Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Antriebseinheit. Die vorgeschlagene aerodynamische Antriebseinheit ist beispielsweise zum Antrieb eines Generators ausgebildet.

Durch die DE 689 03 773 T2 ist eine Strömungsmaschine bekannt, verwendbar als Pumpe, Kompressor, Triebwerk, Generator oder Antriebsturbine von einem Typ umfassend wenigstens eine als hohle Spirale gewundene Schaufel und wenigstens ein um die Rotationsachse der genannten Maschine angeordnetes Blatt, wobei Schaufel und Blatt in einer kreisförmigen Umhüllung enthalten sind, welche den Rotor äußerlich umhüllt, um einen Eintritt für ein Fluid zu bilden und dessen Entweichen zu verhindern, wobei einerseits das genannte Blatt vorne an seiner Außenkannte mit der genannten Schaufel zusammentrifft, wobei beide mit unterschiedlicher Steigung, aber gleichzeitig sowohl diametral als auch longitudinal gegenüber der Rotationsachse verlaufen, und wobei andererseits die am Vorderende des Rotors angeordnete kreisförmige Umhüllung Kompressionselemente für das Fluid aufweist, welche den für das Fluid verfügbaren relativen Raum nach hinten hin verringern, so dass das Fluid zuerst von den Schaufeln des Rotors in einen peripheren Fluss mitgenommen und durch die die Zufuhr des Fluids erzwingende kreisförmige Umhüllung komprimiert und dann von den Blättern des Rotors in einen zentralen Fluss kanalisiert wird.

Durch die WO 2017/002539 A1 ist ein Generator mit einer flachen Klingenplatte mit einer dreidimensionalen spiralförmigen Klinge bekannt, wobei die Klinge in einem flachen Plattenteil einen Spiralschlitz und an diesem Spiralschlitz eine verlängerte mittlere Teilseite aufweist.

Durch die WO 02/002935 A1 ist ein Fluidrotor für einen Spiral-Schraubenantrieb bekannt, wobei seine mindestens zwei Flügel in Form von logarithmischen ineinander verschlungenen und symmetrischen Schraubenspiralen ausgebildet sind, wobei deren Außenkanten mit Vollmaterial ausgekleidete Führungen aufweisen, die am Umfang dieser Flügel entweder auf der einen Seite oder auf der anderen oder sogar auf beiden Seiten gleichzeitig angebracht sind, wodurch spiralförmige und schraubenförmige Kanäle zum Führen des Flüssigkeitsstroms entstehen.

Durch die FR 2 963 813 A1 sind Turbinen-Turboschaufeln bekannt, bestehend aus einem geschlossenen Zentrifugalrad, das an seinem Einlass mit einem Schraubeninduktor versehen ist, dessen Schenkel einen zunehmenden Durchmesser hat und dessen Kanäle von außen durch kreisförmige Schaufeln gespeist werden, die ihn bedecken und so ausgerichtet sind, dass sie Flüssigkeit aufnehmen und füllen, wobei die Schenkel dieses Zentrifugalrades durchgehend von Flügeln des Zentrifugallaufrads fortgesetzt werden, dessen Flansche am Umfang eines Laufrads verlängert und nach hinten gekrümmt sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aerodynamische Antriebseinheit zu schaffen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die vorgeschlagene aerodynamische Antriebseinheit einen hohen energetischen Wirkungsgrad aufweist und praktisch wartungsfrei ist.

Die gefundene Lösung wird nachfolgend anhand von vier Figuren im Einzelnen beschrieben, wobei in den Figuren gleiche Bauteile oder gleiche Baugruppen jeweils mit einem selben Bezugszeichen bezeichnet sind. Anhand dieser Figuren werden Aufbau und Arbeitsweise der vorgeschlagenen aerodynamische Antriebseinheit näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen aerodynamischen Antriebseinheit; Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen aerodynamischen Antriebseinheit;

Fig. 3 eine Schaufel eines Rotors der in den Fig. 1 oder 2 dargestellten aerodynamischen Antriebseinheit in einer Querschnittsdarstellung;

Fig. 4 eine Anordnung mit mehreren aerodynamischen Antriebseinheiten.

Fig. 1 zeigt nur schematisch in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen aerodynamischen Antriebseinheit 01. Die aerodynamische Antriebseinheit 01 weist mindestens einen zu ihrem Vortrieb senkrecht angeordneten Flügel 02 und eine eine laminare, d. h. verwirbelungsfreie Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 auf, wobei der mindestens eine Flügel 02 in einem mit Luft gefüllten Raum, d. h. in einem Luftraum 04 mit atmosphärischem Luftdruck angeordnet ist. Die Richtung des Vortriebs ist in der Fig. 1 durch vertikale Richtungspfeile angedeutet. Die die laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 weist mindestens einen zum betreffenden Flügel 02 gerichteten Luftauslass 18 auf, der insbesondere vom Zentrum Z der die laminare Luftströmung erzeugenden Einrichtung 03 radial nach außen, d. h. zur Peripherie der aerodynamischen Antriebseinheit 01 gerichtet ist. Dieser Luftauslass 18 ist z. B. in Form einer Düse oder einer Anordnung aus mehreren Düsen ausgebildet. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist dieser Luftauslass 18 in der Form eines Ringspaltes ausgebildet. Die laminare Luftströmung ist jeweils den betreffenden Flügel 02 parallel zu seiner Oberseite anströmend gerichtet, wobei die Unterseite des betreffenden Flügels 02 von dieser laminaren Luftströmung freigehalten ist, d. h. nicht von einem von der Einrichtung 03 erzeugten Luftstrom angeströmt wird. Die Anströmrichtung des betreffenden Flügels 02 ist in der Fig. 1 jeweils durch einen horizontalen Richtungspfeil angedeutet. Die von der Einrichtung 03 erzeugte laminare Luftströmung überstreicht die Oberseite des betreffenden Flügels 02 und erzeugt dabei an der Oberseite des betreffenden Flügels 02 aufgrund eines sich einstellenden Venturi-Effektes im Vergleich zum atmosphärischen Luftdruck p2 an dessen Unterseite einen Unterdrück p1. Der in der Fig. 1 durch vertikale Richtungspfeile angedeutete Vortrieb dieser aerodynamischen Antriebseinheit 01 wird durch einen senkrecht zur Anströmrichtung des betreffenden Flügels 02 gerichteten und durch eine Luftdruckdifferenz |p2-p11 zwischen der Unterseite und der Oberseite des betreffenden Flügels 02 verursachten dynamischen Auftrieb erzeugt. Diese Luftdruckdifferenz |p2-p11 zwischen der Unterseite und der Oberseite des betreffenden Flügels 02 sollte bezogen auf den atmosphärischen Luftdruck p2 mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 10% betragen, d. h. der Luftdruck p1 an der Unterseite des betreffenden Flügels 02 sollte verursacht durch die Anströmrichtung dieses Flügels 02 um mindestens 5% bzw. mindestens 10% geringer sein als der atmosphärische Luftdruck p2. Der Auftrieb ist eine auf den betreffenden angeströmten Flügel 02 als Zugkraft wirkende Kraft, die aus einem Druckgradienten, d. h. einer statischen Druckdifferenz zwischen der Unterseite und der Oberseite des betreffenden angeströmten Flügels 02 resultiert.

Vorzugsweise weist die aerodynamische Antriebseinheit 01 ein Gehäuse 06 mit einem rotationssymmetrischen Querschnitt auf, wobei ihr Vortrieb axial zu einer durch das Zentrum Z der die laminare Luftströmung erzeugenden Einrichtung 03 verlaufenden Symmetrieachse 07 des Gehäuses 06 gerichtet ist. In einer bevorzugten Ausführung sind in ihrem Gehäuse 06 mindestens zwei zur Symmetrieachse 07 spiegelsymmetrisch angeordnete Flügel 02 angeordnet, wobei die laminare Luftströmung jeweils von der Symmetrieachse 07 radial zur Peripherie gerichtet ist. Der mindestens eine zum Vortrieb der aerodynamischen Antriebseinheit 01 senkrecht angeordnete und insbesondere starr mit ihrem Gehäuse 06 verbundene Flügel 02 weist vorzugsweise eine plane oder in Richtung des Vortriebs konvexe Oberflächengeometrie auf. Die die laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 beschleunigt ein vor Aktivierung der aerodynamischen Antriebseinheit 01 ruhendes und bei Aktivierung von ihr an ihrem Lufteinlass 14 angesogenes Luftvolumen derart, dass die laminare Luftströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise zwischen 30 m/s und bis zur Schallgeschwindigkeit von 330 m/s über die Oberseite des betreffenden Flügels 02 strömt. Vorzugsweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit der laminaren Luftströmung nach einer Aktivierung der aerodynamischen Antriebseinheit 01 , d. h. während ihres Betriebs, zwischen 150 m/s und 300 m/s.

Die die laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 ist insbesondere als eine einstufig oder mehrstufig rotierende Strömungsmaschine ausgebildet und weist z. B. einen Rotor 08 mit einer sich axial zur Symmetrieachse 07 des Gehäuses 06 erstreckenden Welle 12 auf. Der Rotor 08 rotiert mit einer Drehzahl z. B. von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere in einem Bereich zwischen 16.000 und 17.000 Umdrehungen pro Minute. Die Welle 12 des Rotors 08 ist z. B. von einem Elektromotor 11 angetrieben, wobei dieser Elektromotor 11 von einer der aerodynamischen Antriebseinheit 01 zugeordneten (nicht dargestellten) Steuereinheit insbesondere in seiner Drehzahl gesteuert oder geregelt ist. Die Welle 12 des Rotors 08 ist vorzugsweise beidendig gelagert, insbesondere in mindestens einem Luftlager 09, d. h. in einem aerostatischen Lager gelagert. Ein Luftlager ist deshalb besonders vorteilhaft, weil ein Luftlager 09 die Welle 12 in einem zwischen Welle 12 und Lagerstelle ausgebildeten Lagerspalt ohne mineralölbasierte oder synthetische Schmierstoffe berührungsfrei trägt und damit verschleißfrei und wartungsfrei ist. Der Rotor 08 weist z. B. mindestens eine Schaufel mit einer vorzugsweise hyperbolisch geformten axial zur Symmetrieachse 07 des Gehäuses 06 angeströmten Schaufelfläche 19 auf (Fig. 3). Vorteilhafterweise ist mindestens eine den Rotor 08 einhausende Luftleitfläche 13 vorgesehen. Die die laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 weist an ihrem Lufteinlass 14 vorzugsweise mindestens ein dort angeordnetes den betreffenden Lufteinlassquerschnitt variabel einstellbares Ventil 16 auf, wobei dieses Ventil 16 z. B. von der Steuereinheit fernbetätigt und z. B. in der Bauart eines Proportionalventils ausgebildet ist. Die mindestens eine Schaufel des Rotors 08 und/oder die den Rotor 08 einhausende Luftleitfläche 13 und/oder das Gehäuse 06 der aerodynamischen Antriebseinheit 01 sind z. B. aus einem metallischen Werkstoff wie Stahl oder Aluminium oder vorzugsweise aus Carbon ausgebildet. In dem Gehäuse 06 der aerodynamischen Antriebseinheit 01, das zumindest die die laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung 03 z. B. hermetisch umschließt, ist vorzugsweise eine z. B. durch Kanäle ausgebildete Rückführung 17 der entlang der Oberfläche des betreffenden Flügels 02 geströmten laminaren Luftströmung zum Lufteinlass 14 der die laminare Luftströmung erzeugenden Einrichtung 03 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt gleichfalls nur schematisch in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen aerodynamischen Antriebseinheit 01 , wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Anströmung der Oberfläche des jeweiligen Flügels 02 jeweils gleichgerichtet von beiden Enden der Welle 12 des Rotors 08 aus erfolgt.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung der Schaufel des Rotors 08 nur schematisch in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung. In einer bevorzugten Ausbildung ist die axial zur Symmetrieachse 07 des Gehäuses 06 aus Richtung des Lufteinlasses 14 der die laminare Luftströmung erzeugenden Einrichtung 03 angeströmte Schaufelfläche 19 in Form einer z. B. hyperbolischen oder archimedischen oder logarithmischen Spirale ausgebildet. In der Fig. 3 deutet ein Drehrichtungspfeil die Drehrichtung der Schaufel des Rotors 08 an. Vorzugsweise sind entlang der Spirallinie der Schaufelfläche 19 nacheinander mehrere, z. B. fünf bis sieben jeweils quer zur Strömung der vom Rotor 08 angesogenen Luft verlaufende Nuten 22 ausgebildet. Diese Nuten 22 sind vorzugsweise jeweils als eine Dreiecksnut ausgebildet, wobei jede Dreiecksnut z. B. eine in Drehrichtung der Schaufel des Rotors 08 nachlaufende radial zur Welle 12 abfallende erste Flanke 23 und eine in Drehrichtung der Schaufel des Rotors 08 vorlaufende vom Nutengrund schräg in einem spitzen Winkel zur Spirallinie der Schaufelfläche 19 verlaufende zweite Flanke 24 aufweist.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit mehreren, z. B. vier der zuvor beschriebenen aerodynamischen Antriebseinheiten 01 gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist jede dieser aerodynamischen Antriebseinheiten 01 radial zu einer außerhalb ihres jeweiligen Gehäuses 06, insbesondere zentral angeordneten Welle 21 vorzugsweise in gleichmäßiger Winkelaufteilung angeordnet und mit dieser außerhalb ihres jeweiligen Gehäuses 06 angeordneten Welle 21 z. B. über Stege 26 oder sonstige Verbindungselemente fest verbunden. Die außerhalb des jeweiligen Gehäuses 06 der aerodynamischen Antriebseinheiten 01 angeordnete Welle 21 ist vorzugsweise einen (nicht dargestellten) Generator antreibend ausgebildet. Ein Drehrichtungspfeil deutet in der Fig. 4 die Drehrichtung der von den in diesem Beispiel vier symmetrisch angeordneten aerodynamischen Antriebseinheiten 01 angetriebenen Welle 21 an.

Bezugszeichenliste

01 aerodynamische Antriebseinheit

02 Flügel

03 eine laminare Luftströmung erzeugende Einrichtung

04 Luftraum

05

06 Gehäuse

07 Symmetrieachse

08 Rotor

09 Lager; Luftlager

10

11 Elektromotor

12 Welle

13 Luftleitfläche

14 Lufteinlass

15

16 Ventil

17 Rückführung

18 Luftauslass

19 Schaufelfläche

20

21 Welle

22 Nut

23 erste Flanke

24 zweite Flanke

25

26 Steg p1 Unterdrück p2 atmosphärischer Luftdruck

Z Zentrum