WO2024013081A1 - Verbessertes turbinensystem bei einem fahrzeug mit dem ziel der energieeinsparung durch erzeugung eines windschattens - Google Patents

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WO2024013081A1
WO2024013081A1 PCT/EP2023/069018 EP2023069018W WO2024013081A1 WO 2024013081 A1 WO2024013081 A1 WO 2024013081A1 EP 2023069018 W EP2023069018 W EP 2023069018W WO 2024013081 A1 WO2024013081 A1 WO 2024013081A1
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turbine
vehicle
propeller
windshield
trailer
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PCT/EP2023/069018
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Peter Albrecht
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Peter Albrecht
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/32—Wind motors specially adapted for installation in particular locations on moving objects, e.g. vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/94—Mounting on supporting structures or systems on a movable wheeled structure
    • F05B2240/941—Mounting on supporting structures or systems on a movable wheeled structure which is a land vehicle

Definitions

  • the invention relates to a turbine system with a windshield and propeller that can be attached to a vehicle with the aim of directly saving energy by creating a slipstream.
  • An object of the invention was therefore to provide a system which eliminates the disadvantages of the prior art mentioned, in particular those of the turbine system described in WO 2017/125409. Summary of the invention
  • the invention relates to a turbine system with a windshield and propeller that can be mounted on a vehicle to save fuel in a vehicle, the propeller having a diameter between 10% and 120%, preferably between 15% and 110% and particularly preferably between 20% and 100 % of the diameter of the turbine and the windshield is an annular housing which surrounds the turbine and has an outer contour, the distance from the axis of rotation of the turbine increases towards the side facing the vehicle, the increase in the distance between the inner contour of the windshield and the Axis of rotation of the turbine is characterized by a pitch angle of 1° to 45° and the outer contour of the windshield in the frontal projection is not circular, but is adapted to the shape of the frontal projection surface of the vehicle front and preferably forms a rounded rectangle.
  • the invention relates to a turbine system which, apart from the propeller, comprises identical components as described in WO 2017/125409.
  • a turbine is preferably understood to mean a wind turbine or a wind turbine, which is driven by the wind and can therefore be used for the vehicle and for the propeller provides energy.
  • the wind turbine is preferably driven to rotate when the vehicle moves forward.
  • a propeller is preferably understood to be a towing propeller, which supplies energy to the wind and is preferably driven by part of the usable energy of the turbine. As the flow passes through, the towing propeller generates an axial force in the direction of travel, which partially compensates for the undesirable axial force of the turbine and at the same time minimizes the dynamic pressure in the front area of the turbine.
  • turbomachines preferably refers to rotating turbomachines, which convert part of the kinetic energy of the air flowing into the vehicle while driving into mechanical power, i.e. in particular into the rotation of a shaft.
  • This mechanical power in the form of the rotating shaft can be passed on directly to the propeller and/or to the engine of the vehicle and/or used to generate electrical power.
  • Preferred embodiments of the turbine are wind turbines.
  • the central axis of the rotating components of the turbine, e.g. rotor blades, is also referred to as the axis of rotation.
  • propeller is preferably understood to mean a machine element of a drive machine with blades, which generates an aerodynamic axial force (thrust force) in the direction of travel of the vehicle and at the same time provides energy to a gaseous medium, preferably air supplies.
  • the propeller is preferably driven via a direct mechanical connection, for example a gear and/or a shaft to the turbine, or electrically, for example using an electric motor.
  • the preferred embodiment of the propeller is a towing propeller, which is mounted in the front area of the windshield.
  • the central axis of the rotating components of the propeller, such as rotor blades, is also referred to as the axis of rotation.
  • cross-sectional area of the turbine or propeller is preferably understood to mean the projected area of rotation of the turbine or propeller, which includes the turbine or propeller in a projection along the perpendicular axis to the direction of rotation of the turbine or propeller.
  • the cross-sectional area preferably corresponds to TT L 2 .
  • the length of the rotor blades preferably corresponds to the distance from the axis of rotation of the wind turbine to the end of the rotor blade (tip of the rotor blade) furthest away from this axis.
  • the cross-sectional area of the turbine or propeller therefore does not correspond to the static cross-sectional area of the turbine or propeller when at a standstill, but rather quantifies that area of the turbine or propeller that the turbine or propeller spans during rotation.
  • cross-sectional area of the windshield and the turbine is preferably understood to mean the cross-sectional area which is spanned together by the windshield and the turbine. Since the windshield surrounds the turbine in cross-section in the direction of travel, the common cross-sectional area of the windshield and the turbine preferably corresponds to the transverse area which is spanned by the outer contour of the windshield.
  • the wind shield is particularly preferably, for example, an annular housing which surrounds the turbine.
  • the inner diameter of the windshield is larger than the outer diameter of the turbine, which in the case of a wind turbine corresponds to the length of the rotor blades.
  • the outer contour of the ring-shaped windshield spans the common transverse surface. It is the cross-sectional area of the windshield and the turbine which, in the sense of the invention, should ensure that the front of the vehicle is covered as completely as possible.
  • vehicle front preferably refers to the component of the vehicle that is located at the front in the direction of movement of the vehicle.
  • vehicle front preferably includes the entire front surface of the vehicle on which the wind acts as the vehicle moves.
  • the term “the frontal projection surface of the vehicle” preferably refers to the area that the vehicle has when a two-dimensional projection of the vehicle takes place along the axis of the airflow.
  • the frontal projection surface of the vehicle is therefore preferably a quantification of the frontal surface of the vehicle on which the wind acts while driving.
  • the term “rear projection surface of the vehicle” preferably refers to the surface which the vehicle has, if a two-dimensional one Projection of the vehicle along the axis of movement of the vehicle takes place.
  • the rear projection surface of the vehicle is therefore preferably a quantification of the rear surface of the vehicle, which is in the light shadow.
  • the term “light shadow” (not to be confused with “slipstream”) is used to describe that area of the vehicle and the turbine system that cannot be hit by light rays that run parallel along the axis of movement of the vehicle and are emitted by a light source positioned upstream of the vehicle and the turbine system.
  • the dynamic pressure preferably refers to an increase in the pressure in front of the windshield depending on the speed of travel.
  • the dynamic pressure counteracts the vehicle movement and thus increases the resistance force that the engine drive has to provide in order to enable movement.
  • the minimum size of the diameter of the propeller compared to the diameter of the turbine leads to a surprising reduction in the dynamic pressure and thus to a surprising reduction in the wind resistance.
  • the statement “approximately”, “approximately”, “almost”, “approximately” or synonymous terms is preferably understood to mean an indication of values, shapes or other descriptions of technical features, which are both the exact indication and an indication with a tolerance range.
  • the tolerance range is defined by the knowledge of the average person skilled in the art, particularly with regard to the functionality of the technical feature.
  • the intended tolerance range is preferably ⁇ 10%, particularly preferably ⁇ 5%.
  • an approximate information always also reveals the exact information. This means that by specifying approximately 5, the exact value 5 is always revealed in addition to values that lie within a tolerance range (e.g. 5.1, 4.9 etc.).
  • the term “fuel saving” is preferably understood to mean an increase in the energy efficiency of driving the vehicle. According to the invention, this is achieved by the slipstream generated by the turbine, which ensures slower flow speeds along the entire vehicle and reduces both the dynamic pressure in the front area and the turbulence at the rear of the vehicle.
  • the term “usable energy” is preferably understood to mean any form of energy that directly or indirectly leads to fuel savings for the vehicle.
  • the turbine converts the kinetic energy of the incoming wind at least partially into usable energy, taking into account the compensated additional axial forces of the wind turbine due to the lower wind energy losses occurring on the vehicle Overall, there is an increase in the energy efficiency of the entire system consisting of vehicle and turbine.
  • the propeller is characterized in that it has a diameter between 10% and 120%, preferably between 15% and 110% and particularly preferably between 20% and 100% of the diameter of the turbine.
  • the diameter of the propeller is preferably understood to mean the circular area which the propeller spans during rotation.
  • the propeller is characterized in that it generates an axial force in the direction of travel, which corresponds to at least 5%, preferably at least 15% and particularly preferably at least 30% of the axial force from the turbine.
  • the axial force of the turbine is preferably understood to be the force that the turbine generates when rotating against the direction of travel.
  • the windshield is characterized in that the windshield is an annular housing which surrounds the turbine and has an outer contour whose distance from the axis of rotation of the turbine increases towards the side facing the vehicle, with the increase in the distance between the inner contour of the windshield and the axis of rotation of the turbine is characterized by a pitch angle of 1° to 45° and the outer contour of the windshield in the frontal projection is not circular, but is adapted to the shape of the frontal projection surface of the vehicle front and preferably forms a rounded rectangle .
  • the propeller is a traction propeller.
  • the towing propeller comprises several rotor blades, which are preferably mechanically connected to an electric motor via a shaft.
  • the towing propeller is preferably fed directly by the electrical energy of a generator, which is driven by the turbine.
  • the person skilled in the art is aware of the design criteria for a train propeller with which no dynamic pressure is generated upstream of the train propeller and the largest possible pressure difference (pressure ratio) between upstream and downstream of the train propeller and thus an axial force in the direction of travel can be generated very efficiently.
  • the towing propeller is characterized in that it has a diameter between 10% and 120%, preferably between 15% and 110% and particularly preferably between 20% and 100% of the diameter of the turbine.
  • the diameter of the towing propeller is preferably understood to be the circular area which the towing propeller spans during rotation.
  • the towing propeller should preferably be positioned directly in the area of the front edge of the windshield and be driven with the help of an electric motor. The wind flowing through the towing propeller is passed on aerodynamically with little loss downstream within the wind shield to the turbine.
  • the propeller is a towing propeller, which preferably comprises one or more rotor blades and is preferably driven mechanically or electrically by the turbine and/or generator positioned downstream.
  • the high rotation speed, the aerodynamic profile and the selected installation angle of the rotor blades to the machine axis lead to aerodynamic lift forces, which mainly act in the direction of travel and are referred to as so-called “thrust forces”.
  • the thrust forces generated counteract the thrust forces of the wind turbine and ideally cancel them out.
  • the towing propeller is characterized in that it has 1 to 7, preferably 2 to 4 and particularly preferably 3 rotor blades.
  • the towing propeller preferably comprises a hub to which the rotor blades are attached so that they extend radially.
  • the inner contour of the windshield in the immediate wake of the towing propeller should, as far as possible, be modeled on the natural streamlining that would occur with a rotating towing propeller without a windshield but otherwise with the same boundary conditions. Further explanations about the appearance of the windshield are given in WO 2017/125409. A number of different shapes of rotor blades and corresponding design tools are known to those skilled in the art in order to select or create a suitable profile that meets the above-mentioned boundary conditions.
  • the wind turbine is mechanically coupled to the propeller by a gear, for example a planetary gear.
  • a gear for example a planetary gear.
  • the conditions on the rotor blades of the wind turbine and rotor can be set particularly effectively and the best possible thrust force compensation can be achieved.
  • the person skilled in the art is also aware of further embodiments in order to achieve a mechanical coupling of the wind turbine with the rotor, which leads to a particularly effective slipstream and thrust compensation.
  • the propeller and the turbine are equipped with a freewheel construction, the direction of rotation of which particularly preferably remains freely adjustable even when installed.
  • a freewheel construction the direction of rotation of which particularly preferably remains freely adjustable even when installed.
  • freewheel designs are known to those skilled in the art which meet these boundary conditions.
  • the freewheel construction which can be freely adjusted in its direction of rotation, allows various operating conditions to be set in order to operate the turbine system optimally.
  • a propeller that can be attached to the turbine system or preferred embodiments thereof and/or the use of the turbine system with propeller or preferred embodiments thereof to save fuel in a vehicle is also referred to as WindShield.
  • Examples of vehicles that are equipped with WindShield are therefore preferably vehicles with a propeller according to the invention attached to the turbine system or preferred embodiments thereof.
  • standard on the other hand, preferably refers to vehicles that are not equipped with WindShield and therefore do not have attached turbine systems with propellers according to the invention or preferred embodiments thereof.
  • FIG. 1 Schematic representation of a preferred embodiment of the invention, which shows the use of the turbine system with windshield and propeller on a vehicle in side and top views.
  • FIG. 2 Schematic representation of a vehicle without a turbine system according to the invention in the side and top view.
  • FIG. 3 Schematic representation of a preferred embodiment of the invention, which shows the turbine system with windshield and propeller in different views.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a truck with an attached turbine system (2) and propeller (22), from which you can see how the WindShield works schematically.
  • the explanations show how the disadvantages of the prior art can be eliminated using a turbine system (2) with a propeller (22). It is clear to the expert how this technical implementation can be transferred to other vehicles.
  • the main components of the turbine system (2) consist of a wind turbine (232), a traction propeller (222), a turbine holder (29) comprising a wind shield (21). Wind turbine (232) and traction propeller (222) are preferably not directly mechanically connected to one another.
  • the wind turbine (232) is connected to a generator (233), the traction propeller (222) is connected to an electric motor (223), preferably mechanically via a shaft.
  • the rotational speeds of the wind turbine (232) and traction propeller (222) can thereby be adjusted independently of one another, which is particularly advantageous in minimizing the dynamic pressure generated upstream of the WindShield vehicle (1).
  • the flow direction of the low-energy and speed-reduced wind (24) close to the wall is determined downstream of the windshield ring rear edge (213, see Fig. 3) of the windshield ring (211, see Fig. 3) by the high-energy and fast outer wind flow (25) as well determined by the shape of the outer contour of the windshield (212, see Fig. 3).
  • the outflow angle at the rear edge of the windshield ring (213, see Fig. 3) has been chosen such that the majority of the wind (24) near the wall is hardly accelerated to the rear of the vehicle (11).
  • the outer contour of the windshield (21) is initially formed by the windshield ring (211, see Fig.
  • the windshield (21) is attached to the semi-trailer (3) using the turbine holder (29), but this can optionally also be mounted directly on the chassis of the truck (121).
  • the truck engine in the Winds Shield vehicle (1) will have to produce less power to overcome the aerodynamic drag forces than a comparable standard vehicle.
  • the turbine system (2) differs significantly from the prior art due to the propeller (22).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein an ein Fahrzeug anbaubares Turbinensystem mit Windschild und Propeller zur Treibstoffeinsparung bei einem Fahrzeug, wobei der Propeller einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine aufweist und das Windschild ein ringförmiges Gehäuse ist, welches die Turbine umrandet und eine Außenkontur aufweist, deren Abstand zur Drehachse der Turbine sich zu der dem Fahrzeug zugewandten Seite vergrößert, wobei das Anwachsen des Abstandes zwischen der Innenkontur des Windschildes und der Drehachse der Turbine durch einen Steigungswinkel von 1° bis 45° gekennzeichnet ist und die Außenkontur des Windschildes in der frontalen Projektion nicht kreisförmig ist, sondern an die Form der frontalen Projektionsfläche der Fahrzeugfront angepasst ist und bevorzugt ein abgerundetes Rechteck bildet, die Turbine und der Propeller mit Hilfe der Turbinenhalterung an der Fahrzeugfront des Fahrzeuges anbringbar ist.

Description

VERBESSERTES TURBINENSYSTEM BEI EINEM FAHRZEUG MIT DEM ZIEL DER ENERGIEEINSPARUNG DURCH ERZEUGUNG EINES WINDSCHATTENS
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein an ein Fahrzeug anbaubares Turbinensystem mit Windschild und Propeller mit dem Ziel der direkten Energieeinsparung durch Erzeugung eines Windschattens.
Hintergrund und Stand der Technik
Die potentielle Nutzung von Fahrtwindenergie bei Fahrzeugen mit Hilfe von Windrädern durch Ausnutzung der Staudruckenergie hat verschiedene Erfindungen inspiriert, z.B. US 2008 / 0011523 A1.
In US 2008 / 0011523 A1 wird eine Windturbine im Frontbereich eines Nutzfahrzeuges beschrieben, welche einen signifikanten Bereich der Fahrzeugfront abdeckt. Durch die Windturbine soll ein Teil der Staudruckenergie in mechanische Energie umgewandelt werden, ohne den Bewegungswiderstand des Fahrzeuges signifikant zu vergrößern. Nachteilig ist es, dass die Energieeinsparung nur über zusätzliche anzubauende Komponenten erreicht werden kann, welche es ermöglichen, die mechanische Energie entweder z.B. für den Vortrieb des Fahrzeug nutzbar zu machen oder diese zunächst zu speichern z.B. durch Umwandlung in elektrische Energie und deren Speicherung in einer Batterie.
Die potentielle Nutzung von Fahrtwindenergie bei Fahrzeugen sowie die anschließende Ausnutzung des energieärmeren Fahrtwindes zur Reduktion des aerodynamischen Fahrzeugwiderstandes ist bisher nur in WO 2017/125409 vorgeschlagen worden.
In WO 2017/125409 wird eine Windturbine in ähnlicher Größe im Frontbereich eines Nutzfahrzeuges wie in US 2008 / 0011523 A1 beschrieben, nur mit dem Unterschied, dass diese zusätzlich noch mit einem Windschild ausgestattet ist, um den energieärmeren Fahrtwind optimal um das Fahrzeug strömen zu lassen und damit den aerodynamischen Fahrzeugwiderstand signifikant zu reduzieren. Das Windschild deckt größtenteils die Projektionsfläche der Fahrzeugfront ab. Bei dieser Ausführung wird eine Energieeinsparung selbst noch bei extrem windschnittigen Fahrzeugen (sehr niedriger Cw-Wert) erreicht und unterscheidet sich aufgrund des erweiterten Anwendungsbereich vom US 2008 / 0011523 A1. Nachteilig auch bei dieser Ausführung ist wie bei US 2008 / 0011523 A1 , dass eine Aufstauung der Strömung im Frontbereich des Fahrzeuges bzw. im Frontbereich des Turbinensystems nicht oder bisher nur teilweise verhindert werden.
Eine Aufgabe der Erfindung war es somit, ein System bereit zu stellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die des beschriebenen Turbinensystems in WO 2017/125409 beseitigt. Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche, sowie die Ausführungen des Beschreibungsteiles betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein an ein Fahrzeug anbaubares Turbinensystem mit Windschild und Propeller zur Treibstoffeinsparung bei einem Fahrzeug, wobei der Propeller einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine aufweist und das Windschild ein ringförmiges Gehäuse ist, welches die Turbine umrandet und eine Außenkontur aufweist, deren Abstand zur Drehachse der Turbine sich zu der dem Fahrzeug zugewandten Seite vergrößert, wobei das Anwachsen des Abstandes zwischen der Innenkontur des Windschildes und der Drehachse der Turbine durch einen Steigungswinkel von 1 ° bis 45° gekennzeichnet ist und die Außenkontur des Windschildes in der frontalen Projektion nicht kreisförmig ist, sondern an die Form der frontalen Projektionsfläche der Fahrzeugfront angepasst ist und bevorzugt ein abgerundetes Rechteck bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Turbinensystem, welche bis auf den Propeller identische Komponenten, wie in WO 2017/125409 beschrieben, umfasst.
Für die Anwendung des Turbinensystems zur Treibstoffeinsparung bei Fahrzeugen mit einer Fahrtgeschwindigkeiten von bis zu ca. 400 km/h wird unter einer Turbine bevorzugt eine Windturbine bzw. ein Windrad verstanden, welches durch den Fahrtwind angetrieben wird und dadurch für das Fahrzeug und für den Propeller nutzbare Energie bereitstellt. Bevorzugt wird die Windturbine bei einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zur Rotation angetrieben. Als Propeller wird bevorzugt ein Zugpropeller verstanden, welcher dem Fahrtwind Energie zuführt und bevorzugt durch einen Teil der nutzbaren Energie der Turbine angetrieben wird. Der Zugpropeller erzeugt beim Durchströmen eine Axialkraft in Fahrtrichtung, welche die unerwünschte Axialkraft der Turbine teilweise kompensiert und gleichzeitig den Staudruck im Frontbereich der Turbine minimiert.
Unter dem Begriff der „Turbine“ werden bevorzugt rotierende Strömungsmaschinen verstanden, welche einen Teil der kinetischen Energie der auf das Fahrzeug während der Fahrt einströmenden Luft in mechanische Leistung umwandelt, d.h. insbesondere in die Rotation einer Welle überführt. Diese mechanische Leistung in Form der rotierenden Welle kann direkt an den Propeller und/oder an den Motor des Fahrzeuges weitergeleitet werden und/oder der Erzeugung von elektrischem Strom dienen. Bevorzugte Ausführungsformen der Turbine sind Windturbinen. Die zentrale Achse der rotierenden Bauelemente der Turbine, z.B. Rotorblätter, wird auch als Drehachse bezeichnet.
Unter dem Begriff Propeller wird bevorzugt ein Maschinenelement einer Antriebsmaschine mit Flügeln verstanden, welche eine aerodynamische Axialkraft (Schubkraft) in Fahrtrichtung des Fahrzeuges erzeugt und gleichzeitig einem gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, Energie zuführt. Der Propeller wird bevorzugt über eine direkte mechanische Verbindung z.B. einem Getriebe und/oder einer Welle zur Turbine oder elektrisch z.B. mithilfe eines E-Motors angetrieben. Bevorzugte Ausführungsform des Propellers ist ein Zugpropeller, welcher im Frontbereich des Windschilds angebaut wird. Die zentrale Achse der rotierenden Bauelemente des Propellers, z.B. Rotorblätter, wird auch als Drehachse bezeichnet.
Unter dem Begriff der „Querschnittsfläche der Turbine bzw. des Propellers“ wird bevorzugt die projizierte Rotationsfläche der Turbine bzw. des Propellers verstanden, welche die Turbine bzw. der Propeller bei einer Projektion entlang der senkrechten Achse zur Rotationsrichtung der Turbine bzw. des Propellers umfasst. Im Falle einer Windturbine bzw. eines Windrades umfassend Rotorblätter mit einer Länge L entspricht die Querschnittsfläche bevorzugt TT L2. Die Länge der Rotorblätter entspricht bevorzugt dem Abstand von der Rotationsachse der Windturbine bis zu dem radial von dieser Achse am weitesten entfernten Ende des Rotorblattes (Spitze des Rotorblattes). Die Querschnittsfläche der Turbine bzw. Propeller entspricht somit im Sinne der Erfindung nicht der statischen Querschnittsfläche der Turbine bzw. des Propellers im Stillstand sondern quantifiziert jene Fläche der Turbine bzw. des Propellers, welche die Turbine bzw. der Propeller während der Rotation aufspannt.
Unter dem Begriff der „Querschnittsfläche des Windschildes und der Turbine“ wird bevorzugt die Querfläche verstanden, welche zusammen von dem Windschild und der Turbine aufgespannt wird. Da das Windschild die Turbine im Querschnitt zur Fahrtrichtung umrandet, entspricht die gemeinsame Querschnittsfläche des Windschildes und der Turbine bevorzugt der Querfläche, welche von der Außenkontur des Windschildes aufgespannt wird. Besonders bevorzugt ist das Windschild z.B. ein ringförmiges Gehäuse, welches die Turbine umrandet. Hierbei ist der Innendurchmesser des Windschildes größer als der Außendurchmesser der Turbine, welcher im Falle einer Windturbine der Länge der Rotorblätter entspricht. Die Außenkontur des ringförmigen Windschildes spannt die gemeinsame Querfläche auf. Es ist die Querschnittsfläche des Windschildes und der Turbine, welche im Sinne der Erfindung eine möglichst komplette Abdeckung der Fahrzeugfront gewährleisten sollte.
Unter der „Fahrzeugfront“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt der Bestandteil des Fahrzeuges bezeichnet, welcher sich in Fortbewegungsrichtung des Fahrzeuges vorne befindet. Bevorzugt umfasst der Begriff Fahrzeugfront die gesamte vordere Fläche des Fahrzeuges auf welcher der Fahrtwind während der Fortbewegung des Fahrzeuges einwirkt.
Mit dem Begriff „der frontalen Projektionsfläche des Fahrzeuges“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt jene Fläche bezeichnet, welche das Fahrzeug aufweist, wenn eine zweidimensionale Projektion des Fahrzeuges entlang der Achse der Fahrtwindströmung erfolgt. Die frontale Projektionsfläche des Fahrzeuges ist im Sinne der Erfindung daher bevorzugt eine Quantifizierung der frontalen Fläche des Fahrzeuges, auf welche bei der Fahrt der Fahrtwind einwirkt.
Mit dem Begriff „hintere Projektionsfläche des Fahrzeuges“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt jene Fläche bezeichnet, welche das Fahrzeug autweist, wenn eine zweidimensionale Projektion des Fahrzeuges entlang der Achse der Fortbewegung des Fahrzeuges erfolgt. Die hintere Projektionsfläche des Fahrzeuges ist im Sinne der Erfindung daher bevorzugt eine Quantifizierung der hinteren Fläche des Fahrzeuges, welche sich im Lichtschatten befindet.
Mit dem Begriff „Lichtschatten“ (nicht zu verwechseln mit „Windschatten“ !)“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt jener Bereich vom Fahrzeug und vom Turbinensystem bezeichnet, welche nicht von Lichtstrahlen getroffen werden können, die parallel entlang der Achse der Fortbewegung des Fahrzeuges verlaufen und von einer Lichtquelle ausgesendet werden, die stromauf vom umströmten Fahrzeug und vom Turbinensystem positioniert ist.
Bei der Fortbewegung bekannter Fahrzeuge ohne einen erfindungsgemäßen Propeller kommt es zu einer Generation eines Staudruckes vor dem Windschild des Turbinensystems. Der Staudruck bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Erhöhung des Druckes vor dem Windschild in Abhängigkeit der Fahrtgeschwindigkeit. Der Staudruck wirkt der Fahrzeugbewegung entgegen und erhöht somit die Widerstandskraft, welche der Antrieb des Motors aufbringen muss, um eine Fortbewegung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß kommt es durch die Mindestgröße des Durchmessers des Propellers im Vergleich zum Durchmesser der Turbine zu einer überraschenden Verminderung des Staudruckes und damit zu einer überraschenden Verminderung des Fahrtwindwiderstandes.
Im Sinne der Erfindung wird unter der Angabe „ungefähr“, „ca.“, „nahezu“, „annähernd“ oder synonymen Begriffen bevorzugt eine Angabe von Werten, Formen oder anderen Beschreibungen technischer Merkmale verstanden, welche sowohl die exakte Angabe als auch eine Angabe mit einer Toleranzspanne umfasst. Für qualitative Merkmale wird die Toleranzspanne durch das Wissen des durchschnittlichen Fachmannes, insbesondere im Hinblick auf die Funktionalität des technischen Merkmales definiert. Für quantitative Merkmale, wie z.B. die Angabe von ungefähren Werten, beträgt die gemeinte Toleranzspanne bevorzugt ± 10%, besonders bevorzugt ± 5%. Als ganz besonders bevorzugte Ausführungsform offenbart eine ungefähre Angabe stets auch die exakte Angabe. D.h. unter der Angabe ungefähr 5, wird neben Werten, welche innerhalb einer Toleranzspanne liegen (z.B. 5,1 , 4,9 etc.) stets auch der exakte Wert 5 offenbart.
Unter dem Begriff „Treibstoffeinsparung“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Erhöhung der Energieeffizienz zum Antrieb des Fahrzeuges verstanden. Erfindungsgemäß wird dies durch den von der Turbine erzeugten Windschatten erreicht, welcher für langsamere Strömungsgeschwindigkeiten entlang des gesamten Fahrzeuges sorgt und sowohl den Staudruck im Frontbereich als auch die Verwirbelungen am Heck des Fahrzeuges reduziert.
Unter dem Begriff „nutzbare Energie“ wird bevorzugt jede Energieform verstanden, welche direkt oder indirekt zur Treibstoffeinsparung des Fahrzeuges führt. Erfindungsgemäß wandelt die Turbine die kinetische Energie des einströmenden Fahrtwindes zumindest teilweise in nutzbare Energie um und unter Berücksichtigung der kompensierten zusätzlichen Axialkräfte der Windturbine durch die am Fahrzeug auftretenden geringeren Fahrtwindenergieverluste kommt es insgesamt gesehen zu einer Erhöhung der Energieeffizienz des Gesamtsystems aus Fahrzeug und Turbine.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Propeller dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine aufweist. Unter dem Durchmesser des Propellers wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche der Propeller während der Rotation aufspannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Propeller dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Axialkraft in Richtung der Fahrtrichtung erzeugt, welche mindestens 5%, bevorzugt mindestens 15% und besonders bevorzugt mindestens 30% der Axialkraft von der Turbine entspricht. Unter der Axialkraft der Turbine wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kraft verstanden, welche die Turbine bei Rotation entgegen der Fahrtrichtung erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Windschild dadurch gekennzeichnet, dass das Windschild ein ringförmiges Gehäuse ist, welches die Turbine umrandet und eine Außenkontur aufweist, deren Abstand zur Drehachse der Turbine sich zu der dem Fahrzeug zugewandten Seite vergrößert, wobei das Anwachsen des Abstandes zwischen der Innenkontur des Windschildes und der Drehachse der Turbine durch einen Steigungswinkel von 1 ° bis 45° gekennzeichnet ist und die Außenkontur des Windschildes in der frontalen Projektion nicht kreisförmig ist, sondern an die Form der frontalen Projektionsfläche der Fahrzeugfront angepasst ist und bevorzugt ein abgerundetes Rechteck bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Propeller ein Zugpropeller. Im Sinne der Erfindung umfasst der Zugpropeller mehrere Rotorblätter, welche bevorzugt über eine Welle mit einem E-Motor mechanisch verbunden sind. Der Zugpropeller wird bevorzugt direkt von der elektrischen Energie eines Generators gespeist, welcher von der Turbine angetrieben wird. Weiterhin sind dem Fachmann die Auslegungskriterien für einen Zugpropeller bekannt, mit dem kein Staudruck stromauf vom Zugpropeller generiert wird und sehr effizient eine möglichst große Druckdifferenz (Druckverhältnis) zwischen stromauf und -ab des Zugpropellers und damit eine Axialkraft in Fahrtrichtung erzeugt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zugpropeller dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine aufweist. Unter dem Durchmesser des Zugpropellers wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche der Zugpropeller während der Rotation aufspannt. Der Zugpropeller soll bevorzugt unmittelbar im Bereich der Vorderkante des Windschilds positioniert sein und mit Hilfe eines E-Motors angetrieben werden. Der durch den Zugpropeller hindurchströmende Fahrtwind wird aerodynamisch verlustarm stromab innerhalb des WindSchilds zur Turbine weitergeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Propeller ein Zugpropeller, welches bevorzugt ein oder mehrere Rotorblätter umfasst und bevorzugt mechanisch oder elektrisch von der stromab positionierten Turbine und/oder Generator angetrieben wird. Die hohe Rotationsgeschwindigkeit, das aerodynamische Profil als auch der gewählte Einbauwinkel der Rotorblätter zur Maschinenachse führen zu aerodynamischen Auftriebskräften, welche hauptsächlich in Fahrtrichtung wirken und als sogenannte „Schubkräfte“ bezeichnet werden. Die erzeugten Schubkräfte wirken den Schubkräften der Windturbine entgegen und heben diese idealerweise auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zugpropeller dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1 bis 7 bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt 3 Rotorblätter aufweist. Bevorzugt umfasst der Zugpropeller in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Nabe, an welche die Rotorblätter radial auslaufend befestigt vorliegen. Die Innenkontur des Windschildes soll im unmittelbaren Nachlauf des Zugpropellers möglichst dem natürlichen Stromlinienverlauf nachempfunden sein, welcher sich bei einem rotierenden Zugpropeller ohne Windschild aber ansonsten gleichen Randbedingungen einstellen würde. Weitere Erklärungen zum Aussehen des Windschildes werden in WO 2017/125409 gegeben. Dem Fachmann sind eine Reihe verschiedener Formen von Rotorblättern und entsprechende Auslegungswerkzeuge bekannt, um ein geeignetes Profil auszuwählen bzw. zu erstellen, welches den oben genannten Randbedingungen gerecht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die mechanische Kopplung der Windturbine mit dem Propeller durch ein Getriebe z.B. Planentengetriebe. Vorteilhafterweise können dadurch die Bedingungen an den Rotorblättern von Windturbine und Rotor besonders effektiv eingestellt werden sowie eine bestmögliche Schubkraftkompensation erreicht werden. Dem Fachmann sind diesbezüglich aber auch weitere Ausführungsformen bekannt, um eine mechanische Kopplung der Windturbine mit dem Rotor zu erreichen, welche zu einem besonders effektiven Windschatten und Schubausgleich führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Propeller und die Turbine mit einem Freilaufkonstruktion ausgestattet, dessen Drehrichtung besonders bevorzugt auch noch im eingebauten Zustand frei einstellbar bleibt. Dem Fachmann sind verschiedene Freilaufkonstruktionen bekannt, welche diese Randbedingungen erfüllen. Die in ihrer Drehrichtung frei einstellbare Freilaufkonstruktion ermöglicht verschiedenarte Betriebsbedingungen einzustellen, um das Turbinensystem optimal betreiben zu können.
Der Fachmann erkennt, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen an das Turbinensystem anbaubaren Propellers sowie bevorzugter Ausführungsformen davon ebenso für das Turbinensystem gelten, an welchem der Propeller angebracht vorliegt. Detaillierte Beschreibung
Im Sinne der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass ein an das Turbinensystem anbaubarer Propeller oder bevorzugte Ausführungsformen davon und/oder die Verwendung des Turbinensystems mit Propeller oder bevorzugte Ausführungsformen davon zur Einsparung von Treibstoff bei einem Fahrzeug auch als WindShield bezeichnet wird. Bei Beispielen von Fahrzeugen welche mit WindShield ausgestattet sind, handelt es sich daher bevorzugt um Fahrzeuge mit ein am Turbinensystem angebrachtem Propeller gemäß der Erfindung oder bevorzugte Ausführungsformen davon. Unter dem Begriff „Standard“ hingegen werden bevorzugt solche Fahrzeuge bezeichnet, welche nicht mit WindShield ausgestattet sind und demzufolge keine angebrachten Turbinensysteme mit Propeller gemäß der Erfindung oder bevorzugten Ausführungsformen davon aufweisen.
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Kurzbeschreibunq der Abbildungen
Fig. 1 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche die Verwendung des Turbinensystems mit Windschild und Propeller an einem Fahrzeug in der Seiten- und Von-Oben-Ansicht zeigt.
Fig. 2 Schematische Darstellung eines Fahrzeugs ohne erfindungsgemäßen Turbinensystem in der Seiten- und Von-Oben-Ansicht.
Fig. 3 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche das Turbinensystem mit Windschild und Propeller in verschiedenen Ansichten zeigt.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau eines LKW mit angebauten Turbinensystem (2) und Propeller (22) dargestellt, aus dem man erkennen kann, wie das WindShield schematisch funktioniert. Die Ausführungen zeigen wie durch ein Turbinensystem (2) mit Propeller (22) die Nachteile aus dem Stand der Technik behoben werden können. Dabei ist es für den Fachmann ersichtlich wie diese technische Umsetzung auf andere Fahrzeuge übertragbar ist. Die Hauptkomponenten des Turbinensystems (2) bestehen in diesem Beispiel aus einer Windturbine (232), einem Zugpropeller (222), einer Turbinenhalterung (29) umfassend einem Wind- schild (21 ). Windturbine (232) und Zugpropeller (222) sind bevorzugt nicht direkt mechanisch miteinander verbunden. Die Windturbine (232) ist mit einem Generator (233), der Zugpropeller (222) ist mit einem E-Motor (223), bevorzugt jeweils über eine Welle mechanisch miteinander verbunden. Die Rotationsdrehzahlen von Windturbine (232) und Zugpropeller (222) lassen sich dadurch unabhängig voneinander einstellen, was besonders vorteilhaft den erzeugten Staudruck stromauf vom WindShield Fahrzeug (1 ) minimiert. Im Bereich des Zugpropellers (222) liegt bevorzugt sowohl stromauf und -ab eine beschleunigte Fahrtwindströmung (26) vor, was aber die Wirkungsweise von Windturbine (232) und der stromab einhergehenden Querschnittserweiterung des ringförmigen Strömungskanals (27, s. Fig. 3) zur Verlangsamung der wandnahen Fahrtwindströmung (24), nicht beeinträchtigt. Stattdessen verbessert es die Wirkungsweise überraschenderweise, insbesondere bei Vorhandensein von natürlichen böigen Wind aus wechselnden Richtungen. Die Strömungsrichtung des energiearmen und geschwindigkeitsreduzierten wandnahen Fahrtwindes (24) wird stromab von der Windschildring- Hinterkante (213, s. Fig. 3) des Windschild-Ring (211 , s. Fig. 3) durch die energiereiche und schnelle Fahrtwindaußenströmung (25) sowie durch die Formgebung der Außenkontur des Windschilds (212, s. Fig. 3) vorgegeben. Insbesondere der Abströmwinkel an der Windschild- Ring-Hinterkante (213, s. Fig. 3) ist derart gewählt worden, dass der überwiegende Teil des wandnahen Fahrtwindes (24) bis zum Fahrzeugheck (11 ) kaum beschleunigt wird. Die Außenkontur des Windschilds (21 ) wird zunächst durch den Windschild-Ring (211 , s. Fig. 3) gebildet und ist nahezu kreisrund; stromab von der Windschildring-Hinterkante (213, s. Fig. 3) wird die Außenkontur durch das Windschild-Gehäuse (214, s. Fig. 3) gebildet, welches von einer nahezu kreisrunden Form weiter stromab in die Form der frontalen Projektionsfläche der Fahrzeugfront übergeht und bildet, wie in diesem Fall, ein abgerundetes Rechteck am Übergang zur Außenkontur des Sattelaufliegers (3). Das Windschild (21 ) ist mit Hilfe der Turbinenhalterung (29) in diesem speziellen Beispiel am Sattelauflieger (3) befestigt, dieses lässt sich aber optional auch direkt auf dem Chassis des LKWs (121 ) montieren.
Der an das Turbinensystem (2) anbaubare Zugpropeller (222) erzeugt nun stromauf einen wesentlich kleineren Staudruck bzw. keinen Staudruck. Der LKW-Motor wird beim Winds- Shield-Fahrzeug (1 ) weniger Leistung erzeugen müssen, um die aerodynamischen Widerstandkräfte zu überwinden als ein vergleichbares Standard-Fahrzeug. Das Turbinensystem (2) unterscheidet sich durch den Propeller (22) erheblich vom Stand der Technik.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug mit Turbinensystem
2 Turbinensystem
3 Sattelauflieger
4 Fahrzeug ohne Turbinensystem
11 Fahrzeugheck
12 Motorwagen
121 LKW mit Unterflurmotortechnik
21 Windschild
211 Windschild-Ring
212 Windschild-Außenkontur
213 Windschild-Ring-Hinterkante
214 Windschild-Gehäuse
215 Windschild-Innenkontur
22 Propeller
221 Propeller-Rotorblatt
222 Zugpropeller
223 E-Motor
23 Turbine
231 Turbinen-Rotorblatt
232 Windturbine
233 Generator
24 energiearmer Fahrtwind, wandnaher Luftstrom
25 energiereicher Fahrtwind, freier Luftstrom beschleunigter Fahrtwind ringförmiger Strömungskanal aerodynamische Leitbleche (Drall aus Strömung nehmen) Turbinenhalterung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Kombination aus Fahrzeug (4) und Turbinensystem (2) mit Windschild (21) und Propeller (22) mit dem Ziel der direkten Energieeinsparung durch Erzeugung eines Windschattens dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (22) einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine (23) aufweist, das Windschild (21) ein ringförmiges Gehäuse (214) ist, welches die Turbine (23) umrandet und eine Außenkontur (212) aufweist, deren Abstand zur Drehachse der Turbine (23) sich zu der dem Fahrzeug (4) zugewandten Seite vergrößert, wobei das Anwachsen des Abstandes zwischen der Innenkontur (215) des Windschildes (21) und der Drehachse der Turbine (23) durch einen Steigungswinkel von 1 ° bis 45° gekennzeichnet ist und die Außenkontur (212) des Windschildes (21) in der frontalen Projektion nicht kreisförmig ist, sondern an die Form der frontalen Projektionsfläche der Fahrzeugfront angepasst ist und bevorzugt ein abgerundetes Rechteck bildet, die Turbine (23) und der Propeller (22) mit Hilfe der Turbinenhalterung (29) an der Fahrzeugfront des Fahrzeuges (4) anbringbar ist.
2. Turbinensystem nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenhalterung (29) am Motorwagen (12) oder am Anhänger oder am Sattelauflieger (3) anbringbar ist.
3. T urbinensystem nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (22) ein Zugpropeller (222) ist, welcher einen Durchmesser zwischen 10% und 120%, bevorzugt zwischen 15% und 110% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 100% des Durchmessers der Turbine (23) aufweist.
4. T urbinensystem nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (23) eine Windturbine (232) ist.
5. T urbinensystem nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (22) 1 bis 7, bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt 3 Rotorblätter (221) aufweist.
6. T urbinensystem nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein LKW mit Unterflur-Motortechnik (121) (mit oder ohne Sattelauflieger (3)) oder (mit oder ohne Anhänger) ist, ein Fahrzeug mit Motorhaube (mit oder ohne Sattelauflieger (3)) oder (mit oder ohne Anhänger), ein Fahrzeug ohne Motorhaube (mit oder ohne Sattelauflieger (3)) oder (mit oder ohne Anhänger) ist.
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