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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer antreibbaren Welle und einem auf der Welle angeordneten Antriebselement, wobei das Antriebselement mindestens einen Antriebsflügel aufweist.
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Derartige Antriebseinheiten sind an sich bekannt. Insbesondere bei Wasserfahrzeugen besteht ein bekanntes Problem im vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Beim herkömmlichen Schiffspropeller sind die Flügel sternförmig um die Welle angeordnet und verwinden sich in radialer Richtung bis hin zu den Flügelspitzen. Nach dem Helmholtz'schen Wirbelsatz entstehen dabei Wirbelfäden, die nach hinten abknicken und sich schraubenförmig ineinander verdrehen, was einen großen Teil der eingebrachten Energie vernichtet.
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Es wurden verschiedene Varianten von Strahlantrieben vorgeschlagen, um den Wirkungsgrad derartiger Antriebseinheiten zu verbessern, bspw. in der
DE 344 976 , der
EP 0 657 348 B1 und der
DE 103 31 354 A1 . All diese Varianten haben das gemeinsame Merkmal, dass ein äußerer Zylinder die Antriebseinheit umhüllt. Dies reduziert die Wirbelbildung in gewissen Grenzen, so dass der Wirkungsgrad dieser Antriebe gegenüber dem herkömmlichen Propellerantrieb geringfügig verbessert ist. Dies entspricht jedoch nicht den modernen Anforderungen an energiesparende Antriebssysteme.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine gattungsgemäße Antriebseinheit so weiterzuentwickeln, dass ihr Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Propeller- und Strahlantrieben verbessert ist.
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Die Lösung besteht in einer Antriebseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der mindestens eine Antriebsflügel im Querschnitt eine konvexe äußere und eine konkave innere Flächenkante aufweist, in sich verwunden und wendelförmig mit radialem Abstand um die Welle angeordnet ist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Antriebselement für eine derartige Antriebseinheit sowie ein mit einer derartigen Antriebseinheit ausgestattetes Wasserfahrzeug.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit bzw. das erfindungsgemäße Antriebselement zeichnen sich dadurch aus, dass der mindestens eine Antriebsflügel einen Hohlraum um die Welle beschreibt, den er im Betrieb aufgrund seiner Rotation als äußere Hülle umgibt. An der Peripherie dieses Hohlraums ist im Betrieb während der Rotation ein Unterdruck ausgebildet, so dass ein Antriebsmedium, bspw. Wasser bei Wasserfahrzeugen, von allen Seiten in den Hohlraum gesogen wird. Dadurch baut sich im Hohlraum ein Überdruck auf, so dass sich das Antriebsmedium zu einem weitgehend laminaren Strahl formt, der als Schubstrahl (Jet) aus dem Antriebselement austritt und so den Vorschub leistet. Eine schädliche und Energie verzehrende Wirbelbildung wird dadurch weitgehend vermieden. Der Wirkungsgrad ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit bzw. das erfindungsgemäße Antriebselement können sowohl in der Länge als auch im Durchmesser in beliebigen Abmessungen verwirklicht werden. Ferner kann die Zahl der Antriebsflügel frei gewählt werden. Daher sind die erfindungsgemäße Antriebseinheit bzw. das erfindungsgemäße Antriebselement universell einsetzbar und für eine Vielzahl von Fahrzeugen unterschiedlichster Größe zum Einsatz in verschiedenen Antriebsmedien geeignet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der radiale Abstand des mindestens einen Antriebsflügels zur Welle kann konstant oder variabel gestaltet sein. Bspw. kann die äußere Kontur trichter- oder zylinderförmig ausgestaltet sein. Die äußere Kontur kann aber auch eine beliebige Überfangsform zwischen einer Trichterform und einer Zylinderform annehmen. Damit lässt sich das Verhältnis von äußerem Unterdruck und innerem Überdruck weiter variieren.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der mindestens eine Antriebsflügel im Querschnitt gewölbt ist oder im Querschnitt ein Tragflächenprofil aufweist Insbesondere mit dem an sich bekannten Tragflächenprinzip, wie es bspw. im Querschnitt einer Tragfläche eines Flugzeugs verwirklicht ist, ist ein besonders effektiver Aufbau des äußeren Unterdrucks bzw. inneren Überdrucks möglich.
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Der mindestens eine Antriebsflügel kann ein beliebig gestaltetes freies Ende aufweisen. Bevorzugt ist ein spitz zulaufend oder flächig ausgebildetes freies Ende. Die flächige Ausbildung kann u. a. rund, flach, bogenförmig oder gerade gestaltet sein.
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Vorzugsweise kann der mindestens eine Antriebsflügel in seinem der Welle zugewandten Bereich mindestens eine Wirbelnase aufweisen. Diese Wirbelnase kann einstückig in den Antriebsflügel eingearbeitet oder als separates Bauteil auf den Antriebsflügel aufgesetzt sein. Die Wirbelnase bildet im Betrieb im Hohlraum kleine Wirbel, die dazu dienen, im Betrieb ggf. im Hohlraum auftretenden Restwirbeln entgegenzuwirken und diese zu eliminieren.
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Ferner kann ein Stabilisierungsring vorgesehen sein, der im Bereich eines freien Endes des mindestens einen Antriebsfügels angeordnet ist und zur weiteren Stabilisierung des weitgehend laminaren Schubstrahls beiträgt. Der Stabilisierungsring kann feststehend, bspw. am Fahrzeug befestigt, oder bevorzugt mit dem mindestens einen Antriebsflügel mitdrehend ausgebildet sein. Wenn mindestens zwei Antriebsflügel mit freien Enden vorgesehen sind, kann der Stabilisierungsring mit den freien Enden verbunden sein und diese zusätzlich stabilisieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Düse vorgesehen ist, die im Bereich eines freien Endes des mindestens einen Antriebsflügels koaxial zur Welle angeordnet ist Diese Düse dient dazu, den Schubstrahl zu beschleunigen und zusätzlich zu stabilisieren, so dass der Wirkungsgrad weiter erhöht wird. Bevorzugt ist die Düse als Laval-Düse ausgebildet. Die Düse kann feststehend, bspw. am Fahrzeug befestigt, oder bevorzugt mitdrehend mit dem Antriebselement verbunden sein.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein Turbinenrad im Bereich des mindestens einen Antriebsflügels frei drehbar auf der Welle angeordnet ist. Das Turbinenrad dient ebenfalls der Beschleunigung des Schubstrahls. Hierfür ist es besonders zweckmäßig, dass am Turbinenrad Turbinenschaufeln ausgebildet und angeordnet sind, derart, dass das Turbinenrad entweder mit der Drehrichtung oder entgegen der Drehrichtung des mindestens einen Antriebsflügels drehbar ist.
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Statt eines Turbinenrades kann ein Leitrad im Bereich des mindestens einen Antriebsflügels fest auf der Welle angeordnet sein, so dass der Schubstrahl zwangsgeführt und auf diese Weise zusätzlich stabilisiert ist.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit weist zweckmäßigerweise eine Nabe auf, die auf der Welle angeordnet ist, wobei der mindestens eine Antriebsflügel mit der Nabe verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit bzw. das erfindungsgemäße Antriebselement ist besonders für Wasserfahrzeuge geeignet.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebselements in einer Seitenansicht;
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2 das Antriebselement gemäß 1 in einer Frontansicht;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebselements in einer Frontansicht;
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4 ein Turbinenrad für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer Frontansicht;
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5 das Turbinenrad gemäß 4 in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebselements 10. Das Antriebselement 10 weist eine Nabe 11 und im Ausführungsbeispiel drei Antriebsflügel 12a, 12b, 12c auf, die mit der Nabe 11 verbunden, bspw. verschweißt, sind. Das Antriebselement 10 wird mit seiner Nabe 11 auf eine Welle 13, bspw. eines Wasserfahrzeugs, geschoben und mit dieser verbunden, so dass sich eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 20 ergibt. Die Antriebsflügel 12a, 12b, 12c weisen im Ausführungsbeispiel spitz zulaufende freie Enden 17a, 17b, 17c auf.
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Jeder Antriebsflügel 12a, 12b, 12c weist in seinem Querschnitt eine äußere, d. h. der Welle 13 abgewandte konvexe Flächenkante 14a und eine innere, d. h. der Welle 13 zugewandte konkave Flächenkante 14b auf (siehe 2). Jeder Antriebsflügel 12a, 12b, 12c ist somit derart gewölbt, dass er eine nach außen gewandte, d. h. der Welle 13 abgewandte, konvexe Fläche 15a und eine nach innen gewandte, der Welle 13 zugewandte, konkave Fläche 15b aufweist. Im Ausführungsbeispiel entspricht der Querschnitt jedes Antriebsflügels 12a, 12, 12c dem der Tragfläche eines Flugzeugs. Diese Form ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Jeder Antriebsflügel 12a, 12b, 12c ist ferner in sich verwunden und zugleich wendelförmig in radialem Abstand zur Welle 13 um diese herum angeordnet. Die Verwindung jedes Antriebsflügels 12a, 12b, 12c bewirkt, dass seine äußere konvexe Fläche 15a im Wesentlichen von der Welle 13 abgekehrt und im Betrieb dem Antriebsmedium, bspw. Wasser bei einem Wasserfahrzeug, zugekehrt ist Die Verwindung und die wendelförmige Anordnung jedes Antriebsflügels 12a, 12b, 12c bewirken gemeinsam, dass ein Hohlraum 16 um die Welle 13 herum beschrieben wird, wobei die inneren konkaven Flächen 15b jedes Antriebsflügels 12a, 12b, 12c im Wesentlichen diesem Hohlraum 16 zugekehrt sind.
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Wesentlich ist ferner, dass die Form des Querschnitts jedes Antriebsflügels 12a, 12b, 12c bewirkt, dass im Betrieb, also während der Rotation des Antriebselements 20, gemäß den Prinzipien der Fluiddynamik außerhalb des Hohlraums 16, d. h. benachbart zu den konvexen äußeren Flächen 15a jedes Antriebsflügels 12a, 12b, 12c sich ein Unterdruck aufbaut. Dieser Unterdruck bewirkt, dass das Antriebsmedium, bspw. Wasser bei einem Wasserfahrzeug, in den Hohlraum 16 gesogen wird, so dass sich dort ein Überdruck aufbaut. Dadurch wird ein im Wesentlichen laminarer Schubstrahl (Jet) gebildet (angedeutet durch Pfeile A), der im Bereich der freien Enden 17a, 17b, 17c der Antriebsflügel 12a, 12b, 12c aus der Antriebseinheit 20 austritt und den Vorschub leistet, der das Fahrzeug antreibt. Die Energie verzehrende Bildung von Wirbeln wird weitgehend vermieden.
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Für den Fall, dass im Hohlraum 16 dennoch Restwirbel entstehen, können an den Antriebsflügeln 12a, 12b, 12c in ihrem der Welle 13 zugewandten Bereich eine oder mehrere Wirbelnasen 18a, 18b vorgesehen sein (in 1 strichpunktiert angedeutet). Die Wirbelnasen können einstückig in die Antriebsflügel 12a, 12b, 12c eingearbeitet sein (Wirbelnase 18a) oder als separates Bauteil auf die Antriebsflügel 12a, 12b, 12c aufgesetzt sein (Wirbelnase 18b). Im Betrieb bilden sich an den Kanten der Wirbelnasen 18a, 18b kleine Wirbel, welche den im Hohlraum entstehenden Restwirbeln entgegen wirken und diese eliminieren.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebselements 110 für eine Antriebseinheit 120, das im Wesentlichen dem Antriebselement 10 gemäß den 1 und 2 entspricht, so dass auf die Beschreibung hierzu verwiesen wird. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Antriebselement 110 einen Stabilisierungsring 121 aufweist, der im Ausführungsbeispiel mit den freien Enden 17a, 17b, 17c der Antriebsflügel 12a, 12b, 12c verbunden ist. Der Stabilisierungsring 121 dient zur weiteren Stabilisierung des im Wesentlichen laminaren Schubstrahls. Der Stabilisierungsring kann auch am Fahrzeug selbst befestigt sein, bspw. mittels Streben (nicht dargestellt).
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Die 4 und 5 zeigen ein Turbinenrad 22, welches mittels einer Lagerbuchse 24 auf die Welle 13 der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 20 aufgeschoben sein kann und frei drehbar ist. Das Turbinenrad 22 weist eine beliebige Anzahl, im Ausführungsbeispiel vier, Turbinenschaufeln 23 auf, die im Ausführungsbeispiel mit der Lagerbuchse 24 verbunden sind. Die Turbinenschaufeln 23 sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie vom Antriebsmedium im Betrieb entgegengesetzt zur Drehrichtung der Antriebsflügel 12a, 12b, 12c angetrieben werden. Dies bewirkt eine weitere Stabilisierung sowie eine Beschleunigung des Schubstrahls.
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Statt eines Turbinenrads kann auch ein bspw. baugleiches, fest auf der Welle 13 sitzendes Leitrad vorgesehen sein, welches den sich im Hohlraum 16 bildenden Schubstrahl bündelt und führt (nicht dargestellt)
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 220 mit einem Antriebselement 210, in welchem sowohl ein Stabilisierungsring 121 als auch ein Turbinenrad 22 (strichpunktiert angedeutet) angeordnet sind. Ferner ist am Stabilisierungsring 121 eine Düse 225 befestigt, die im Ausführungsbeispiel verjüngt ausgebildet ist und dazu dient, den Schubstrahl zu bündeln und zu beschleunigen. Die Düse kann beliebig, bspw. auch als Laval-Düse (d. h. mit einem sich in Richtung des Schubstrahls zunächst verengenden und dann sich erweiternden Querschnitt) ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel ist die Düse 225 mit dem Antriebselement 210 mitdrehend verbunden. Die Düse kann aber auch feststehend ausgebildet, bspw. mit dem Schiffskörper verbunden sein (nicht dargestellt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 344976 [0003]
- EP 0657348 B1 [0003]
- DE 10331354 A1 [0003]
