Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibenläuferturbine zur Umwandlung der Enthalpie eines strömenden Fluids in mechanische Leistung sowie eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, welche eine

Scheibenläuferturbine umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie und eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie.

Scheibenläuferturbinen sind auch unter dem Begriff Tesla Turbinen bekannt. Nikola Tesla meldete eine solche Turbine erstmals unter der Nummer US1061206 1911 zum Patent an.

Scheibenläuferturbinen, wie in obiger Patentschrift beschrieben, umfassen

üblicherweise mehrere kreisförmige Scheiben, welche auf einer Welle parallel zueinander angeordnet sind. Die Scheiben werden an ihren radialen

Außenbereichen tangential von einem Fluid angeströmt, wobei das Fluid eine

Flüssigkeit, ein Dampf oder ein Gas sein kann. Grenzschichteffekte zwischen der Scheibe und dem strömenden Fluid führen zu einer Energieübertragung vom Fluid auf die Scheibe. Das Fluid wird in Folge der Schubspannung zwischen Scheibe und Fluid an der Scheibe vollständig abgebremst und sowohl radial als auch tangential bewegt, so dass eine spiralförmige Bahnkurve entsteht. Durch axiale Auslässe im wellennahen Bereich verlässt es die Turbine wieder. -Der nutzbare Anteil der übertragenen mechanischen Energie erfolgt nur durch die Tangentialströmung, wohingegen der Radialanteil Verluste infolge von Dissipation erzeugt.

Scheibenläuferturbinen zeichnen sich durch eine einfache und robuste Bauweise aus. Darüber hinaus können mit ihnen sehr hohe Drehzahlen realisiert werden. Dabei wirken auf die Scheiben in Abhängigkeit von ihrer Dichte sehr hohe Fliehkräfte. Die Lebensdauer einer Scheibenläuferturbine hängt somit in starkem Maße von der Materialauswahl und den Fertigungstoleranzen der Scheiben ab. Der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Unwuchten ist allerdings umso geringer, je mehr Scheiben parallelgeschaltet sind. Zur Vermeidung von Unwuchten ist es bei Scheiben aus Stahl beispielsweise empfehlenswert, dass diese mit sehr

gleichmäßiger Massenverteilung ausgeführt sind und keine Materialschwächen, wie bespielweise Lunker, Schweißnähte oder Schwachstellen im Materialgefüge aufweisen. Dies ist umso bedeutsamer, je höher die Temperatur des Fluids ist, mit dem die Turbinen beaufschlagt wird, insbesondere wenn die thermische Belastung zyklisch auftritt, da dies zu thermo-mechanischer Ermüdung des Materials führen kann.

Die sich aus den oben genannten Aspekten ergebenden hohen Fertigungs- und Betriebskosten haben dazu geführt, dass Scheibenläuferturbinen über einen langen Zeitraum kaum weiterentwickelt wurden. Neue Materialien und Fertigungsmethoden machen jedoch die Weiterentwicklung von derartigen Turbinen wirtschaftlich erneut interessant. In jüngerer Zeit wurde beispielsweise in der Patentschrift US 7695242 B2 eine Scheibenläuferturbine zur Nutzung von Windenergie offenbart, welche sich durch Strömungsleitelemente im radialen Außenbereich der Scheiben auszeichnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Scheibenläuferturbine, eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie und eine effiziente Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, die mit einem einen hohen Wirkungsgrad betreibbar sind.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Scheibenläuferturbine nach

Anspruch 1 zur Umwandlung der inneren Energie eines strömenden gasförmigen Fluids in mechanische Leistung sowie durch eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie nach Anspruch 12 und eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie nach Anspruch 13 gelöst. Darüber hinaus zeigt die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung

chemischer Energie in mechanische Energie nach Anspruch 14 sowie ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie nach Anspruch 15 auf. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Scheibenläuferturbine werden in den

Unteransprüchen 2-11 dargelegt.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Scheibenläuferturbine zur Umwandlung der Enthalpie eines strömenden gasförmigen Fluids in mechanische Leistung, wobei die Scheibenläuferturbine zumindest einen rotierbar gelagerten rotationssymmetrischen Grundkörper zur tangentialen Beaufschlagung mit dem strömenden gasförmigen Fluid zwecks im Wesentlichen Mitnahme des Grundkörpers in eine

Rotationsbewegung, sowie ein mit dem Grundkörper rotationsfest gekoppeltes Abtriebselement, insbesondere eine Nabe, zum Anschluss an ein anzutreibendes Aggregat umfasst. Dabei ist der Grundkörper wenigstens an seiner radialen

Außenseite zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer geringen Dichte p <0,5 kg/dm ³ ausgebildet.

Die Dichteangabe bezieht sich dabei auf einen Körper, der durch das Material mit der geringen Dichte ausgebildet ist, und nicht die Dichte der einzelnen Faser des

Materials geringer Dichte.

Ein strömendes gasförmiges Fluid im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Gas, wobei ein Dampf nicht ausgeschlossen ist. Die Enthalpie eines strömenden gasförmigen Fluids bezeichnet die gesamte Energie, welche für einen

thermodynamischen Umwandlungsprozess zur Verfügung steht und stellt das thermodynamische Potential des Fluids dar.

Die Scheibenläuferturbine umfasst eine, alternativ auch mehrere zueinander parallel angeordnete, rotierbar gelagerte rotationssymmetrische Grundkörper. Bevorzugt handelt es sich bei dem Grundkörper um eine Scheibe oder einen Zylinder, beziehungsweise um einen hohlzylindrischen Körper. Der Grundkörper ist so gelagert, dass er rotierbar ist, was bedeutet, dass er um eine zentrale Achse, die senkrecht zur radialen Erstreckung des Grundkörpers verläuft, drehbar ist. Zu diesem Zweck ist der Grundkörper rotationsfest mit einem Abtriebselement bzw. einer Nabe verbunden. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass der Grundkörper selbst die Nabe ausbildet und somit die funktionellen Elemente von Grundkörper und Nabe in einen Bauteil vereint sind.

Der Innendurchmesser eines hohlzylindrischen Grundkörpers entspricht dabei mindestens dem Wellendurchmesser. Der äußere Durchmesser sowie die Dicke, also die Ausdehnung in axialer Richtung, des Grundkörpers ermitteln sich rechnerisch aus Basis der Festigkeits- und Kontinuitätsgesetze. Zur Minimierung der Dissipation infolge der Radialströmung können weitere Optimierungsregeln angewendet werden.

Der Grundkörper ist dazu eingerichtet, durch tangentiale Beaufschlagung mit einem strömenden gasförmigen Fluid, an seiner radialen Außenseite in eine

Rotationsbewegung um seine zentrale Mittelachse versetzt zu werden. Die radiale Außenseite bezeichnet die Mantelfläche eines rotationssymmetrischen

Grundkörpers. Das Fluid wird tangential im Wesentlichen an diese radiale

Außenseite geleitet. Durch Grenzflächeneffekte zwischen dem Grundkörper und dem Fluid, insbesondere durch Adhäsion, kommt es zu einer Mitnahme des

Grundkörpers. Das bedeutet, dass es dort, wo sich Fluid und Grundkörper berühren, zu einem Energieübertrag durch molekulare Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Phasen kommt, wodurch der Grundkörper in Rotation versetzt wird. Die Energieübertragung zwischen Fluid und Grundkörper ist dabei unter anderem abhängig von der Viskosität, insbesondere der dynamischen Viskosität, des Fluids.

Je hoher die Viskosität, umso besser ist die Energieübertragung.

Durch die Energieübertragung an den Grundkörper wird das Fluid verlangsamt und radial in Richtung der Drehachse des Grundkörpers gelenkt. Die oben beschriebenen Energieübertragungsmechanismen wirken dabei weiter, so dass in der Folge das Fluid in einer spiralförmigen Bahn in Richtung auf die Drehachse des Grundkörpers abgelenkt wird.

Das Abtriebselement bzw. die Nabe dient dem Anschluss an ein anzutreibendes Aggregat, wie beispielsweise an einen Generator und damit dazu, die

Bewegungsenergie des Grundkörpers einer weiteren Nutzung zuzuführen.

In einer Ausführungsform sind mehrere Grundkörper auf einer Achse im

Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den

Grundkörpern wird so bemessen, dass eine möglichst geringe Dissipation durch die Radialbewegung erzeugt wird und andererseits die tangentiale Bewegung eine möglichst hohe Schubspannung erzeugt, wobei die Strömung vorzugsweiser laminar bleibt. Die erfindungsgemäße Scheibenläuferturbine zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper wenigsten an seiner radialen Außenseite zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer Dichte von weniger als 0,5 kg/dm ³ ausgebildet ist.

Mit anderen Worten umfasst ein äußerer Bereich oder auch ein äußerer Ring des Grundkörpers wenigstens teilweise ein Material geringer Dichte. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass der gesamte Grundkörper in allen radialen Bereichen wenigstens teilweise das Material geringer Dichte umfasst.

Bevorzugt hat das Material geringer Dichte eine Dichte von weniger als 1 kg/m ³ , besonders bevorzugt von weniger als 0,5 kg/m ³ .

Das Material geringer Dicht ist dabei vorteilhafterweise porös. Mit anderen Worten verfügt das Material geringer Dichte über einen hohen Volumenanteil an im

Wesentlichen offenen Poren. Vorteilhafterweise ist die Porosität des Materials geringer Dichte in dem Teil des Grundkörpers, der aus ebendiesem Material ausgeführt ist, im Wesentlichen gleich. In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Material geringer Dichte die Filament- bzw. Faserstruktur eines porösen

Schwamms auf.

Der Vorteil einer hohen Porosität besteht unter anderem darin, dass das gasförmige Fluid im Inneren des Grundkörpers durch die von den Poren ausgebildeten

Hohlräume vom radial äußeren Bereich des Grundkörpers in Richtung

Rotationsachse strömt und die Energieübertragung auf den Grundkörper zumindest teilweise an den Porenwänden bzw. an den Filamenten des Materials geringer Dichte erfolgt. Dabei ist es möglich, dass die Strömung im Inneren des Grundkörpers im Wesentlichen laminar ist.

Im Unterschied zu herkömmlichen Scheibenläuferturbinen strömt das Fluid somit nicht ausschließlich an der äußeren Oberfläche einer rotierenden Scheibe bzw. in den Spalten zwischen jeweils zwei rotierenden Scheiben, sondern auch im inneren des Grundkörpers, welcher somit auch als eine einzige vergleichsweise dicke und für das Fluid durchlässige Scheibe ausgeführt sein kann.

Diese Ausführung des Grundkörpers oder von Teilen des Grundkörpers aus einem Material geringer Dichte führt ferner zu einem entsprechend geringen Gewicht des Grundkörpers. Ein geringes Gewicht geht mit einem geringen Massenträgheitsmoment und geringen Fliehkräften bei der rotatorischen Bewegung des Grundkörpers einher, wodurch sehr hohe Drehzahlen und

Umfangsgeschwindigkeiten erreichbar sind. Entsprechend ist es möglich, eine erfindungsgemäße Turbine mit sehr geringen Abmaßen mit einer herkömmlichen mechanischen Leistung bzw. mit einer Turbine mit herkömmlichen Abmaßen eine außergewöhnlich hohe mechanische Leistung zu erzielen. Dabei ist die mechanische Belastung der Komponenten der Turbine im Vergleich deutlich verringerbar, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Darüber hinaus wirkt sich das geringe Massenträgheitsmoment vorteilhaft auf eine flexible Regelung der Drehzahl im Betrieb aus, da die Turbine im Vergleich mit herkömmlichen Turbinen aus

beispielsweise metallischen Werkstoffen schneller auf Änderungen der

Betriebsparameter reagiert. Die ist beispielsweise beim Anfahren der Turbine vorteilhaft

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der unter Verwendung des Materials geringer Dichte ausgeführte Bereich des Grundkörpers so ausgeführt ist, dass das Material geringer Dichte über den Umfang im jeweiligen Radius regelmäßig und/oder homogen verteilt ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der Dichteunterschied, und damit einhergehend der Masseunterschied, über den Umfang des Grundkörpers im

Wesentlichen nicht oder lediglich in regelmäßigen Abständen variiert.

Es ist grundsätzlich möglich, die erfindungsgemäße Turbine, bei umgekehrter Strömungsrichtung und einer entsprechenden Führung bzw. Lenkung der Strömung des Fluids im Hinblick auf das Einleiten des Fluids in die Anlage, auch als Pumpe zu betreiben.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Material geringer Dichte ein kohlenstoffbasiertes Leichtbaumaterial, insbesondere Graphen. Insbesondere kann das Material geringer Dichte vollständig aus dem kohlenstoffbasierten

Leichtbaumaterial bestehen.

Ein kohlenstoffbasiertes Leichtbaumaterial im Sinne der Erfindung besteht ganz oder teilweise aus einer Kohlenstoffkomponente.

Kohlenstoffbasiert bedeutet im Sinne der Erfindung insbesondere, dass für die Erfindung wesentliche Eigenschaften wie Dichte und mechanische Festigkeit auf die Kohlenstoffkomponente zurückzuführen sind und nicht, dass die Kohlenstoffkomponente den größten auf die Masse bezogenen Anteil des kohlenstoffbasierten Leichtbaumaterial ausmacht.

Die Kohlenstoffkomponente liegt beispielswiese als Kohlenstoffröhrchen und/ oder Fullerene vor und basiert strukturell auf Graphit oder Graphen.

Kompositmaterialien, welche wenigstens teilweise ein Kohlenstoffkomponente umfassen, sind ebenfalls möglich, wobei vorteilhafterweise der Anteil an

kohlenstoffbasiertem Leichtbaumaterial X«K ZU weiteren Bestandteilen des Komposits XWB XKK/XWB > 0,5 Vol% beträgt. Als weitere Komponente kommen beispielsweise Polymere in Frage.

Eine Möglichkeit im Sinne der Erfindung besteht in der Verwendung von Aerographit als kohlenstoffbasiertes Leichtbaumaterial. Aerographit zeichnet sich durch eine Dichte von weniger als 0,4 kg/m ³ aus. Aerographit basiert auf einem Netzwerk aus Kohlenstoffröhrchen mit einem jeweiligen Durchmesser von wenigen Nanometern.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Material geringer Dichte Graphen .

Graphen ist eine Kohlenstoffverbindung, welche, im Gegensatz zu Graphit, eine zweidimensionale Struktur aufweist. Die Kohlenstoffatome sind in der Ebene wabenförmig angeordnet. Die chemische Struktur des Graphen führt zu einer mehr als 100 mal höheren Zugfestigkeit als Stahl bei einer Dichte von weniger als 0,2 kg/m ³ . Zudem weist Graphen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 4000 W/(m K) auf.

Hinsichtlich des Grundkörpers der Erfindung lassen sich im Vergleich mit anderen Materialien durch die Verwendung von Graphen deutlich geringere

Massenträgheitsmomente und Fliehkräfte realisieren.

Graphen kann z. B. in Form von Aerographen verwendet werden.

In einer speziellen Ausführung liegt das kohlenstoffbasierte Leichtbaumaterial zumindest teilweise in mechanisch und/oder chemisch miteinander verbundenen Fasern vor.

Fasern im Sinne der Erfindung meint Kohlenstoffasern, insbesondere

Kohlenstoffnanoröhren. Die einzelnen Fasern sollten bevorzugt einen Durchmesser von weniger als 5 nm, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 nm aufweisen. Bei Kohlenstofffasern, die auf Graphen als Ausgangstoff basieren, handelt es sich um eine Verformung des in seiner Grundform zweidimensionalen Graphens, welches gebogen oder gefaltet ist. Der Vorteil kleiner Durchmesser besteht darin, dass sich an den Fasern eine laminare Strömung einstellt beziehungsweise, dass es bei der Umströmung der Fasern im Wesentlichen nicht zu einer Ablösung der Stromlinien kommt. Mit anderen Worten stellen sich Bedingungen einer Schleichströmung ein. Eine typische, die Strömung charakterisierende Reynoldszahl liegt beispielsweise bei weniger als 0,1 , wobei sich die Reynoldszahl aus dem Produkt der

Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluids, dem Faserdurchmesser und dem

reziproken Wert der kinematischen Viskosität des gasförmigen Fluids ergibt. Eine Reynoldszahl von 0,1 , stellt sich rechnerisch beispielsweise unter folgend

Bedingungen ein:

Dichte Graphenkörper 10 kg/m ³

Festigkeit Graphenkörper 1000 MPa

Max. äußere Umfangsgeschwindigkeit 10000 m/s

Durchmesser Faser/Filament 1 nm

Kinematische Zähigkeit Fluid 0,0001 m ² /s

Darüber hinaus bilden die Fasern in einer weiteren Ausführungsform geordnet oder ungeordnet einen Körper aus, insbesondere an der radialen Außenseite

rotationssymmetrischen Grundkörper.

Die Fasern werden mechanisch und/ oder chemisch miteinander verbunden. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass die Verbindung der Fasern unter Vermittlung von Zusatzstoffen erfolgt, welche entweder im durch die Fasern ausgebildeten Körper verbleiben oder wieder entfernt werden.

Eine Möglichkeit zur Ausbildung des Körpers besteht darin, das Material geringer Dichte, insbesondere das kohlenstoffbasierte Leichtbaumaterial, mittels 3D-Druck erfindungsgemäß auszuformen. Für diese Möglichkeit der Ausbildung des Körpers kommen sowohl Fasern als auch andere Ausprägungsformen der

Kohlenstoffkomponente wie z.B. Schuppen oder Fullerene, in Frage. In einer

Ausgestaltungsform wird der Köper aus dem Material geringer Dichte auf den übrigen Grundkörper beispielsweise mittels 3D-Druck aufgedruckt. In einer anderen Ausgestaltungsform stellt der Körper aus dem Material geringer Dichte ein separates Bauteil dar, welches mechanisch durch Formschluss oder adhäsiv, dass bedeutet über eine klebende Verbindung, mit dem übrigen Grundkörper verbunden ist.

Fasern können auch in ungeordneter Anordnung zu einem Flies, Filz oder einem Gewirr sowie in geordneter Anordnung zu einem Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirk geformt werden, aus welchen wiederum der Körper ausgebildet wird. Es ist dabei nicht ausgeschlossen, mehrere der genannten Anordnungen von Fasern zu kombinieren und/oder den Körper aus Schichten gleicher oder unterschiedlicher Faseranordnungen aufzubauen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass der Grundkörper vollständig aus dem Material geringer Dichte, insbesondere Graphen, ausgebildet ist.

Der Vorteil einer vollständigen Ausführung des Grundkörpers in Graphen besteht neben dem geringst möglichen Gewicht des Grundkörpers in einer reduzierten Anzahl an Verbindungsstellen und Verbindungselementen und damit einer

reduzierten Anzahl an potentiellen mechanischen Schwachstellen.

In einer weiteren Ausführungsform der Scheibenläuferturbine ist der Grundkörper in einem radialen Außenbereich aus dem Material geringer Dichte, insbesondere Graphen, ausgebildet, welches auf der radialen Außenseite eines Trägerelements der Scheibenläuferturbine angeordnet ist, wobei die maximale radiale Erstreckung des Trägerelements r _t zum Radius des gesamten Grundkörpers r _g in einem

Verhältnis von r _t /r _g = 0,2 bis 0,5 steht.

Mit anderen Worten ist der Grundkörper in dieser Ausführungsform derart gestaltet, dass radial von innen nach außen betrachtet zunächst eine Nabe als Bestandteil eines Trägerelements und an dieses anschließend ein Körper aus dem Material geringer Dichte angeordnet ist, wobei das Trägerelement und die Nabe als eine bauliche Einheit ausgeführt sein können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das

Trägerelement, mit anderen Worten der mittlere Ring des Grundkörpers, wenigstens 20% höchstens jedoch 50% des Gesamtradius des Grundkörpers umfasst.

Vorteilhafterweise ist das Trägerelement ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet, insbesondere als Zylinder oder Hohlzylinder. Eine weitere alternative Ausgestaltung ist eine radial alternierende Anordnung des Materials geringer Dichte mit einem weiteren, anderen Material, insbesondere einen Leichtmetall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einem Schichtaufbau.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Trägerelement in einem innersten Bereich durch eine Nabe, in einem daran radial anschließenden mittleren Bereich durch mehrere axial nebeneinander angeordnete, insbesondere in Scheibenform

ausgebildete, Stege realisiert ist und mit den Stegen in einem radial äußeren Bereich das Material geringer Dichte mechanisch fest verbunden ist.

Dabei kann zwischen den Stegen sowie dem Material geringer Dichte ein weiterer Rotationskörper, insbesondere ein Hohlzylinder angeordnet sein, der sowohl mit den Stegen als auch dem Material geringer Dichte mechanisch fest verbunden ist und der Fixierung der Stege in Bezug zum Material geringer Dichte dient

In dieser Ausgestaltung ist der mittlere Bereich des Grundkörpers in der Art gestaltet, dass in wenigstens einer, bevorzugt jedoch mehreren zur Achse senkrechten

Ebenen in einem Bereich zwischen Nabe und Material geringer Dichte Stege angeordnet sind. Dabei sind in einer Ebene wenigstens zwei sich in radialer

Erstreckung gegenüberliegende Stege angeordnet. Grundsätzlich ist eine beliebige Anzahl von Stegen möglich, wobei diese vorteilhafterweise in regelmäßigen

Abständen über den Umfang des Grundkörpers bzw. des Trägerelements verteilt sind. Die Anordnung der Stege in einer zweiten, zur jeweiligen ersten benachbarten parallelen Ebene kann gegenüber dieser in Rotationsrichtung versetzt sein. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Anzahl der Stege je Ebene variiert, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Stege zur mittleren aller parallelen Ebenen von den beiden äußersten Ebenen aus kontinuierlich zu- oder abnimmt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung des radial mittleren Bereichs des Trägerelements besteht in einer Gewichtsreduzierung.

In Scheibenform ausgebildete Stege können als flache Vollzylinder ausgeführt sein, welche parallel zueinander angeordnet sind. Es ist dabei möglich, dass die Scheiben Aussparungen zur weiteren Gewichtsreduktion aufweisen, wobei die Aussparungen vorteilhafterweise regelmäßig über den Umfang des jeweiligen Radius verteilt sind. Besagte Aussparungen können beispielweise runde oder ovale Löcher sein.

Eine Kombination aus Scheiben und Stegen ist ebenfalls möglich. Dabei sind Anzahl, Abmaße und Abstand der jeweiligen Stege bzw. Scheiben in Abhängigkeit der Drehzahl, den Materialeigenschaften der Stege bzw. Scheiben und den Materialeigenschaften des Grundkörpers ab.

Das Trägerelement umfasst in seinem radial äußeren Bereich einen Rotationskörper zur mechanischen Fixierung eines Körpers aus einem Material geringer Dichte. Das bedeutet, dass der Rotationskörper an seiner radialen Außenseite dazu eingerichtet ist, an oder auf ihm einen Körper aus einem Material geringer Dichte zu befestigen. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass das Material geringer Dichte mit dem

Rotationskörper unlösbar verbunden ist, das heißt eine bauliche Einheit darstellt. Es ist beispielsweise denkbar, dass das Material geringer Dichte auf den

Rotationskörper fest aufgebracht ist, z. B. durch aufdrucken, und dieser dann mechanisch mit dem zentralen Bereich des Trägerelements verbunden ist. An seiner radial inneren Seite ist der Rotationskörper mit den Stegen und/oder Scheiben des Trägerelements verbunden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Scheibenläuferturbine in ihrem radial inneren Bereich zumindest eine Strömungsleiteinrichtung zur axialen Ableitung des Fluids auf.

Dass die Strömungsleiteinrichtungen in einem radial inneren Bereich angeordnet sind bedeutet, dass sie auf einem Radius r, zur Rotationsachse liegen, wobei n/r _g < 0,3.

Das gasförmige Fluid, welches den oder die Grundkörper tangential anströmt, wird spiralförmig auf der axial ausgerichteten Oberfläche des Grundkörpers nach innen ins Zentrum beziehungsweise zur Drehachse des Grundkörpers hin abgeleitet.

Während der spiralförmigen Ableitung gibt das Fluid weiterhin Energie und Wärme an den Grundkörper ab. Die Strömungsleiteinrichtung im inneren Bereich der Scheibenläuferturbine dient dazu, das strömende Fluid aus der Turbine abzuleiten. Dies kann beispielsweise über Aussparungen am Rotationskörper, insbesondere an der Nabe, ermöglicht werden, welche ein zur Achse paralleles Ausströmen des Fluids im Turbinenzentrum zulassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zumindest eine Strömungsleiteinrichtung ganz oder teilweise an der Welle

vorzusehen, sofern die Turbine an eine solche angeschlossen ist, so dass eine Ableitung des Fluids über die Welle selbst möglich ist. Das strömende Fluid verlässt die Scheibenläuferturbine energieärmer und mit geringerer Wärme als es in sie eingetreten ist. Es ist davon auszugehen, dass näherungsweise 70% der inneren Energie des strömenden Fluids in mechanische Energie mittels einer Scheibenläuferturbine umgesetzt werden können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Scheibenläuferturbine ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse wenigstens einen Einströmbereich zur Realisierung einer tangentialen Anströmung des Grundkörpers umfasst. An den Einströmbereich schließt zur Realisierung einer tangentialen Anströmung ein

Strömungsleitungsbereich an, dessen Querschnitt sich mit zunehmender Entfernung entlang der Strömungslinien des Fluids in Strömungsrichtung vom Einströmbereich verringert.

Mit anderen Worten erfolgt die Anströmung des Grundkörpers mittels des

Einströmbereichs zunächst in einer zur Ausrichtung der Drehachse senkrechten Richtung und ist auf den äußeren Rand des Grundkörpers gerichtet. An den

Einströmbereich schließt sich ein Strömungsleitbereich an. Dieser ist so gestaltet, dass die Strömung des Fluids am Grundkörper entlanggeführt wird. Das bedeutet, dass der Strömungsleitbereich eine der runden Form des Grundkörpers angepasste Form aufweist. Dabei verjüngt sich der Strömungsleitbereich vorzugsweise kontinuierlich. Die Strömung wird demzufolge entlang ihres Wegs entlang des rotierenden Grundkörpers verdichtet. Dies wird beispielweise dadurch realisiert, dass die Innenwandung eines den Grundkörper umgebenden Gehäuses kontinuierlich abschnittsweise spiralförmig dem Grundkörper angenähert ist. Die Ausgestaltung führt zu einer effektiveren Ausnutzung der Energie des strömenden Fluids.

Tangential den Grundkörper anströmendes Fluid wird so durch den

Strömungsleitungsbereich an der Außenseite des Grundkörpers geführt, wobei es bedingt durch den Fluid-Druck sowie durch die Verringerung des zur Verfügung stehenden Raums zwischen dem Grundkörper und einer Gehäuseinnenwandung mit Vergrößerung des Abstandes vom Einströmbereich von der radialen Außenseite des Grundkörpers verdrängt wird und axial seitlich des Grundkörpers an diesem in Richtung radial nach innen strömt.

Es ist möglich, mehrere Einströmbereiche mit anschließendem Strömungsleitbereich zur Beaufschlagung des Grundkörpers mit strömendem Fluid vorzusehen, wobei diese bevorzugt so anzuordnen sind, dass sie gleichmäßig über den Umfang des Grundkörpers verteilt sind. Bevorzugt verfügt eine Scheibenläuferturbine über zwei sich radial gegenüberliegende Einströmbereiche. Bei einer Ausführungsform mit mehreren Grundkörpern sollte jeder Grundkörper mittels eines oder mehrerer eigenen Anströmbereiche mit Fluid beaufschlagt werden.

Des Weiteren besteht eine Ausführungsform der Scheibenläuferturbine darin, dass das Material zumindest eines den Grundkörper radial umgebenden Bestandteils des Gehäuses wenigstens teilweise ein Material geringer Dichte, insbesondere Graphen, ist.

Bevorzugt ist das Gehäuse im den Grundkörper umgebenden Bereich vollständig aus Graphen gefertigt, wodurch dem Gehäuse und damit der Scheibenläuferturbine insgesamt eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht verliehen wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, welche eine Verbrennungseinrichtung zur

Umwandlung chemischer Energie in Enthalpie eines Fluides, sowie eine

erfindungsgemäße Scheibenläuferturbine, welche strömungstechnisch mit der Verbrennungseinrichtung gekoppelt ist, umfasst, so dass von der

Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid mit erhöhter innerer Energie der Scheibenläuferturbine zuleitbar ist und die Scheibenläuferturbine unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids antreibbar ist.

Dabei handelt es sich bei dem Fluid um das Rauchgas der Verbrennungseinrichtung selbst oder ein Fluid auf welches die Energie des Rauchgases übertragen wird. Es ist daher nicht ausgeschlossen, dass die Verbrennungsanlage des Weiteren über einen Wärmetauscher verfügt, welcher das Fluid zur Verfügung stellt.

Darüber hinaus ist es möglich, dass die Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie einen Verdichter aufweist, welcher mit der

Scheibenläuferturbine mechanisch gekoppelt ist und der von der

Scheibenläuferturbine antreibbar ist, um der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Brenngas und / oder von der Verbrennungseinrichtung erzeugtes Abgas, welches der Scheibenläuferturbine zuzuleiten ist, zu komprimieren.

Ein weiterer Aspekt ist eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie umfassend eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie sowie einen Generator, der rotationsfest mit dem Abtriebselement der Scheibenläuferturbine gekoppelt ist, so dass von der Scheibenläuferturbine zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator in elektrische Energie zumindest anteilig umwandelbar ist.

Ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, bei dem mittels einer Verbrennungseinrichtung chemische Energie in Enthalpie eines Fluides umgewandelt wird und von der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid mit erhöhter innerer Energie einer mit der Verbrennungseinrichtung strömungstechnisch gekoppelten erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine zugeleitet wird und diese unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids angetrieben wird, stellt einen Verfahrensaspekt der vorliegenden

Erfindung dar.

Das Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie wird entsprechend mit der beschriebenen Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie durchgeführt.

Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine ist bevorzugt ein strömendes gasförmiges Fluid für den Betrieb der Scheibenläuferturbine zu verwenden, welches einen Anteil von oxidativen Komponenten, insbesondere von Sauerstoff, von weniger als 5 Vol% aufweist, insbesondere sofern der Grundkörper und/ oder das Gehäuse ganz oder teilweise Graphen umfasst. Besonders bevorzugt sind für den Betrieb der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine im Verfahren zur Umsetzung chemischer Energie in mechanische Energie Edelgase oder

Edelgasgemische als anströmendes Fluid zu verwenden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie kann ein Verhältnis des Durchmessers D des Grundkörpers zum Verfahrensdruck p von D/p <2,5 ^* 10 ³ , insbesondere von D/p <1 ,3*10 ³ bestehen, wobei der Druck p in bar und der Durchmesser D in Meter zu messen sind. Das bedeutet, dass bei einem für Turbinen herkömmlichen Druck p von zum Beispiel p = 300 bar ein Durchmesser des Grundkörpers D = 0,4 m ausreichend ist, um einen hocheffizienten Betrieb zu ermöglichen, und dabei mit nur einer

Turbinenstufe bzw. mit nur einem Grundkörper im Wesentlichen die vorliegende innere Energie des anströmenden Fluids in mechanische Energie umzuwandeln. Dabei ergibt sich der äußere Durchmesser des Grundkörpers aus den Abströmungbedingungen derart, dass die Geschwindigkeit des strömenden Fluids in radialer Richtung im radial inneren Bereich des Grundkörper, insbesondere im Bereich der Strömungsleiteinrichtung etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit an diesem radialen Bereich ist. Das Verhältnis von äußerem Durchmesser des

Grundkörpers zum Durchmesser der Welle ist bevorzugt 5 zu 1.

Die Umfangsgeschwindigkeit des Grundkörpers an seiner radialen Außenseite kann näherungsweise aus der Wurzel des Quotienten aus Materialfestigkeit und

Materialdichte bestimmt werden. Die Umfangsgeschwindigkeit an der Welle ergibt sich entsprechend durch Multiplikation mit dem Verhältnis des Wellendurchmessers zum Durchmesser des Grundkörpers.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, bei dem das erfindungsgemäße

Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie

durchgeführt wird und zur Verfügung gestellte mechanische Energie einem

Generator zugeführt wird, der rotationsfest mit dem Abtriebselement der

Scheibenläuferturbine gekoppelt ist, so dass von der Scheibenläuferturbine zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator in elektrische Energie zumindest anteilig umgewandelt wird.

Entsprechend wird das Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie durchgeführt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine in axialer Ansicht, Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine im Schnitt in Ansicht senkrecht zur Achse der Turbine und

Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine in Ansicht senkrecht zur Achse der Turbine mit Trägerelement.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine 10 in Ansicht entlang der Drehachse 28 der Scheibenläuferturbine 10. Im Zentrum der Scheibenläuferturbine 10 ist eine Welle 90 angeordnet. Das gasförmige Fluid strömt über die zwei Einströmbereiche 61 von links und rechts in die Turbine ein und strömt einen Grundkörper 20 tangential an. An die Einströmbereiche 61 schließt sich jeweils ein Strömungsleitungsbereich 62 an, welcher sich kontinuierlich verjüngt. Die Verjüngung wird realisiert durch die Annäherung der inneren Wandung des

Gehäuses 60 an den rotierenden Grundkörper 20. Im Zentrum der dargestellten Scheibenläuferturbine 10 sind vier Strömungsleiteinrichtungen 26 angeordnet, welche dem Auslass des gasförmigen Fluids in axialer Richtung dienen. An die Welle 90 schließt sich eine Nabe 27 an.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine 10 als Schnittansicht senkrecht zur Drehachse 28. Im Zentrum der Scheibenläuferturbine 10 ist die Welle 90 und darauf die Nabe 27 angeordnet. Zu sehen ist der Grundkörper 20, welcher in radialer Richtung, von seiner radialen Außenseite 21 begrenzt ist. Die

Scheibenläuferturbine 10 ist insgesamt nach außen durch das Gehäuse 60 begrenzt. Entsprechend der Darstellung in Figur 1 sind oben und unten zwei Einströmbereiche 61 ersichtlich.

Sowohl Figur 1 als auch Figur 2 stellen eine Ausführungsform dar, in der der

Grundkörper 20 vollständig mittels eines kohlenstoffbasierten Leitbaumaterials ausgeführt ist.

Figur 3 zeigt in derselben Ansicht wie Figur 2 eine Ausführung der

Scheibenläuferturbine 10, bei der sich an die Nabe 27 ein mit Stegen 36

ausgeführtes Trägerelement 30 anschließt. Die Stege 36, welche auch als Scheiben ausgeführt sein können, stellen den radial mittleren Bereich des Trägerelements 30 dar. Dabei schließt an die radiale Außenseite 31 des Trägerelements 30 ein Körper 39 an, welcher aus einem kohlenstoffbasierten Leichtbaumaterial ausgeführt ist. Der mittlere Bereich des Trägerelements 30 und der Körper 39 sind mechanisch miteinander verbunden. Das Trägerelement 30 hat eine maximale radiale Erstreckung 35. Ebenso ist der Radius 25 des gesamten Grundkörpers 20 ersichtlich. Wie bereits in Figur 2 sind auch hier das Gehäuse 60 und die zwei Einströmbereiche 61 zu erkennen.

Bezugszeichenliste

10 Scheibenläuferturbine

20 Grundkörper

21 radiale Außenseite des Grundkörper

25 Radius des gesamten Grundkörpers

26 Strömungsleiteinrichtung

27 Nabe

28 Drehachse

30 Trägerelement

31 radiale Außenseite des Trägerelements

35 maximale radiale Erstreckung des Trägerelements

36 Stege

39 Körper

60 Gehäuse

61 Einströmbereich

62 Strömungsleitungsbereich

90 Welle