der Verdrängungskörper 10 in schräger Ausrichtung und wird dann durch die Bewegungsmittel in Kippbewegungen bezüglich der Wasseroberfläche versetzt, so wird Wasser im Wesentlichen entlang des Teils der äußeren Umfangslinie nach außen und oben verdrängt, der den gerade eintauchenden Sektor nach außen begrenzt. Wie in 3c gezeigt, entsteht somit eine einzelne, im Wesentlichen bogenförmige Welle 120, die nur einen Sektor der vorher beschriebenen Einzel-Ringwelle umfasst, d. h. eine „partielle Ringwelle”. Diese bogenförmige Welle 120 hat ihre maximale Höhe in der Mitte und fällt nach den Seiten ab. Die Erzeugung dieser Welle ist weniger energieaufwendig als die der Einzel-Ringwelle 100. Wegen ihres unterschiedlichen Höhenangebotes ist sie sowohl für Profis wie auch füre Anfänger unter den Wassersportlern geeignet. Darüber hinaus ist diese partiale Ringwelle geeignet für Betriebszeiten mit reduzierter Auslastung. Natürlich kann die Wellenrichtung beliebig gewählt werden, und sich auch von einer Welle zur anderen nach einem beliebigen Muster verändern.
In 3d ist schließlich eine stehende bogenförmige Wasserwelle 130 gezeigt. Führt der in schräger Ausrichtung stehende Verdrängungskörper 10 kleine Kippbewegungen im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz aus, so erzeugt er die – auf einen Sektor beschränkte – stehende, bogenförmige Wasserwelle 130, also eine partielle stehende Ringwelle. Möglicherweise kann hier schon eine für Surfer ausreichende Wellenhöhe erreicht werden. Die Antriebsleistung der Anlage ist jedenfalls auf einen erheblich kleineren Bereich fokussiert.
Auch für die Schwimmer ist dies eine optimale Situation, weil genügend Wellen 130 mit unterschiedlichen Höhen verfügbar sind, und nicht die gesamte Wasserfläche bewegt werden muss. Ist dieses jedoch erwünscht, so kann die Kippebene langsam rotieren und so nach und nach die gesamte Wasserfläche mit stehenden Wellen 130 überstreichen, die langsam wieder abebben.
4a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper 10 in Form eines Torus, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Wie in 1a befindet sich auch hier ein Sektor des toroidalen Verdrängungskörpers 10 im Wesentlichen unterhalb und ein diesem gegenüberliegender Sektor des Verdrängungskörpers 10 im Wesentlichen oberhalb der Wasseroberfläche, wie es für einen toroidalen Verdrängungskörper 10 im Taumelbetrieb typisch ist. Als Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers 10 sind drei senkrecht angeordnet Hydraulikzylinder 40 vorgesehen, die je mit ihrem unteren Ende an dem Fundamentsockel 20 und mit ihrem oberen Ende an drei nach innen gerichteten Auslegern 30 gelenkig angekoppelt sind. Die drei Hydraulikzylinder 40 sind hier – im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel in 1a – auch ausgelegt, um den toroidalen Verdrängungskörper 10 zu zentrieren und um sein Drehmoment an den Fundamentsockel 20 abzuleiten.
Dazu ist einer der Hydraulikzylinder 40 unten fest mit dem Fundamentsockel 20 verschraubt und der zweite unten mit einem sehr robusten Gelenk 140 ausgerüstet, das eine Kippbewegung in der Richtung zum ersten Zylinder 40 erlaubt. Der dritte Zylinder 40 ist unten mit einem Kugelgelenk 150 befestigt und alle drei haben oben ebenfalls Kugelgelenke 160. Mit dieser Anordnung kann die Taumelbewegung ausgeführt werden, die Zentrierung ist gesichert, das Drehmoment wird an den Fundamentsockel 20 abgeleitet und darüber hinaus sind auch vertikale Hubbewegungen des toroidalen Verdrängungskörpers 10 für die Einzel-Ringwelle ohne besondere Vorkehrungen realisierbar.
Probleme könnten daraus entstehen, dass durch die Ableitung des Drehmomentes vom Toroid zum Fundament sehr hohe Querkräfte vom ersten und zweiten Hydraulikzylinder 40 zu übernehmen sind, die weit über dem liegen, was übliche Zylinder aushalten. Andererseits vereinfacht sich die Konstruktion im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel. Die in 3 beschriebenen Wellenvarianten können ohne Unterschied auch von dieser Anlage erzeugt werden.
Wie schon im ersten Ausführungsbeispiel ist auch hier optional eine Plattform 70 für Zuschauer oberhalb des Fundamentsockels 20 angeordnet.
4b zeigt eine Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Wellenmaschine mit dem toroidalen Verdrängungskörper 10, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Sie weist drei nach innen gerichtete und mit dem Verdrängungskörper 10 verbundene Ausleger 30 auf. Diese schließen üblicherweise einen Winkel von jeweils etwa 120° ein. Unter den drei Auslegern 30 ist jeweils einer der drei Hydraulikzylinder 40 senkrecht angeordnet und mit seinem oberen Ende kugelgelenkig an den Auslegern 30 gekoppelt. Das untere Ende des ersten Hydraulikzylinders 40a ist fest mit dem Fundamentsockel 20 verschraubt, während das untere Ende des zweiten Hydraulikzylinders 40b kippgelenkig und das untere Ende des dritten Hydraulikzylinders 40 kugelgelenkig an den Fundamentsockel 20 gekoppelt sind.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper 10 in Form eines Torus, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Der Fundamentsockel 20 umfasst neben der äußeren Erhebung in Form eines Hohlzylinders, die von dem Verdrängungskörper 10 umringt wird, eine mittig angeordnete, im Wesentlichen runde Erhebung 170. Die Erhebung 170 ragt vom Fundament aus bis in etwa zur Höhe des Wasserspiegels hervor. Der Verdrängungskörper 10 weist zusätzlich zwei nach innen gerichtete Ausleger 30 auf, die mit zwei senkrecht angeordneten Hydraulikzylindern 40 verbunden sind. Die Hydraulikzylinder 40 sind dabei um 90° versetzt oben an den Auslegern 30 und unten an dem Fundamentsockel 20 vollgelenkig angekoppelt. Sie dienen als Bewegungsmittel zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers 10. Auf der mittigen Erhebung 170 ist ein Kugelgelenk 180 angeordnet, das ebenfalls mit dem Verdrängungskörper 10 verbunden ist und diesen mittig fixiert (zentriert). Das Drehmoment des Verdrängungskörpers 10 kann über ein Seilviereck wie in 1b dargestellt aufgenommen werden. Eine dosierte geringe Schlaffheit der Seile 50 im Ruhezustand verhindert Zwangskräfte gegenüber dem ebenfalls zentrierenden Kugelgelenk. Soll eine Einzel-Ringwelle durch Vertikalabsenkung des toroidalen Verdrängungskörpers 10 erzeugt werden, so müssen das Kugelgelenk 180 und die Befestigungspunkte der Seile 50 fundamentseitig vertikalbeweglich ausgeführt sein. Auf diese Weise können alle in 3 beschriebenen Wellenvarianten erzeugt werden. Die Plattform 70 für die Zuschauer ist in diesem Ausführungsbeispiel mehrgeschossig ausgeführt.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper 10 in Form eines Torus, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Der Torus befindet sich dabei in schräger Ausrichtung. Die nach innen gerichteten, mit dem Verdrängungskörper 10 verbundenen Ausleger 30 sind mit einem mittig, im Wesentlichen entlang der Achse des Torus, angeordneten Arm 190 verbunden. Der Arm 190 ist mit seinem unteren Ende kugelgelenkig auf einem auf dem Fundamentsockel 20 angeordneten, nach oben ragenden Podest 200 angekoppelt. Ein Ende des Arms 190 ist gelenkig mit einem Getriebe 210 verbunden, das den Arm 190 in eine rotierende Bewegung um eine Vertikalachse 220 versetzen kann. Der Arm 190 nimmt bei einer solchen rotierenden Bewegung die gegenüber der Vertikalachse 220 geneigte Achse des Verdrängungskörpers 10 mit, so dass diese ebenfalls um die Vertikalachse 220 rotiert, d. h. der Verdrängungskörper 10 durch den Arm 190 in eine Taumelbewegung versetzt wird. Auf diese Weise wird wieder eine kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle erzeugt.
Das sehr hohe Antriebsdrehmoment, bedingt durch die niedrige Taumelfrequenz des Toroid, verlangt nach einem aufwendigen Spezialgetriebe.
In 7 sind beispielhaft unterschiedliche Querschnittsformen, die ein Verdrängungskörper 10 aufweisen kann, gezeigt. Üblicherweise weist der Verdrängungskörper 10 eine rotationssymmetrische Form, beispielsweise die Form eines Toroid, auf. Ein kreisförmiger Querschnitt bietet größtmögliche Steifigkeit gegen Verwindungs- und Biegekräfte am toroidalen Verdrängungskörper 10, die als Folge des unsymmetrischen Kraft-Angriffspunktes der Hydraulikzylinder 40 und der beträchtlichen Strömungskräfte zu erwarten sind. Auch gegen Einbeulen bietet der Kreisquerschnitt, besonders in Verbindung mit der Krümmung des Toroid, optimalen Widerstand. Bezüglich der Wellenbildung kann man sich vorstellen, dass die Rundung beim Eintauchen in vorteilhafter Weise das Wasser nach oben fördert und ihm gleichzeitig den für die Wellenausbreitung erforderlichen Impuls radial nach außen verleiht. Wellenversuche mit geraden Zylindern haben dieses Verhalten bestätigt. Dies gilt in gleicher Weise für ovale Abwandlungen 230 des Kreisquerschnitts oder der dargestellten Dreiecksformen 240.
8a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wellenmaschine mit einem Verdrängungskörper 10 in Form eines Torus, der um einen Fundamentsockel 20 angeordnet ist. Der toroidale Verdrängungskörper 10 ist dabei aus einer Vielzahl einzelner, unabhängiger Sektionen 250 zusammengesetzt. Die Sektionen 250 können unabhängig voneinander durch Bewegungsmittel bewegt werden. Dazu weist jede Sektion 250 einen mit ihr verbundenen, nach innen gerichteten Ausleger 30 auf, der an eine mittig angeordnete Erhebung 170 gelenkig angekoppelt ist. Jeder dieser Ausleger 30 wird durch einen senkrecht unterhalb der Ausleger 30 angeordneten Hydraulikzylinder 40 in Bewegung versetzt. Die Hydraulikzylinder sind dabei wieder mit ihren oberen Enden an den Auslegern und mit ihren unteren Enden an dem Fundamentsockel 20 gelenkig angekoppelt. Da jeder Hydraulikzylinder 40 einzeln angesteuert werden kann, lässt sich auch jeder Ausleger 30 – und damit jede der einzelnen Sektionen 250 – unabhängig voneinander in Bewegung versetzen. So können die Sektionen in dichter Folge nacheinander abgesenkt und wieder angehoben werden. Dadurch entsteht die gleiche Wirkung wie bei den bisher beschriebenen Wellenmaschinen mit dem Ergebnis einer Sichelwelle. Interessanter kann die Welle dadurch werden, dass die Sektionen 250 unterschiedlich tief eintauchen. So erreicht man eine Modulation der Wellenhöhe in einfachster Weise.
In 8b ist ein Ausführungsbeispiel mit sechs einzelnen Sektionen 250 gezeigt, die jeweils mit einem nach innen gerichteten Ausleger 30 verbunden sind und jeweils von einem senkrecht unterhalb der Ausleger 30 angeordneten Hydraulikzylinder 40 bewegt werden können. Die Ausleger 30 sind an eine mittig angeordnete Erhebung 170 gelenkig angekoppelt. Werden nun sukzessive die Sektionen 250 in entlang einer Drehrichtung nebeneinander liegender Folge abgesenkt und wieder angehoben, so wird das Wasser auf im Wesentlichen die gleiche Art und Weise verdrängt, wie bei einem toroidalen Verdrängungskörper 10 im Taumelbetrieb. Durch die mit der Wasserverdrängung einhergehende Wasserbewegung entsteht eine kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle.
Es ist mit der in 8 gezeigten Wellenmaschine auch möglich, durch gleichzeitiges Anheben und Absenken aller Sektionen 250 eine Einzel-Ringwelle zu erzeugen. Wiederholt man den Zyklus von Anheben und Absenken kontinuierlich im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz, so entsteht eine stehende Ringwelle. Dabei muss man darauf achten, dass die Sektionen 250 alle in gleicher horizontaler Ausrichtung, d. h. in der gleichen Höhe angeordnet, sind. Werden dagegen nur einige (aber nicht alle) nebeneinander liegende Sektionen 250 gleichzeitig angehoben und wieder abgesenkt, so entsteht eine im Wesentlichen bogenförmige, d. h. partiell ringförmige, Wasserwelle. Auch in diesem Betriebsmodus kann durch wiederholtes Anheben und Absenken des Teils der Sektionen 250 eine stehende partielle Ringwelle erzeugt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Auf- und ab Bewegungen der Sektionen 250 durch eine leichte Kippung der Sektionen 250 ergänzt wird. Eine solche Kippung kann bspw. wie in 9 gezeigt von einem zusätzlichen Hydraulikzylinder 260 ausgeführt werden. Auf diese Weise wird die Taumelbewegung des Verdrängungskörpers 10 noch besser nachempfunden.
Es kann sein, dass zur Erzeugung einer optimalen Wellenform der Welle ein zusätzlicher Impuls in Wellen-Laufrichtung aufgetragen werden muss, analog zur Bewegung eines über eine schiefe Ebene ablaufenden Walzengenerators, der das Wasser vertikal und horizontal verdrängt. Diese Bewegungskomponente kann – wie in 10 gezeigt – erzielt werden entweder durch einen tiefer gelegten Drehpunkt (10a) oder einen weiteren Hydraulikzylinder (10b) oder auch durch einen zusätzlichen „Lenker” (10c).
In 10a ist ein Ausführungsbeispiel des in einzelne Sektionen 250 gegliederten Verdrängungskörpers 10 gezeigt. Dabei ist der nach innen gerichtete Ausleger 30 mit seinem unteren Ende gelenkig an einen Bereich des Fundamentsockels 20 angekoppelt, der tiefer liegt als der Verdrängungskörper 10. Somit wird ein tieferer Drehpunkt realisiert, was es ermöglicht dem verdrängten Wasser einen zusätzlichen Impuls in Laufrichtung der erzeugten Welle zu geben.
In 10b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des in einzelne Sektionen 250 gegliederten Verdrängungskörpers 10 gezeigt. Der nach innen gerichtete Ausleger 30 weist dabei ein mittleres Gelenk auf, das ihn in zwei Glieder 30a und 30b unterteilt. Durch einen zusätzlichen Hydraulikzylinder 270, der zwischen den beiden Gliedern 30a und 30b des Auslegers 30 angeordnet ist, kann der Verdrängungskörper 10 zusätzlich in Laufrichtung der erzeugten Welle geschoben werden und somit der Welle einen zusätzlichen Impuls in ihrer Laufrichtung geben.
In 10c ist als weitere Alternative ein Ausführungsbeispiel des in einzelne Sektionen 250 gegliederten Verdrängungskörpers 10 gezeigt, bei dem die zusätzliche Bewegungskomponente in Wellen-Laufrichtung durch einen zusätzlichen Lenker 280 erzielt wird. Der zusätzliche Lenker 280 ist dabei mit seinem oberen Ende gelenkig an den nach innen gerichteten Ausleger 30 und mit seinem unteren Ende gelenkig an den Fundamentsockel 20 gekoppelt.
Wie in 11 gezeigt, können für eine sehr hohe Auslastung die einzelnen Sektionen 250 derart im Wasser bewegt werden, dass mehrere Sichelwellen gleichzeitig die Anlage umlaufen. Das Steuerprogramm muss dann mehr Hub- und Absenkzyklen während eines Umlaufs veranlassen. Dazu muss die Anlage ausreichend groß sein. Der Energieverbrauch erhöht sich natürlich entsprechend.
Die Nutzung des in einzelne Sektionen gegliederten Verdrängungskörpers 10 ist aber nicht auf die Imitation eines toroidalen Verdrängungskörpers 10 beschränkt. Wie in 12 gezeigt sind neben der kreisförmigen Anordnung auch viele andere Varianten realisierbar, wie zum Beispiel eine Ellipse oder eine eingebeulte Ellipse. Im Beulenbereich oder im Übergang von konkav auf konvex entstehen dabei sicher für die Wassersportler, insbesondere für die Surfer, interessante Welleneffekte.
Die hier beschriebenen Anlagen mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von bspw. für das Wellenreiten geeigneten Wasserwellen, z. B. in einem mit Wasser gefüllten Becken, sind unabhängig von Naturstränden oder schnell fließenden Gewässern. Somit können diese Anlagen nach vielen Gesichtspunkten platziert werden, wie zum Beispiel der Nähe zu einer Großstadt, einer günstigen Verkehrsanbindung, der Verfügbarkeit des Geländes etc.
Die besondere Attraktivität der Sichelwelle für z. B. die Surfakrobaten liegt darin, dass sie permanent läuft, anders als am Naturstrand, wo die Welle nach begrenzter (und oft nur sehr kurzer) Laufzeit zu Ende ist.
Von nicht minderer Bedeutung ist aber die Möglichkeit, ohne Änderung der Anlage und nur durch „Knopfdruck” diese Naturwelle mit der Einzel-Ringwelle zu imitieren. So wird einerseits den Surfern und Zuschauern eine interessante Abwechselung geboten, aber andererseits die Wellenproduktion dem Andrang der Sportler exakt angepasst. Die Permanentwelle ist sehr anspruchsvoll im Energieverbrauch und müsste bei zu geringer Auslastung intermittierend betrieben werden oder gar pausieren. Es können auch „maßgeschneiderte” Schulungswellen angeboten werden, um den Nachwuchs für diese noch wenig bekannte Sportart zu fördern.
Neben den Wassersportlern wird aber auch den Zuschauern eine große Bedeutung zugemessen, ob vom gesamten Ufer des Gewässers, von der zentralen Plattform oder sogar von dem taumelnden Toroid aus.
Ein wichtiges Nebenziel der Anlage zur Erzeugung künstlicher Wasserwellen ist es, möglichst vielen Menschen eine Freizeitaktivität anbieten zu können, die sonst vielleicht weite Strecken im Auto verbringen würden.
Die Vielseitigkeit der beschriebenen Wellenvarianten ist keineswegs mit einer hohen technischen Komplexität erkauft. Die vorgesehenen Bauelemente sind im Wesentlichen Standardteile und haben sich vielfach im Betriebsalltag bewährt. So bleiben die Kosten für Investition und Betrieb ebenfalls auf normalem Niveau und eine hohe Betriebszuverlässigkeit ist gewährleistet.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwellen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Verdrängungskörper (10), der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken; und Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10), wobei die Bewegungsmittel (40) ausgelegt sind, den Verdrängungskörper (10) derart in eine umlaufende Kippbewegung beziehungsweise eine Taumelbewegung im Wasser zu versetzen, dass durch punktuelle Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers (10) umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle (90) entsteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Verdrängungskörper (10) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form, insbesondere eine kreisförmige oder elliptische Form, mit einem insbesondere ovalen oder dreieckigen Querschnitt (230; 240) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Verdrängungskörper (10) im Wesentlichen die Form eines Toroids aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegungsmittel (40) zusätzlich ausgelegt sind, den Verdrängungskörper (10) derart im Wasser zu bewegen, dass durch Wasserverdrängung entlang der äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers (10) eine Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine einzelne, nach außen fortschreitende, im Wesentlichen ringförmige Wasserwelle (100) entsteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Bewegungsmittel (40) den Verdrängungskörper (10) im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz im Wasser bewegen, so dass eine stehende, im Wesentlichen ringförmige Wasserwelle (110) entsteht.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegungsmittel (40) zusätzlich ausgelegt sind, den Verdrängungskörper (10) derart im Wasser zu bewegen, dass durch Wasserverdrängung entlang wenigstens eines Teils der äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers (10) eine Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine einzelne, nach außen fortschreitende, im Wesentlichen bogenförmige Wasserwelle (120) entsteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Bewegungsmittel (40) den Verdrängungskörper (10) im Rhythmus der natürlichen Wellenfrequenz im Wasser bewegen, so dass eine stehende, im Wesentlichen bogenförmige Wasserwelle (130) entsteht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10) wenigstens einen mit dem Verdrängungskörper (10) verbundenen, mittig angeordneten Arm (190) aufweisen, der von einem Antriebselement (210) in eine rotierende Bewegung versetzt werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10) wenigstens zwei lineare Bewegungsmittel (40) aufweisen, die exzentrisch und auf einer nicht durch den Mittelpunkt verlaufenden Linie angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdrängungskörper (10) als befüllbarer, insbesondere mit Wasser befüllbarer Hohlkörper ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdrängungskörper (10) aus einer Vielzahl von einzelnen, unabhängigen Sektionen (250) zusammengesetzt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10) wenigstens je ein Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung jeder der einzelnen, unabhängigen Sektionen (250) des Verdrängungskörpers (10) aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10) ausgelegt sind, den Verdrängungskörper (10) beziehungsweise die einzelnen, unabhängigen Sektionen (250) derart im Wasser zu bewegen, dass gleichzeitig mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwellen (90) entstehen.
Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten, im Wesentlichen kontinuierlichen, nach außen fortschreitenden Wasserwellen, wobei ein Verdrängungskörper (10), der geeignet ist, durch Verdrängung von Wasser eine Wasserbewegung zu bewirken, durch Bewegungsmittel (40) zur gesteuerten Bewegung des Verdrängungskörpers (10) derart in eine umlaufende Kippbewegung beziehungsweise eine Taumelbewegung im Wasser versetzt wird, dass durch punktuelle Wasserverdrängung eine entlang einer äußeren, geschlossenen Umfangslinie des Verdrängungskörpers (10) umlaufende Wasserbewegung erzeugt wird, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche, nach außen fortschreitende, sichelförmige Wasserwelle (90) entsteht.