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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor zum Aufnehmen von Fluidströmungen und zum Umwandeln derselben in Rotationsenergie sowie einen Propeller zum Erzeugen von Fluidströmungen gemäß dem Oberbegriff es Anspruchs 1. Als „Propeller” im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jede durch Drehbewegung eine Fluidströmung erzeugende Vorrichtung, beispielsweise auch eine Schiffsschraube, verstanden; als „Rotor” im Sinne der Erfindung jede Vorrichtung, die eine extern erzeugte Fluidströmung in eine Drehbewegung umsetzt.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Propeller bekannt. So zeigt beispielsweise die
JP 2011-116317 , die als nächstkommender Stand der Technik angesehen wird, einen Propeller, der eine Verringerung der Vortriebskraft verhindern soll, wenn sich der Propeller im Wasser dreht. Dazu sind die Hinterkanten, also die in Drehrichtung hinten liegenden Kanten der Propellerflügel gezackt. Der Zweck dieser auch bei Vogelflügeln oder Fischflossen in ähnlicher Weise beobachtbaren Zacken ist es, die Turbulenzen zu verringern und somit für einen effizienten, verlustarmen Vortrieb zu sorgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Propeller weiter zu verbessern. Insbesondere ist es das Ziel der Erfindung, die an den Propeller übertragene Energie so effizient wie möglich in eine Strömung bzw. einen Vortrieb eines am Propeller über eine angetriebene Welle befestigten Gegenstands wie eines Boots umzusetzen. Dadurch verringern sich Verbrauch, Verschleiß und Betriebslärm.
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Umgekehrt kann derselbe Aufbau dazu verwendet werden, eine vorhandene Strömung in einem Fluid, beispielsweise in Wasser, zu nutzen, um effizient Strömungsenergie in Rotationsenergie eines Rotors umzusetzen, der anschließend beispielsweise einen Generator antreibt.
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Diese Aufgaben werden durch einen Propeller und einen Rotor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Propeller überlappen die Vorderkanten eines zweiten Flügels die Hinterkanten eines ihm in Drehrichtung vorauseilenden ersten Flügels zumindest teilweise. Dadurch ergibt sich ein Strömungskanal für das Fluid, was zu einer verringerten Turbulenz und damit einer besseren Nutzung der Energie führt.
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Vorzugsweise können die Propellerflügel gewellte, gefurchte oder in vergleichbarer Weise profilierte Hinterkanten aufweisen, um die Verwirbelung der Fluidströmung weiter zu verringern.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung die Oberfläche jedes Flügels passend zum Fluid und zu der Geschwindigkeit des Propellers so aufgeraut werden, dass die Verwirbelungen des Fluids reduziert werden.
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Weiter bevorzugt ist das Mittelteil, das die Propellerflügel mit der (Antriebs-)Welle verbindet, stromlinienförmig so gestaltet, dass es die Verwirbelung der Strömung verringert. Beispielsweise kann das Mittelteil eine Tropfenform aufweisen, weiter bevorzugt kann an der Vorderseite dieser Tropfenform in Strömungsrichtung eine Nase ähnlich einem Wulstbug angebracht sein, um den Strömungswiderstand weiter zu verringern.
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Noch weiter bevorzugt können das Mittelteil und/oder die Flügel sogenannte Riblets aufweisen, die den Strömungswiderstand weiter minimieren. Derartige Oberflächengestaltungen sind beispielsweise nach Art einer Haifischhaut ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auf Grund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie an Hand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1: eine dreidimensionale Ansicht des Propellers von einer bei Drehung im Gegenuhrzeigersinn stromauf der erzeugten bzw. genutzten Strömung liegenden Vorderseite;
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2: eine entsprechende dreidimensionale Ansicht des Propellers von einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite;
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3: eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Propellers, bei der sich insbesondere die Hinterkanten der Flügel von der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform unterscheiden;
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4: eine dreidimensionale Ansicht des Propellers einer weiteren Ausführungsform des Propellers, bei der sich die Hinterkanten der Flügel nochmals von den in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden; und
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5: einen stark vergrößerten Ausschnitt eines Flügels des Propellers nach 4 zur Veranschaulichung der vorstehend erwähnten Oberflächenstrukturierung nach Art einer Haifischhaut.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter der Annahme beschrieben, dass der Propeller 1 über eine (nicht gezeigte) extern an einem Mittelteil 2 desselben befestigte Welle durch einen Motor angetrieben wird. Es ist anzumerken, dass bei vorhandener externer Strömung der Propeller 1 auch als Rotor 1 eingesetzt werden kann, der über die Welle Leistung abgeben, z. B. einen Generator zur Stromerzeugung betreiben kann. Entsprechende Motoren und Generatoren sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
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Der Propeller 1 weist mehrere – in den gezeigten beispielhaften Ausführungsformen drei – Flügel 3a, 3b und 3c (im Folgenden gemeinsam als „Flügel 3” bezeichnet) auf. Jeder Flügel 3 schneidet, wenn er in Drehung versetzt wird, mit seiner Vorderkante in das ihn umgebende Fluid, z. B. Wasser, ein und versetzt dem Fluid durch Verdrängung und auf Grund seines Anstellwinkels in an sich bekannter Weise einen Impuls hin zur Propellerrückseite. Dadurch wird der Propeller und das damit verbundene Gerät, z. B. ein Boot oder eine Pumpe, relativ zum Fluid in die Gegenrichtung bewegt, d. h. der Propeller erzeugt eine Fluidströmung. Zudem wird durch die tragflächenartige Form der Flügel Fluid, das über eine Oberseite der Flügel strömt, stärker beschleunigt als das über die Unterseite der Flügel 3 strömende Fluid. Dadurch ergibt sich ein Druckabfall gemäß dem Gesetz von Bernoulli, der zusätzlich zur Strömungserzeugung genutzt werden kann. Beim Einsatz als Rotor wird die Ausgestaltung so gewählt, dass dieser Druckabfall den Rotor in Umfangsrichtung beschleunigt, um eine größere Leistung aus dem strömenden Fluid abnehmen zu können.
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Die Vorderkanten 5 jedes Flügels 3 des Propellers 1 sind sichelartig geformt. Durch die Sichelform verbessert sich die Führung des Fluids entlang des Propellers 1. Zudem werden effektiv Schwingungen reduziert.
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Bei der vorliegenden Erfindung überlappt jede Vorderkante 5 jedes Flügels 3 teilweise die Hinterkante 4 des vorauseilenden Flügels. Dadurch wird das Fluid zwischen zwei sich überlappenden Flügeln 3 geführt. Durch diese beidseitige Führung ergibt sich ein kanalartiger Fluss des Fluids an den Übergängen zwischen den Flügeln 3 und dem Mittelteil 2, wodurch die durch die Verwirbelung des Fluids auftretenden Turbulenzen behindert und eine effiziente Umsetzung der Propellerbewegung in Vortriebskraft gewährleistet wird. Dadurch werden Schwingungen des Propellers verringert und somit die Haltbarkeit und Effizienz desselben verbessert. Außerdem werden durch den in den Ausführungsformen nach den 1 bis 4 gezeigten erfindungsgemäßen Aufbau sanfte Übergänge zwischen den Flügeln 3 und dem Mittelteil 2 des Propellers 1 geschaffen, wodurch die Turbulenzen weiter verringert werden.
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Zudem sind zur weiteren Verringerung der Verwirbelung die Hinterkanten 4 der Propellerflügel gezackt bzw. geschwungen ausgeführt. Insbesondere werden die Hinterkanten der Flügel in der Art von Fischflossen oder Vogelflügeln geschwungen ausgeführt. Dadurch wird eine günstige Fluidströmung erzielt. 1 und 2 zeigen Beispiele mit einfacher geformten Hinterkanten, während in 3 und 4 komplexer geformte Kanten gezeigt werden. Die optimale Ausgestaltung der Hinterkanten 4 hängt vom Fluid, insbesondere dessen Zähigkeit, und der gewünschten Geschwindigkeit (Drehzahl) des Propellers 1 ab; diese Ausgestaltung wird zweckmäßig je nach Fluid und Drehzahl durch Simulation und Versuche bestimmt. Dadurch wird erreicht, dass sich die Reibung des Propellers 1 im Fluid durch Behindern von turbulenten Querströmungen weiter verringert und somit der Anteil der in Vortrieb umgesetzten Energie größer wird. Umgekehrt wird bei einem Rotor zur Entnahme von Energie aus der Strömung in analoger Weise eine möglichst starke Ausnutzung der Strömungsenergie erzielt.
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5 zeigt das Detail „X” der 4, nämlich eine beispielhafte Ausgestaltung der Oberfläche als haifischhautähnliche Strukturierung. Diese Oberfläche weist zahlreiche kleine Erhöhungen („Riblets”) auf, die im Wesentlichen in der Drehrichtung des Propellers bzw. der Strömungsrichtung des Fluids relativ zum Propeller länger als quer zu dieser Drehrichtung sind und dadurch, dass sie bei turbulenter Strömung Querbewegungen der Strömungswirbel behindern, eine Verminderung des Reibungswiderstands auf der turbulent überströmten Oberfläche des Propellers bewirken. Diese Eigenschaft funktioniert jedoch nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich für ein bestimmtes Fluid; deshalb muss eine haifischhautähnliche Oberflächenstrukturierung für jede Anwendung speziell ausgelegt werden.
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Obwohl die Oberflächenstrukturierung nach Art einer Haifischhaut hier nur am Beispiel der in 4 gezeigten Ausführungsform veranschaulicht wird, können selbstverständlich sämtliche, durch die Ansprüche der Erfindung geschützten Ausführungsformen mit einer an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepassten Oberfläche versehen werden. Dadurch lässt sich die Reibung wie vorstehend beschrieben weiter verringern und demgemäß erhöht sich die Effizienz.
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Durch den vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschriebenen Aufbau ergibt sich eine verwirbelungs- und kavitationsarme Strömung des zu bewegenden Fluids in einem großen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich. Zudem wird lediglich die Ausgestaltung der Propellerflügel optimiert, während der Anschluss an die Welle und somit an weitere Bauteile wie einen den Propeller antreibenden Motor unverändert bleiben kann. Daher kann der erfindungsgemäße Propeller vorteilhaft ohne Änderungen an anderen Bauteilen als Ersatz für herkömmliche Propeller verwendet werden.
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Erfindungsgemäße Propeller können vorteilhaft mit im Stand der Technik bekannten Fertigungsverfahren aus dem Gebiet des Urformens (beispielsweise Gießen, Stereolithographie, „3D-Druck”) oder durch spanende Bearbeitung (Fräsen/Schleifen) einstückig hergestellt werden. Insbesondere bei einem beispielsweise stereolithographischen Aufbau kann in an sich bekannter Weise das Verhältnis von Masse zu Stabilität durch geeignetes Vorsehen von Hohlräumen und Verstärkungsrippen gegenüber herkömmlichen Verfahren verbessert werden. Je nach Anwendung ist auch ein zusammengesetzter Aufbau möglich, bei dem beispielsweise in einem Mittelteil 2 Aufnahmen vorgesehen werden, in die einzeln gefertigte Flügel 3 einmontiert werden. In einem solchen Fall bietet es sich an, das Mittelteil 2 nicht wie in den Figuren gezeigt vergleichsweise flach so auszugestalten, dass eine (nicht gezeigte) Welle den Rotor 1 durchdringt, sondern das Mittelteil 2 bauchig zu formen, beispielsweise in einer Stromlinienform wie einer Tropfenform, um das in der Mitte des Rotors auftreffende Fluid möglichst verlustfrei über die Rotorflügel zu leiten. Ein derartig bauchig geformtes Mittelteil verbreitert die Lagerung des Rotors 1 auf einer Welle, was zu einer geringeren Lagerbelastung und längeren Haltbarkeit des Gesamtsystems führen kann. Zudem ist es auch möglich, die Flügel gegenüber dem Mittelteil stärker anzustellen, wenn dies für die beabsichtigte Kombination von Fluid und Rotorgeschwindigkeit günstiger ist, wobei eine größere Verbindungsfläche zwischen Mittelteil und Rotorflügel als bei einem flachen Mittelteil beschaffen werden kann. Die Verbindung zwischen Rotorflügeln 3 und Mittelteil 2 erfolgt bei einem zusammengesetzten Bauteil vorzugsweise über im Stand der Technik bekannte Verfahren wie Schweißen, Löten oder Kleben, die keine oder nur geringe Montagespalte erzeugen und daher den angestrebten Effekt einer verbesserten Strömung am Propeller nicht behindern.
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Zusammenfassend leistet die Erfindung Folgendes:
Es wird ein verbesserter Propeller 1 geschaffen, der einander teilweise in Umfangsrichtung überlappende Flügel 3 aufweist. Die Flügel sind an einem Mittelteil 2 des Propellers 1 so angebracht, dass sie sanft in dieses Mittelteil übergehen. Die Vorderkanten 5 der Flügel 3 sind sichelartig geformt. Die Hinterkanten 4 der Flügel 3 sind gewellt bzw. gezackt. Die Flügel 3 sind tragflächenartig geformt und haben eine mit Riblets versehene Oberfläche. Das Mittelteil 2 kann fischkörper- bzw. tropfenförmig ausgebildet sein und zusätzlich einen gegen die Strömungsrichtung zeigenden Wulstbug aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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