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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine vertikale Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rotor gemäß Anspruch 10.
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Im Stand der Technik sind eine Reihe von unterschiedlichen Rotortypen für Windkraftanlagen beschrieben und getestet worden.
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Man unterscheidet grundsätzlich sogenannte Widerstandsläufer und sogenannte Auftriebsläufer.
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Widerstandsläufer nutzen vorwiegend den Strömungswiderstand ihrer Rotorelemente. Durch den Staudruck, der durch das Abbremsen der Windströmung auf der dem Wind zugewandten Seite des Rotorelementes entsteht, wirkt eine Kraft auf die Fläche des Rotorelementes, welche das Rotorelement vom Wind weg drückt. Diese Kraft ist am größten, wenn die Rotorelemente stillstehen und reduziert sich, je schneller sich die Rotorelemente drehen.
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Derartige Widerstandsläufer sind somit ausgesprochene Langsamläufer. Im Stand der Technik wurden unterschiedliche Widerstandsläufer beschrieben, beginnend mit dreiflügeligen Windrädern, die zur Zeit in kommerziellen Windkraftanlagen im Einsatz sind, bis hin zu vertikal angeordneten Savonius-Rotoren, welche helixförmig ausgebildet sind.
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Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen Widerstandsläufern stehen die Auftriebsläufer. Auftriebsläufer nutzen den dynamischen Auftriebseffekt einer tragflächenartigen Konstruktion ihrer Rotorelemente. Durch die Umströmung des in der Regel profilierten Rotorelementes entsteht auf der Vorderseite des Rotorelementes ein Unterdruck und auf der Rückseite des Rotorelementes ein leichter Überdruck. Durch diese Druckdifferenz wirkt eine Kraft auf das Rotorelement und treibt schlussendlich den Rotor an.
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Diese Kraft erreicht ihr Maximum, wenn die Rotorelemente eines Auftriebsläufers bereits in Bewegung sind, wobei die optimale Geschwindigkeit von der Windgeschwindigkeit und dem Profil der Rotorelemente abhängt. Je leistungsfähiger ein Auftriebsläufer jedoch im oberen Geschwindigkeitsbereich ist, umso geringer ist das Anlaufdrehmoment des Rotors im Stillstand. Deshalb benötigen große Auftriebsläufer ohne Verstellung der Rotorelemente häufig einen Hilfsmotor zum Starten.
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An bekannten Formen der Widerstandsläufer sind im Stand der Technik die sogenannten Darrieus-Rotoren beschrieben.
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Diese können in klassischer O-Form oder auch „Schneebesen-Form”, H-Form sowie auch als Helixform ausgebildet sein.
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Ebenfalls im Stand der Technik bekannt sind sogenannte Hybridformen, die die Vorteile von Widerstands- und Auftriebsläufer bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten zu kombinieren versuchen. Bei derartigen Hybridläufern wirkt im unteren Geschwindigkeitsbereich durch hohe Drehmomente des Widerstandsläufers, so dass in der Regel kein Startermotor erforderlich ist und im oberen Geschwindigkeitsbereich wirkt das hohe Drehmoment des Auftriebsläufers. Im Stand der Technik sind beispielsweise Hybridvertikalrotoren aus Darrieus- und Savoniusturbine eingesetzt worden.
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Vertikalachs-Windturbinen oder kurz Vertikalrotoren weisen aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus und ihres physikalischen Wirkprinzips eine Reihe von Vorteilen auf:
Typischerweise ist keine Windrichtungsnachführungsausrichtung notwendig, da der Wind von jeder Seite von 0° bis 360° auf den Vertikalrotor auftreffen kann. Somit sind Vertikalrotoren auch unempfindlich gegen wechselnde Windstärken und Windrichtungen.
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Ein weiterer Vorteil der Vertikalrotoren liegt darin, dass Generator und Getriebe leicht zugänglich in Bodennähe angeordnet werden können.
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Diese Vorteile werden jedoch auch durch eine Reihe von Nachteilen erkauft:
So ergeben sich insbesondere bei Widerstandsläufern geringe Leistungsbeiwerte, pulsierende Drehmomente, eventuell notwendige Hilfsmotoren als Anlaufhilfe für Auftriebsläufer. Aufgrund ihrer besonderen Eignung für Windkraftanlagen mit relativ kleiner Leistung im 1 bis 10 kW-Bereich haben sich Vertikalrotoren bislang für den großtechnischen Einsatz zur Stromerzeugung noch nicht durchgesetzt.
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Dort kommen heute fast ausschließlich sogenannte Horizontalachser zum Einsatz.
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Die Einsatzgebiete für Vertikalrotoren liegen daher vorwiegend in Bereichen, wo nur eine vergleichsweise geringe Leistung benötigt wird und wo die Vorteile, insbesondere die relativ einfache Bauweise und die Unempfindlichkeit des Rotors, überwiegen. Als Windgenerator zur Stromerzeugung kommen Vertikalrotoren beispielsweise zur Versorgung von Inselnetzen oder Inselanlagen, zum Laden von Akkus oder als Windenergieheizung zum Einsatz. Möglich ist auch die Verwendung von Vertikalachsrotoren zum mechanischen Antrieb von Pumpwerken für die Be- und Entwässerung.
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Ein bekannter Hybridmotor ist beispielsweise der SHPADI-Propeller gemäß
EP 2 028 102 A1 , welcher asymmetrisch mit säbelförmigen – nach Art eines Möbiusbandes – verdrillten Flügeln aufgebaut ist.
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Insgesamt betrachtet sind bis zum heutigen Tage jedoch die Hybridrotoren wie beispielsweise die Hybridrotoren aus Darrieus- und Savoniusturbine mit erheblichen Nachteilen behaftet, die insbesondere dadurch zustande kommen, dass die Luftströmung aufgrund der in der Regel voneinander getrennt angeordneten Widerstands- und Auftriebsläufer verwirbelt wird und somit erhebliche Leistungsverluste auftreten, weil ein Großteil der Kräfte aus der Luftströmung nicht zum Antrieb des Rotors genutzt werden können. Hier setzt die Erfindung ein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ausgehend von den Hybridrotoren des Standes der Technik aus Darrieus- und Savoniusrotoren einen verbesserten Rotor für eine vertikale Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotor für eine vertikale Windkraftanlage mit einer Mehrzahl von flächigen Rotorelementen, die um einen Nabenbereich angeordnet sind, wobei die Rotorelemente eine zu einer Drehachse des Rotors parallele oder geneigte Helixachse aufweisen, um die die Rotorelemente spiralförmig verdrillt sind, wobei die Rotorelemente nahtlos ineinander übergehende konkave und konvexe Oberflächenbereiche aufweisen, deren Krümmungsradien entlang der Helixachse unterschiedlich sind.
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Ein Rotor gemäß Anspruch 10 löst die Aufgabe ebenfalls.
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Aufgrund der Konstruktion des erfindungsgemäßen Rotors wirkt der mittlere Bereich des Rotors als Widerstandsläufer, während die distalen Bereiche der Rotorelemente einen Auftrieb erzeugen und somit dem Rotor Hybridcharakter aus Widerstandsläufer und Auftriebsläufer verleihen.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt darin begründet, dass die Spiralbewegung der durchgeführten Luftströme optimiert werden und sich im Gegensatz zu den Luftstromführungen des Standes der Technik diese sich gegenseitig nicht oder nur kaum behindern.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die einzelnen Rotorelemente zwei Funktionsbereiche aufweisen, wovon ein Funktionsbereich einer Luftströmung einen Widerstand entgegensetzt, während ein zweiter Funktionsbereich einen Auftrieb in der Luftströmung erzeugt, wodurch der Rotor in Drehung versetzt wird.
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Hierdurch wird erreicht, dass der erfindungsgemäße Rotor sowohl Widerstandsläufer- wie auch Auftriebsläufercharakteristiken aufweist.
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Insbesondere weist der erfindungsgemäße Rotor in einem mittleren Bereich um die Nabe die Charakteristiken eines Widerstandsläufers auf und in den beiden an entgegengesetzten Enden liegenden distalen Bereichen Charakteristiken eines Auftriebsläufers.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist ein solcher, bei welchem die geneigten Helixachsen der Rotorelemente um ca. 2° bis 20° gegen die Drehachse des Rotors geneigt sind.
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Durch eine derartige Maßnahme können asymmetrische Rotoren hergestellt werden, die beispielsweise die Luftströmung auch trichterförmig von unten, z. B. bei Aufwinden in Gebirgslagen nutzen können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors liegt in einem Rotor, welcher in Drehrichtung aufeinanderfolgender Rotorelemente im Nabenbereich über ausgeprägte Strömungskanäle aneinandergrenzen. Durch diese ausgeprägten Strömungskanäle wird die anströmende Luft spiralförmig über die einzelnen Rotorelemente des Rotors verteilt und so ohne große Verwirbelung von einem Bereich des Rotorelementes zum nächsten „weitergegeben”. Hierdurch wird die Spiralbewegung der durchgeführten Luftströme noch weiter optimiert, da geringere Verwirbelungen und Reibung auftreten.
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Als weitere bevorzugte Ausführungsform sind die Strömungskanäle derart ausgeprägt, dass sie die Luft entlang der Drehachse auf eine Strömungswiderstandsfläche eines in Drehrichtung des Rotors vorauseilenden Rotorelementes leiten. Hierdurch wird bewirkt, dass der Rotor sich auch bei geringen Windstärken leicht, gleichmäßig und ohne Unwuchten dreht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die einzelnen Rotorelemente des Rotors an ihren entgegengesetzten Enden fahnenförmige Auftriebselemente aufweisen.
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Durch diese fahnenförmigen Auftriebselemente wird der Auftriebseffekt der einzelnen Rotorelemente verstärkt und die Luftströmung bewirkt noch beim Verlassen des Rotors über die Auftriebselemente eine zusätzliche Ausnutzung der Windkraft.
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Typischerweise sind derartige fahnenförmige Auftriebselemente auch profiliert und/oder sie sind wellenförmig ausgebildet und/oder sie weisen an deren windwärtigen Oberflächen strömungsgünstige Oberflächenstrukturen auf, z. B. halbe Fischkörperprofile. Hierdurch wird erreicht, dass nach Art des Haihauteffektes praktisch keine Wirbel und damit keine unerwünschten Bremskräfte am Rotor auftreten.
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Besonders vorteilhaft können die erfindungsgemäßen Rotoren in manuellen Kleinserien einstückig ausgebildet werden. Für die industrielle Fertigung werden einzelne Rotorelemente z. B. im Spritzgussverfahren mittels geeigneter Formen hergestellt und die einzelnen Formteile dann im Bereich der Rotormitte zum fertigen Rotor miteinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Schrauben und/oder Kleben erfolgen.
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Es ist ferner bevorzugt, die Rotorelemente als profilierte Rotorblätter auszubilden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors;
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors aus einem anderen Blickwinkel als in 1;
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3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 2;
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4 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors;
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5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors; und
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6 eine Detailzeichnung im Bereich X in 5 in Draufsicht mit zugehörigem Querschnitt.
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In den Figuren ist mit 1 ein beispielhafter Rotor für eine vertikale Windkraftanlage mit dreiflächigen Rotorelementen 2A, 2B und 2C bezeichnet, die um einen Nabenbereich 3 angeordnet sind. Die Rotorelemente 2A, 2B und 2C weisen eine zu der Drehachse 4 des Rotors 1 im Beispielsfalle parallele Helixachse auf, um die die Rotorelemente 2A, 2B und 2C spiralförmig verdrillt sind. Die Rotorelemente 2A, 2B, 2C weisen nahtlos ineinander übergehende konkave und konvexe Oberflächenbereiche auf, deren Krümmungsradien entlang der Helixachse unterschiedlich sind.
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Der Rotor 1 ist kraftschlüssig mit der Drehachse 4 verbunden. Da der Rotor 1 ein Vertikalrotor für eine vertikale Windkraftanlage ist, ist im Betrieb die Drehachse 4 in Richtung der Schwerkraft angeordnet.
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An ihrem in den Figuren nicht gezeigten unteren Ende der Drehachse 4 ist ein Getriebe vorgesehen, welches mit einem Generator verbunden ist, welcher durch Rotation des Rotors 1 ebenfalls in Drehung versetzt wird und die Drehbewegung in bekannter Weise durch magnetische Induktion in Strom umwandelt. Sowohl Getriebe als auch geeignete Generatoren für Windkraftanlagen sind dem Fachmann wohl bekannt.
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Wird der Rotor im vorliegenden Beispielsfalle in beispielsweise 2 in Richtung auf die Papierebene angeströmt, so dreht sich der Rotor 1 im Uhrzeigersinn.
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Dabei wirkt der in 2 gezeigte Rotor 1 zwischen den Linien B-B und B'-B' liegende mittlere Bereich 6 als Funktionsbereich, der an der Luftströmung einen Widerstand entgegensetzt und somit als Widerstandsläufer, während ein in 2 unterhalb der Linie B-B und oberhalb der in 2 gezeigten Linie B'-B' liegende Funktionsbereich 8 einen Auftrieb in der Luftströmung erzeugt und somit als Auftriebsläufer fungiert.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 umfasst somit einen mittleren Bereich 6, der die Charakteristiken eines Widerstandsläufers aufweist sowie zwei Auftriebsbereiche 7 und 8, welche die Charakteristiken eines Auftriebsläufers aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 vereint somit die Prinzipien eines Widerstandsläufers mit denen einen Auftriebsläufers und verbindet die Vorteile des ausgezeichneten Anlaufverhaltens eines Widerstandsläufers mit den Vorteilen eines Auftriebsläufers bei höheren Drehgeschwindigkeiten des Rotors 1 bei gleichzeitiger Laufruhe und Geräuscharmut.
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Somit ist der erfindungsgemäße Rotor 1 technisch und physikalisch als Hybridläufer zu verstehen.
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Die spiralförmig verdrillten Rotorelemente 2A, 2B und 2C sind profiliert, um den Auftriebseffekt zu bewirken. Im mittleren Bereich 6 weisen die Rotorelemente 2A, 2B, 2C Strömungswiderstandsflächen 5 auf.
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Zur weiteren Verstärkung des Auftriebseffektes der Bereiche 7 und 8 sind im Beispielsfalle an den Enden der Rotorelemente 2A, 2B, 2C fahnenförmige Auftriebselemente 9 vorgesehen, welche den Auftriebseffekt verstärken und die Verwirbelung an den Enden der helikal verwundenen Rotorelemente 2A, 2B und 2C drastisch vermindern.
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Darüber hinaus weisen in Drehrichtung aufeinander folgende Rotorelemente, im Beispielsfalle der 2, 2A und 2B, ausgeprägte Strömungskanäle 10 im Nabenbereich auf, welche derart ausgeprägt sind, dass sie die Luft entlang der Drehachse 4 auf eine Strömungswiderstandsfläche eines in Drehrichtung des Rotors 1 vorauseilenden Rotorelementes 2A, 2B, 2C leiten.
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3 zeigt zur Veranschaulichung einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 2, um die Anordnung der Rotorelemente 2A, 2B und 2C zu verdeutlichen.
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In 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 1 gezeigt, bei welchem die fahnenförmigen Auftriebselemente 9 wellenförmig ausgebildet sind, um eine Wirbelbildung zu vermindern.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 1 gezeigt, bei dem nicht nur die fahnenförmigen Auftriebselemente 9, sondern auch die Auftriebsbereiche 7 und 8 des Rotors wellenförmig ausgebildet sind. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine solche, bei welchem die fahnenförmigen Auftriebselemente 9 auf ihren Oberflächen eine fischkörperprofilartige Oberflächenstrukturierung 11, wie in 6 gezeigt, aufweisen.
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Diese Oberflächenstrukturierung 11 in den Auftriebsbereichen 7 und 8 kann einerseits für sich alleine vorgesehen sein und andererseits, wie in 5 angedeutet, auch in Kombination mit wellenförmiger Ausbildung der Auftriebsbereiche 7 und 8 einhergehen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 lassen sich auch bei nur geringen Windgeschwindigkeiten 2 bis 10 kW erzeugende vertikale Windkraftanlagen betreiben.
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Die erfindungsgemäßen Rotoren sind geräuscharm, zeichnen sich durch große Laufruhe sowie durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
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Die erfindungsgemäßen Rotoren können aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. So kann beispielsweise ein erfindungsgemäßer Rotor manuell mittels glasfaserverstärkter Kunststoffe hergestellt werden. In größeren Serien werden die erfindungsgemäßen Rotoren hergestellt, indem man einzelne Rotorelemente 2A, 2B, 2C durch Spritzgießen in Formen herstellt und die einzelnen Rotorelemente 2A, 2B, 2C dann im Bereich der Nabe 3 miteinander verschraubt und/oder verklebt.
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Darüber hinaus sind jedoch auch reine Leichtmetallkonstruktionen denkbar, welche ebenfalls durch Formgießen der einzelnen Rotorelemente 2A, 2B, 2C hergestellt werden können. Diese Metall-Rotorelemente werden dann miteinander im Bereich der Nabe 3 verschraubt, um den fertigen Rotor 1 herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2A, 2B, 2C
- Rotorelemente
- 3
- Nabe
- 4
- Drehachse
- 5
- Strömungswiderstandsfläche
- 6
- mittlerer Bereich
- 7
- Auftriebsbereich
- 8
- Auftriebsbereich
- 9
- fahnenförmige Auftriebselemente
- 10
- Strömungskanäle
- 11
- Oberflächenstrukturierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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