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Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine Mikrodampfturbine und ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Mikrodampfturbine.
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Stand der Technik
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Aufgrund steigender Kraftstoffpreise sowie geplanter Gesetzesvorhaben zur Limitierung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen arbeiten die Hersteller von Verbrennungskraftmaschinen heute an Technologien, welche die Effizienz des Antriebs steigern bzw. den Kraftstoffverbrauch senken.
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Eine vielversprechende Maßnahme zur Steigerung des Wirkungsgrads des Antriebsstranges ist die Restwärmenutzung. Hierbei wird mit einer thermischen Energie eines Abgases nach Verbrennungskraftmaschine, welche in etwa einem Drittel der im Kraftstoff gebundenen Energie entspricht, ein klassischer Dampfkraftprozess betrieben.
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Zentrale Komponente eines solchen Dampfkraftprozesses ist die Expansionsmaschine, welche mittels überhitzten Dampfs mechanische Wellenleistung liefert. Hierbei können Maschinen unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. Beispielsweise können Hubkolben-, Rotationskolben oder Turbomaschinen verwendet werden. Aufgrund der systemimmanenten Vorteile einer kompakten Bauart und eines guten Wirkungsgrades stehen heute vor allem die Turbomaschinen im Fokus der Entwicklung.
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Die
DE 10 2010 009 832 A1 betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kombinierten Antrieb. Der Antrieb umfasst eine Sekundär-Antriebsmaschine in Form einer Strömungsmaschine mit äußerer Verbrennung. Eine solche Strömungsmaschine weist einen ersten Bereich auf, in welchem chemisch gebundene Energie in thermische Energie umgewandelt und auf ein Arbeitsmedium übertragen wird, und einen zweiten Bereich, in welchem dem Arbeitsmedium seine Energie teilweise wieder entzogen wird. Die Sekundär-Antriebsmaschine mit äußerer Verbrennung ist eine Dampfturbine mit Dampferzeuger. Durch die Dampfturbine lässt sich eine Umwandlung der chemisch gebundenen Energie in mechanische Energie erreichen.
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Die im Kraftfahrzeugbereich über einen Dampfkraftprozess rekuperierbaren Leistungen sind im Vergleich zu z.B. Kraftwerksanwendungen sehr gering. Daher wird heute eine sogenannte Gleichdruckturbine oder Reaktionsturbine favorisiert. Bei der axial durchströmten Turbine wird ein Arbeitsfluid zuerst in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, bevor die kinetische Energie im Laufrad in mechanische Leistung gewandelt wird. In 1 ist ein Läufer 1 einer der Anmelderin bekannten Mikrodampfturbine dargestellt. Der Läufer 1 weist eine Läufergeometrie, d.h. eine Geometrie von Rotorblättern 2 auf, welche eine sehr komplexe Fertigung in Form eines mehrachsigen Fräsprozesses erfordert.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des in 1 dargestellten Läufers 1, in welcher die Geometrie der Rotorblätter 2 dargestellt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Läufer für eine Mikrodampfturbine mit einer Mehrzahl von an einer Umfangsseite des Läufers angeordneten Rotorblättern, welche geeignet sind, den Läufer durch Beaufschlagung mit einem den Läufer durchströmenden Arbeitsfluid in Rotation zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer zumindest ein erstes Läuferrad und ein zweites Läuferrad aufweist, welche zum Ausbilden des Läufers zusammenfügbar sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Mikrodampfturbine mit einer Mehrzahl von an einer Umfangsseite des Läufers angeordneten Rotorblättern, welche geeignet sind, den Läufer durch Beaufschlagung mit einem den Läufer durchströmenden Arbeitsfluid in Rotation zu versetzen, mit den Schritten eines Fertigens zumindest eines ersten Läuferrads, eines Fertigens zumindest eines zweiten Läuferrads und eines Zusammenfügens des zumindest ersten Läuferrads und zweiten Läuferrads zum Ausbilden des Läufers.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rotorgeometrie aufzuzeigen, welche auch in kleinem Maßstab substanziell einfacher zu fertigen ist und trotzdem eine Umlenkung einer Strömung des Arbeitsfluids zur Gewinnung von kinetischer Energie bei Beaufschlagung der Rotorblätter des Läufers zulässt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein jeweiliger erster Abschnitt der Rotorblätter auf dem ersten Läuferrad und ein jeweiliger zweiter Abschnitt der Rotorblätter auf dem zweiten Läuferrad ausgebildet ist. Somit kann eine Bearbeitung der jeweiligen Läuferräder getrennt voneinander erfolgen, wodurch eine vereinfachte Rotorgeometrie vorgesehen werden kann.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Rotorblätter und der zweite Abschnitt der Rotorblätter symmetrisch zueinander angeordnet sind und im montierten Zustand des Läufers jeweils miteinander Kontakt bilden. Durch die zweiteilige Ausbildung der Rotorblätter können diese beispielsweise geradlinig ausgebildet werden, wobei die Rotorblätter im montierten Zustand des Läufers dennoch in der Lage sind, die Strömung des Arbeitsfluids zu einer effektiven Gewinnung kinetischer Energie bei Beaufschlagung der Rotorblätter zu verwenden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Rotorblätter und der zweite Abschnitt der Rotorblätter in einem Winkel von 90–170°, vorzugsweise 120–160°, zueinander angeordnet sind. Ein Stellwinkel der jeweiligen Abschnitte der Rotorblätter zueinander kann somit an bauliche Anforderungen der Mikrodampfturbine angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die an der Umfangsseite des Läufers angeordneten Rotorblätter jeweils einen gleichen Querschnitt aufweisen. Der gleiche Querschnitt gewährleistet eine effektive Durchströmung des Läufers mit dem Arbeitsfluid.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass der Läufer eine Drehfixierung aufweist, welche das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad aneinander befestigt, wobei die Drehfixierung mittels einer Stift/Loch-Drehfixierung ausgebildet ist. Somit können das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad in einfacher Art und Weise aneinander befestigt werden, wodurch sowohl eine Bewegung der Läuferräder in Axialrichtung als auch eine Drehung der Läuferräder relativ zueinander verhindert wird.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad mittels eines Gewindes, insbesondere eines in dem ersten Läuferrad und dem zweiten Läuferrad ausgebildeten Gewindes, aneinander befestigt sind. Somit kann das erste Läuferrad an dem zweiten Läuferrad stabil befestigt werden. Das Vorsehen eines Gewindes bietet zudem einen Gewichtsvorteil gegenüber einem Vorsehen eines externen Befestigungsmittels.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass der Läufer ein drittes Läuferrad aufweist, wobei das erste Läuferrad, das zweite Läuferrad und das dritte Läuferrad zum Ausbilden des Läufers zusammenfügbar sind. Durch das Vorsehen von drei zusammensetzbaren Läuferrädern kann bei Bedarf auch eine komplexere Geometrie der Rotorblätter umgesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein jeweiliger dritter Abschnitt der Rotorblätter auf dem dritten Läuferrad ausgebildet ist, wobei der erste Abschnitt der Rotorblätter, der zweite Abschnitt der Rotorblätter und der dritte Abschnitt der Rotorblätter in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind und im montierten Zustand des Läufers jeweils miteinander Kontakt bilden. Das Vorsehen des ersten, zweiten und dritten Laufrads bietet somit ebenfalls eine verbesserte Flexibilität beispielsweise in der Anordnung der einzelnen Abschnitte der Rotorblätter.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem Fertigen des ersten Läuferrads ein jeweiliger erster Abschnitt der Rotorblätter auf dem ersten Läuferrad und bei dem Fertigen des zweiten Läuferrads ein jeweiliger zweiter Abschnitt der Rotorblätter auf dem zweiten Läuferrad ausgebildet werden, wobei ein jeweils zwischen benachbarten ersten Abschnitten der Rotorblätter ausgebildeter Strömungskanal und ein jeweils zwischen benachbarten zweiten Abschnitten der Rotorblätter ausgebildeter Strömungskanal durch Schleifen mittels eines Schleifkörpers ausgebildet werden. Der Läufer kann somit kostengünstig hergestellt werden und bietet dennoch eine effektive Umlenkung einer Strömung des Arbeitsfluids zur Gewinnung von kinetischer Energie bei Beaufschlagung der Rotorblätter.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad durch eine Drehfixierung aneinander befestigt werden, wobei die Drehfixierung mittels einer Stift/Loch-Drehfixierung ausgebildet ist. Somit können das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad in einfacher Art und Weise aneinander befestigt werden, wodurch sowohl eine Bewegung der Läuferräder in Axialrichtung als auch eine Drehung der Läuferräder relativ zueinander verhindert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Läuferrad und das zweite Läuferrad durch ein Gewinde, insbesondere ein in dem ersten Läuferrad und dem zweiten Läuferrad ausgebildeten Gewinde, aneinander befestigt werden. Das Vorsehen eines Gewindes bietet zudem einen Gewichtsvorteil gegenüber einem Vorsehen eines externen Befestigungsmittels.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass ein drittes Läuferrad gefertigt wird, wobei das erste Läuferrad, das zweite Läuferrad und das dritte Läuferrad zum Ausbilden des Läufers zusammengefügt werden. Durch das Vorsehen von drei zusammensetzbaren Läuferrädern kann bei Bedarf auch eine komplexere Geometrie der Rotorblätter umgesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein jeweiliger dritter Abschnitt der Rotorblätter auf dem dritten Läuferrad ausgebildet wird, wobei der erste Abschnitt der Rotorblätter, der zweite Abschnitt der Rotorblätter und der dritte Abschnitt der Rotorblätter in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet werden und im montierten Zustand des Läufers jeweils miteinander Kontakt bilden. Das Vorsehen des ersten, zweiten und dritten Laufrads bietet somit ebenfalls eine verbesserte Flexibilität beispielsweise in der Anordnung der einzelnen Abschnitte der Rotorblätter.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines der Anmelderin bekannten Läufers einer Mikrodampfturbine;
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2 eine Querschnittsdarstellung eines Teilabschnitts des in 1 gezeigten, der Anmelderin bekannten Läufers der Mikrodampfturbine;
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3 eine schematische Darstellung des Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung des Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts des in 3 gezeigten Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 3 ist der Läufer 10 gezeigt. Der Läufer 10 weist ein erstes Läuferrad 14 und ein zweites Läuferrad 16 auf, welche zum Ausbilden des Läufers 10 zusammenfügbar sind. Das erste Läuferrad 14 weist einen ersten Abschnitt 12a der Rotorblätter auf, welche an einer Umfangsseite des ersten Läuferrads 14 angeordnet sind. Das zweite Läuferrad 16 weist jeweilige zweite Abschnitte 12b der Rotorblätter auf, welche an einer Umfangsseite des zweiten Läuferrads 16 angeordnet sind. Das zweite Läuferrad 16 weist des Weiteren eine Drehfixierung 18 auf. Die Drehfixierung 18 ist mittels einer Stift/Loch-Drehfixierung ausgebildet. Zwei an dem zweiten Läuferrad 16 angeordnete Stifte werden bei dem Verbinden des ersten Läuferrads 14 mit dem zweiten Läuferrad 16 in in dem ersten Läuferrad 14 ausgebildete Löcher eingefügt. Alternativ kann zur Befestigung des ersten Läuferrads 14 an dem zweiten Läuferrad 16 auch ein Gewinde vorgesehen sein, welches analog zu der Stift/Loch-Drehfixierung ebenfalls eine axiale Verschiebung des ersten Läuferrads und des zweiten Läuferrads relativ zueinander sowie eine relative Drehung des ersten Läuferrads 14 und des zweiten Läuferrads 16 zueinander verhindert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 4 ist der Läufer 10 in montiertem Zustand des ersten Läuferrads 14 und des zweiten Läuferrads 16 gezeigt. Die Rotorblätter 12, welche jeweils den ersten Abschnitt 12a und den zweiten Abschnitt 12b aufweisen, bilden miteinander Kontakt.
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Der erste Abschnitt 12a der Rotorblätter 12 und der zweite Abschnitt 12b der Rotorblätter 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 140° zueinander angeordnet. Alternativ können der erste Abschnitt 12a der Rotorblätter 12 und der zweite Abschnitt 12b der Rotorblätter 12 auch in einem beliebigen anderen Winkel, vorzugsweise von 90–170°, insbesondere vorzugsweise von 120–160°, zueinander angeordnet sein.
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Der erste Abschnitt 12a der Rotorblätter 12 und der zweite Abschnitt 12b der Rotorblätter 12 sind symmetrisch zueinander angeordnet. Die Rotorblätter 12 weisen somit jeweils einen gleichen Querschnitt auf.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts des in 3 gezeigten Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Das erste Läuferrad 14 und das zweite Läuferrad 16 sind beim Zusammenfügen derart angeordnet, dass der erste Abschnitt 12a der Rotorblätter 12 und der zweite Abschnitt 12b der Rotorblätter 12 jeweils zueinander ausgerichtet sind, sodass diese im montierten Zustand des Läufers 10 miteinander Kontakt bilden und keinerlei Versatz aufweisen.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Der Läufer 10 weist das erste Läuferrad 14, das zweite Läuferrad 16 und ein drittes Läuferrad 20 auf. Die jeweiligen Rotorblätter 12 weisen den ersten Abschnitt 12a, den zweiten Abschnitt 12b und einen dritten Abschnitt 12c auf. Die Abschnitte 12a, 12b, 12c sind in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet und bilden jeweils miteinander Kontakt.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Im Gegensatz zu der in 6 dargestellten Ausführungsform weisen die jeweiligen Rotorblätter 12 eine andere Rotorgeometrie auf, d.h., die Abschnitte 12a, 12b, 12c sind in einem anderen Winkel zueinander angeordnet. Je nach baulichen Anforderungen der Mikrodampfturbine bzw. einem Beaufschlagungswinkel der jeweiligen Rotorblätter des Läufers kann dies von Vorteil sein.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Läufers für eine Mikrodampfturbine gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
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In 8 ist das Verfahren zum Herstellen des Läufers für eine Mikrodampfturbine mit einer Mehrzahl von an einer Umfangsseite des Läufers angeordneten Rotorblättern gezeigt, welche geeignet sind, den Läufer durch Beaufschlagung mit einem den Läufer durchströmenden Arbeitsfluid in Rotation zu versetzen. Das Verfahren umfasst ein Fertigen (S1) zumindest eines ersten Läuferrads, ein Fertigen (S2) zumindest eines zweiten Läuferrads und ein Zusammenfügen (S3) des zumindest ersten Läuferrads und zweiten Läuferrads zum Ausbilden des Läufers.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise können die Abschnitte der Rotorblätter jeweiliger Läuferräder des Läufers 10 in einem beliebigen bevorzugten Winkel zueinander angeordnet werden, um eine optimale Umwandlung der chemisch gebundenen Energie in mechanische Energie der Rotation des Läufers zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010009832 A1 [0005]
