DE102018001424A1

DE102018001424A1 - Turbine system in a vehicle with the aim of saving energy by creating a wind shadow

Info

Publication number: DE102018001424A1
Application number: DE102018001424.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-18
Filing date: 2018-02-18
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinensystem zur Treibstoffeinsparung bei einem Fahrzeug, wobei das Turbinensystem eine Turbine, eine axiale Schubausgleichsvorrichtung (SAV) und eine Turbinenhalterung mit einem Windschild umfasst, wobei die SAV mindestens 30%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 100% der Axialkraft von der Turbine kompensiert und die Windturbine mit Hilfe der Turbinenhalterung an der Fahrzeugfront und/oder an einem Fahrgestell vor der Fahrzeugfront anbringbar oder angebracht ist.The invention relates to a turbine system for fuel saving in a vehicle, wherein the turbine system comprises a turbine, an axial thrust balance device (SAV) and a turbine mount with a windshield, the SAV at least 30%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 100% of the axial force compensated by the turbine and the wind turbine with the aid of the turbine mount on the front of the vehicle and / or mounted on a chassis in front of the vehicle front or attached.

Description

Die Erfindung betrifft ein an ein Fahrzeug anbaubares Turbinensystems mit dem Ziel der direkten Energieeinsparung durch Erzeugung eines Windschattens.The invention relates to a mountable to a vehicle turbine system with the aim of direct energy savings by generating a wind shadow.

Hintergrund und Stand der TechnikBackground and state of the art

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 .The potential use of wind energy in vehicles with the help of wind turbines by utilizing the dynamic pressure energy has inspired various inventions, eg 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.In US 2008/0011523 A1 describes a wind turbine in the front of a commercial vehicle, which covers a significant area of the vehicle front. The wind turbine is intended to convert some of the dynamic pressure energy into mechanical energy without significantly increasing the vehicle's resistance to movement. The disadvantage is that the energy savings can be achieved only by additional components to be grown, which make it possible to use the mechanical energy either for example for the propulsion of the vehicle or to store them first, for example, by conversion into electrical energy and their storage in a battery ,

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.The potential use of wind energy in vehicles and the subsequent use of the lower-energy wind to reduce the aerodynamic vehicle resistance is so far only in WO 2017/125409 been proposed.

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 die Energieeinsparung nicht direkt sondern mithilfe noch zusätzlich anzubauender Komponenten erreicht wird. In einem beschriebenen Anwendungsfall in WO 2017/125409 muss die vom Turbinensystem bereitgestellte mechanische Energie mithilfe eines Generators in Strom umgewandelt und dann an einzelne LKW-typische Stromverbraucher (Kühlanlage, Klimaanlage, elektrische Radnaben-Motor etc.) verteilt werden. Ein weiterer Nachteil tritt insbesondere bei sehr windschnittigen Fahrzeugen (mit sehr kleinen Cw-Wert) auf. Das Windrad (Teil des Turbinensystems) erzeugt zusätzliche axiale Kräfte, welche entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeuges wirken und insbesondere bei windschnittigen Fahrzeugen (sehr kleiner Cw-Wert) nicht mehr durch den reduzierten Windwiderstandseffekt aufgrund des energieärmeren Fahrtwinds kompensiert werden können. Ein erheblicher Teil der erzeugten Energie von der Windturbine muss daher in den Antriebsstrang eingespeist werden, um das entstandene Kräfteungleichgewicht aufzuheben. Damit steigt die Komplexität der Konstruktion.In WO 2017/125409 is a wind turbine of similar size in the front of a commercial vehicle as in US 2008 / 0011523 A1 described, with the only difference that this is additionally equipped with a windshield to allow the low-energy wind to flow optimally around the vehicle and thus significantly reduce the aerodynamic vehicle resistance. The windshield largely covers the projection surface of the vehicle front. In this design, energy savings are achieved even in extremely streamlined vehicles (very low Cw value), and differs from the US due to the expanded scope of application 2008 / 0011523 A1 , Another disadvantage of this design is as in US 2008 / 0011523 A1 that the energy saving is achieved not directly but with the help of additional components to be grown. In a described application in WO 2017/125409 The mechanical energy provided by the turbine system must be converted into electricity by means of a generator and then distributed to individual truck-typical power consumers (cooling system, air conditioning, electric hub motor, etc.). Another disadvantage occurs especially in very streamlined vehicles (with very small Cw value). The wind turbine (part of the turbine system) generates additional axial forces, which counteract the direction of travel of the vehicle and can no longer be compensated by the reduced wind resistance effect due to the lower-energy wind, especially in streamlined vehicles (very small Cw value). A significant portion of the energy generated by the wind turbine must therefore be fed into the drive train to cancel the resulting power imbalance. This increases the complexity of the design.

Da, wie bei diesen Ausführungen, die Energie mehrfach umgewandelt wird,

a) Die Windturbine entzieht dem Luftstrom einen Teil seiner kinetischen Energie und wandelt diese in nutzbare, vorzugsweise in mechanische oder elektrische, Energie um und speist diese zum Teil wieder in den Antriebsstrang des Fahrzeuges zur Kompensation der Windturbinen-Schubkräfte ein,

sind Energieverluste unvermeidbar.Since, as with these remarks, the energy is converted several times,

a) The wind turbine removes part of its kinetic energy from the airflow and converts it into usable, preferably mechanical or electrical, energy and partially feeds it back into the vehicle drivetrain to compensate for wind turbine thrust forces.

Energy losses are inevitable.

Im bekannten Stand der Technik wird durch die Kombination und entsprechender Anordnung von einem Turbinensystem und einem Fahrzeug somit zwar eine Treibstoff-Einsparung erzielt, aber nur wenn folgende Nachteile in Kauf genommen werden:

1. Die Staudruckenergie bzw. Fahrtwindenergie lässt sich nur dann in nutzbare Energie umwandeln, wenn dadurch der Bewegungswiderstand des Fahrzeuges nicht signifikant ansteigt.
2. Die Energieeinsparung nur realisiert werden kann, wenn die Energie durch eine mechanische Welle oder durch Umwandlung in elektrischen Strom an die Verbraucher weitergeleitet wird. Dies erhöht den technischen Aufwand und insbesondere die Energieverluste (z.B. aufgrund mehrfacher Energie-Umwandlung).

In the known state of the art, a fuel saving is thus achieved by the combination and corresponding arrangement of a turbine system and a vehicle, but only if the following disadvantages are accepted:

1. The dynamic pressure energy or wind energy can only be converted into usable energy if this does not significantly increase the resistance to movement of the vehicle.
2. The energy savings can only be realized if the energy is passed through a mechanical wave or by conversion into electricity to the consumers. This increases the technical complexity and in particular the energy losses (eg due to multiple energy conversion).

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.It was therefore an object of the invention to provide a system which satisfies the stated disadvantages of the prior art, in particular those of the described turbine system WO 2017/125409 eliminated.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.The object of the invention is achieved in a preferred embodiment by the independent claims. The dependent claims, as well as the embodiments of the description part relate to preferred embodiments of the invention.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Turbinensystem zur Treibstoffeinsparung bei einem Fahrzeug, wobei das Turbinensystem eine Turbine, eine Turbinenhalterung mit einem Windschild sowie eine „axiale Schubausgleichsvorrichtung“ (SAV) bevorzugt inklusive Getriebe umfasst, wobei die Turbine und das Windschild zusammen eine Querschnittsfläche aufweisen, welche mindestens 60%, bevorzugt mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% der frontalen Projektionsfläche des Fahrzeuges beträgt und die Turbine mit Hilfe der Turbinenhalterung an der Fahrzeugfront und/oder an einem Fahrgestell vor der Fahrzeugfront anbringbar ist. Der Aufbau des Turbinensystems ist bis auf die SAV identisch mit dem beschriebenen Turbinensystem in PCT/ EP2017/050936 .In a preferred embodiment, the invention relates to a turbine system for fuel saving in a vehicle, wherein the Turbine system includes a turbine, a turbine support with a windshield and an "axial thrust compensation device" (SAV) preferably including gear, wherein the turbine and the windshield together have a cross-sectional area which at least 60%, preferably at least 80% and particularly preferably at least 90% of frontal projection of the vehicle is and the turbine with the help of the turbine mount on the front of the vehicle and / or on a chassis in front of the vehicle front is attachable. The construction of the turbine system is identical to the described turbine system in PCT except for the SAV. EP2017 / 050936 ,

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Turbinensystem, welche bis auf eine zusätzliche axiale Schubausgleichsvorrichtung inklusive Getriebe und eine Motor - Generator-Kombination mit integrierter aufladbarer Batterie identische Komponenten, wie in PCT/ EP2017/050936 beschrieben, umfasst.In a preferred embodiment, the invention relates to a turbine system which, apart from an additional axial thrust balancing device including a gearbox and a motor-generator combination with integrated rechargeable battery, has identical components as in PCT / US Pat. EP2017 / 050936 described includes.

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 die SAV nutzbare Energie bereitstellt. Bevorzugt wird die Windturbine bei einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zur Rotation angetrieben. Als SAV wird bevorzugt ein Axialverdichter verstanden, welcher bevorzugt durch die nutzbare Energie der Turbine angetrieben wird. Der Axialverdichter erzeugt beim Durchströmen eine Axialkraft in Fahrtrichtung, welcher die unerwünschte Axialkraft der Turbine kompensiert und gleichzeitig den Staudruck im Frontbereich der Turbine minimiert.For the application of the turbine system for saving fuel in vehicles with a travel speed of up to about 400 km / h, a turbine is preferably understood as a wind turbine or a wind turbine, which is driven by the wind and thereby usable for the vehicle and for the SAV Provides energy. Preferably, the wind turbine is driven during a forward movement of the vehicle for rotation. As SAV is preferably understood an axial compressor, which is preferably driven by the usable energy of the turbine. The axial compressor generates when flowing through an axial force in the direction of travel, which compensates for the undesirable axial force of the turbine and at the same time minimizes the back pressure in the front region of the turbine.

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 die SAV und bzw. oder an den Motor des Fahrzeuges weitergeleitet werden und bzw. 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.The term "turbine" is preferably understood to mean rotary fluid machinery which converts a part of the kinetic energy of the air flowing into the vehicle during travel into mechanical power, i. in particular transferred to the rotation of a wave. This mechanical power in the form of the rotating shaft can be forwarded directly to the SAV and / or to the engine of the vehicle and / or the generation of electric 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 called the axis of rotation.

Unter dem Begriff „axiale Schubausgleichsvorrichtung“ (Abk. SAV) werden bevorzugt rotierende Strömungsmaschinen verstanden, welche eine aerodynamische Axialkraft (Schubkraft) in Fahrtrichtung des Fahrzeuges erzeugen und gleichzeitig ein gasförmiges Medium, bevorzugt Luft, komprimieren und bevorzugt entgegen der Fahrtrichtung wieder ausblasen. Die SAV 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 Ausführungsformen der SAV sind ein- oder mehrstufige Axialverdichter. Die zentrale Achse der rotierenden Bauelemente der SAV, z.B. Rotorblätter, wird auch als Drehachse bezeichnet.The term "axial thrust compensation device" (abbr. SAV) is preferably understood as meaning rotating turbomachines which generate an aerodynamic axial force (thrust force) in the direction of travel of the vehicle and at the same time compress a gaseous medium, preferably air, and preferably blow it out again counter to the direction of travel. The SAV is preferably over a direct mechanical connection e.g. a gear and / or a shaft to the turbine or electrically e.g. powered by an electric motor. Preferred embodiments of the SAV are single-stage or multistage axial compressors. The central axis of the rotating components of the SAV, e.g. Rotor blades, is also called the axis of rotation.

Unter dem Begriff „Motor-Generator Kombination mit integrierter aufladbarer Batterie“ wird bevorzugt ein elektrisch betriebener Motor verstanden, welcher auch gleichzeitig als Generator zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, wie ein elektrischer Motor auch als elektrischer Generator verwendet werden kann. Als Ausführungsbeispiel ist ein Gleichstrommotor mit Permanentmagnetstator genannt. Die elektrisch erzeugte Energie des Generators kann in einer aufladbaren Batterie (z.B. Autobatterie) gespeichert werden.The term "motor-generator combination with integrated rechargeable battery" is preferably understood to mean an electrically operated motor, which can also be used simultaneously as a generator for power generation. The person skilled in various embodiments are known, as an electric motor can also be used as an electric generator. As an embodiment, a DC motor is called with permanent magnet stator. The electrically generated energy of the generator may be stored in a rechargeable battery (e.g., car battery).

Unter dem Begriff der „Querschnittsfläche der Turbine bzw. SAV“ wird bevorzugt die projizierte Rotationsfläche der Turbine bzw. SAV verstanden, welche die Turbine bzw. SAV bei einer Projektion entlang der senkrechten Achse zur Rotationsrichtung der Turbine bzw. SAV umfasst. Im Falle einer Windturbine bzw. eines Windrades umfassend Rotorblätter mit einer Länge L entspricht die Querschnittsfläche bevorzugt Π 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. SAV entspricht somit im Sinne der Erfindung nicht der statischen Querschnittsfläche der Turbine bzw. SAV im Stillstand sondern quantifiziert jene Fläche der Turbine bzw. SAV, welche die Turbine bzw. SAV während der Rotation aufspannt.The term "cross-sectional area of the turbine or SAV" is preferably understood to mean the projected rotational surface of the turbine or SAV, which comprises the turbine or SAV in a projection along the vertical axis to the rotational direction of the turbine or SAV. In the case of a wind turbine or a wind turbine comprising rotor blades with a length L, the cross-sectional area preferably corresponds to Π 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 farthest from this axis (tip of the rotor blade). The cross-sectional area of the turbine or SAV thus does not correspond in the sense of the invention to the static cross-sectional area of the turbine or SAV at standstill but quantifies that area of the turbine or SAV which spans the turbine or SAV during the rotation.

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.The term "cross-sectional surface of the windshield and the turbine" is preferably understood to mean the transverse surface which is clamped together by the windshield and the turbine. Since the windshield surrounds the turbine in cross-section to the direction of travel, the common cross-sectional area of the windshield and the turbine preferably corresponds to the transverse surface, which is spanned by the outer contour of the windshield. Particularly preferably, the windshield is, for example, an annular housing which surrounds the turbine. Here, the inner diameter of the windshield is greater than the outer diameter of the turbine, which corresponds in the case of a wind turbine, the length of the rotor blades. The outer contour of the annular 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 a possible should ensure complete coverage of the vehicle front.

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.For the purposes of the invention, the term "vehicle front" is preferably used to designate the component of the vehicle which is located in the forward direction of the vehicle. Preferably, the term vehicle front comprises the entire front surface of the vehicle on which the airstream acts during the movement of the vehicle.

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 Fortbewegung des Fahrzeuges 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.For the purposes of the invention, the term "the frontal projection surface of the vehicle" preferably refers to that surface which the vehicle has when a two-dimensional projection of the vehicle takes place along the axis of the locomotion of the vehicle. The frontal projection surface of the vehicle is therefore preferably a quantification of the frontal surface of the vehicle, which is acted upon by the driving wind in the sense of the invention.

Bei der Fortbewegung bekannter Fahrzeuges ohne eine erfindungsgemäße Turbine kommt es zu einer Generation eines Staudruckes vor der Fahrzeugfront und zu Luft-Verwirbelungen beim Entlangströmen des Fahrtwindes an der Fahrzeugoberfläche. Der Staudruck bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Erhöhung des Druckes vor der Fahrzeugfront in Abhängigkeit der Fahrtgeschwindigkeit. Luft-Verwirbelungen bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt durch die an der Fahrzeugoberfläche mitgerissenen und damit beschleunigte Luftströmungen, welche durch eine höhere kinetische Energie charakterisiert sind. Die Größe der aufgenommenen kinetischen Energie ist abhängig u.a. von der Formgebung, Oberflächenbeschaffenheit sowie von der Fahrtgeschwindigkeit. Der Staudruck sowie die Luft-Verwirbelungen wirken der Fahrzeugbewegung entgegen und erhöhen somit die Widerstandskraft, welche der Antrieb des Motors aufbringen muss, um eine Fortbewegung zu ermöglichen (vgl. Equ. 1).In the movement of known vehicle without a turbine according to the invention, there is a generation of dynamic pressure in front of the vehicle front and air turbulence when flowing along the wind on the vehicle surface. The back pressure referred to within the meaning of the invention preferably an increase in the pressure in front of the vehicle front in dependence on the driving speed. For the purposes of the invention, air turbulence is preferably characterized by the air flows entrained on the vehicle surface and thus accelerated, which are characterized by a higher kinetic energy. The size of the absorbed kinetic energy depends u.a. from the shape, surface condition and the speed of travel. The back pressure as well as the air turbulences counteract the vehicle movement and thus increase the resistance that the drive of the engine must apply in order to enable locomotion (compare Equ. 1).

Erfindungsgemäß kommt es durch die Mindestgröße der Querschnittfläche der Turbine und des Windschilds im Vergleich zur frontalen Projektionsfläche des Fahrzeuges zu einer überraschenden Verminderung des Staudruckes und damit zu einer überraschenden Verlangsamung des Fahrtwindluftstromes. Bei der Fahrt treffen die Luftmassen anstatt auf die Fahrzeugfront auf die Turbine und das Windschild. Durch den Antrieb der Turbine wird der strömenden Luft kinetische Energie entnommen, so dass diese stromabwärts vor der Fahrzeugfront eine geringe Geschwindigkeit aufweist und für einen geringen Staudruck sorgt. Dieser Effekt wird mithilfe des Windschilds noch verstärkt. Indem sich das verlangsamte Luftvolumen in dessen Windschatten weiter aufweitet und der energiereiche Fahrtwind von der Fahrzeugfläche ferngehalten wird legen sich die verlangsamten Luftschichten als widerstandsreduzierende „Luftblase“ um das gesamte Fahrzeug. Insbesondere durch eine wesentliche langsame Umströmung des Fahrzeuges entstehen entlang und an der Hinterkante des Fahrzeuges wesentlich kleinere aerodynamische Verluste z.B. Verwirbelungen. Die Widerstandskraft nimmt aufgrund des Staudrucks und aufgrund von Verwirbelungen ab. Gleichzeitig werden aber zusätzliche Axialkräfte entgegen der Fahrtrichtung bei der Erzeugung des Windschatten-Effekts durch die Turbine und des Windschilds erzeugt. Diese werden kompensiert durch die axiale Schubausgleichsvorrichtung (SAV), welche von der mechanischen Energie der Turbine gespeist wird.According to the invention, the minimum size of the cross-sectional area of the turbine and the windshield in comparison to the frontal projection surface of the vehicle results in a surprising reduction in the back pressure and thus in a surprising slowing down of the airstream. When driving, the air masses hit the turbine and the windshield instead of the front of the vehicle. By driving the turbine kinetic energy is taken from the flowing air so that it has a low speed downstream of the front of the vehicle and ensures a low back pressure. This effect is further enhanced by the windshield. As the slowed-down air volume widens further in its slipstream and the high-energy airstream is kept away from the vehicle surface, the slowed-down layers of air weave around the entire vehicle as a drag-reducing "bubble of air". In particular, by a substantial slow flow around the vehicle, substantially smaller aerodynamic losses occur along and at the trailing edge of the vehicle, e.g. Turbulences. The resistance decreases due to the back pressure and due to turbulence. At the same time additional axial forces are generated against the direction of travel in the generation of the slipstream effect by the turbine and the windshield. These are compensated by the axial thrust balance device (SAV), which is powered by the mechanical energy of the turbine.

Mit dem Begriff „Übertage Fahrzeug“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt ein Fahrzeug bezeichnet, welches die während der Fahrt aufstauende Luftmassen im Frontbereich des Fahrzeug nahezu ungehindert verdrängen kann. Als Beispiel sei ein Verkehrsflugzeug im Reiseflug (in 10km üNN) genannt. Im Gegensatz dazu gibt auch den Begriff „Untertage Fahrzeug“, bei dem die im Frontbereich aufstauenden Luftmassen des Fahrzeuges nur unter erheblichen zusätzlichen energetischen Aufwand verdrängt werden können. Als Beispiel sei eine fahrende U-Bahn durch einen im Vergleich zu ihrer frontalen Projektionsfläche nur etwas größeren Tunnelquerschnitt genannt.For the purposes of the invention, the term "overground vehicle" preferably denotes a vehicle which can displace the air masses which accumulate during the journey in the front region of the vehicle almost unhindered. As an example, an airliner in cruising flight (in 10km above sea level) is called. In contrast, there is also the term "underground vehicle" in which the accumulating air masses of the vehicle in the front area can be displaced only with considerable additional energy expenditure. As an example, a moving subway is called by a compared to their frontal projection screen only slightly larger tunnel cross-section.

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.For the purposes of the invention, the term "approximately", "approx.", "Almost", "approximately" or synonymous terms preferably refers to an indication of values, shapes or other descriptions of technical features which include both the exact statement and an indication with a margin of tolerance. For qualitative features, the tolerance margin is defined by the knowledge of the average person skilled in the art, in particular with regard to the functionality of the technical feature. For quantitative features, such as the indication of approximate values, the tolerance range intended is preferably ± 10%, more preferably ± 5%. As a very particularly preferred embodiment, an approximate statement always also discloses the exact information. This means with the specification about 5, in addition to values which are within a tolerance range (eg 5.1, 4.9, etc.) always the exact value 5 disclosed.

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.For the purposes of the invention, the term "fuel saving" is preferably understood to mean an increase in energy efficiency for driving the vehicle. According to the invention this is achieved by the wind shadow generated by the turbine, which provides for slower flow velocities along the entire vehicle and reduces both the back pressure in the front area and the turbulence at the rear of the vehicle.

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. The term "usable energy" is preferably understood to mean any form of energy which leads directly or indirectly to the fuel saving of the vehicle. According to the invention, the turbine at least partially converts the kinetic energy of the incoming wind into usable energy and taking into account the compensated additional axial forces of the wind turbine by the lower wind energy losses occurring on the vehicle, there is an overall increase in the energy efficiency of the vehicle and turbine system as a whole.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Turbine dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine einen Durchmesser zwischen 32% und 120%, bevorzugt zwischen 80 und 100% der Breite der frontalen Projektionsfläche des Fahrzeuges aufweist. Unter dem Durchmesser der Turbine wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche die Turbine während der Rotation aufspannt. Im Falle einer Windturbine entspricht der Durchmesser der Turbine beispielsweise bevorzugt der doppelten Länge des Abstandes der Spitze eines Rotorblattes zur zentralen Rotationsachse der Windturbine. Die Breite der Fahrzeugfront entspricht im Sinne der Erfindung bevorzugt der Ausdehnung der frontalen Projektion des Fahrzeuges quer zur Fortbewegungsrichtung des Fahrzeuges. Unter der Höhe der Fahrzeugfront wird entsprechend senkrecht zur Breite bevorzugt die Ausdehnung entlang der durch die Schwerkraft gekennzeichneten Achse von oben nach unten verstanden. Für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein LKW mit einer Breite der Fahrzeugfront (einschließlich der Außenspiegel) von 3 m und einer Höhe von 4,5 m, ist der Durchmesser der Windturbine in der bevorzugten Ausführungsform bevorzugt zwischen 1 m und 3,6 m und besonders bevorzugt zwischen 2,4 m und 3 m aufweist. Durch die bevorzugten Abmaße der Windturbine kann eine besonders effektive Reduktion des Staudruckes und eine große Windturbinenleistung erreicht werden. Das Windschild umrandet im Querschnitt bevorzugt die Turbine, sodass der Innendurchmesser des Windschildes an der axialen Position der Rotorblattvorderkante bevorzugt zwischen 0,1 cm und 30 cm größer ist als der Außendurchmesser der Turbine. Die SAV befindet sich bevorzugt stromab von der Turbine und ist auch bevorzugt mechanisch über ein Getriebe mit dieser verbunden, sodass besonders effektiv eine axiale Gegenkraft zur unerwünschten Axialkraft der Turbine aufgebaut werden kann und gleichzeitig der Staudruck im Nabenbereich der Turbine besonders vorteilhaft zusätzlich minimiert werden kann. Der Außendurchmesser der SAV liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10% und 120% des Außendurchmessers der Turbine.In a preferred embodiment of the invention, the turbine is characterized in that the turbine has a diameter between 32% and 120%, preferably between 80 and 100% of the width of the frontal projection surface of the vehicle. For the purposes of the invention, the diameter of the turbine is preferably understood to mean the circular area which the turbine spans during the rotation. In the case of a wind turbine, for example, the diameter of the turbine preferably corresponds to twice the distance between the tip of a rotor blade and the central axis of rotation of the wind turbine. The width of the vehicle front corresponds within the meaning of the invention preferably the extent of the frontal projection of the vehicle transversely to the direction of travel of the vehicle. According to the height of the vehicle front, the extent along the axis marked by the gravitational axis is preferably understood to be perpendicular to the width, preferably from top to bottom. For a vehicle such as a truck with a width of the vehicle front (including the exterior mirrors) of 3 m and a height of 4.5 m, the diameter of the wind turbine in the preferred embodiment is preferably between 1 m and 3.6 m, and particularly preferred between 2.4 m and 3 m. The preferred dimensions of the wind turbine, a particularly effective reduction of back pressure and a large wind turbine performance can be achieved. The windshield preferably surrounds the turbine in cross-section, so that the inner diameter of the windshield at the axial position of the rotor blade leading edge is preferably between 0.1 cm and 30 cm larger than the outer diameter of the turbine. The SAV is preferably located downstream of the turbine and is also preferably mechanically connected to it via a gear, so that an axial counterforce to the undesired axial force of the turbine can be constructed particularly effectively and at the same time the back pressure in the hub region of the turbine can be particularly advantageously additionally minimized. The outer diameter of the SAV is preferably in the range between 10% and 120% of the outer diameter of the turbine.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Turbine eine Windturbine wie in WO 2017/125409 beschrieben. Im Sinne der Erfindung umfasst die Windturbine einen Rotor, bevorzugt umfassend ein oder mehrere Rotorblätter, welche durch den Fahrtwind in Rotation versetzt werden. Zum einen kann die Rotationsenergie als nutzbare Energie mechanisch an die axiale Schubausgleichsvorrichtung und bzw. oder an den Motor des Fahrzeuges weitergeleitet werden. Zum anderen kann die Rotationsenergie mit Hilfe eines Generators zur Bereitstellung von elektrischem Strom dienen. Darüber hinaus erlaubt eine Windturbine, insbesondere in Verbindung mit dem Windschild, eine Reduktion des Windschatten-Luftstromes, welcher auf die Fahrzeugfront einströmt.In a preferred embodiment of the invention, the turbine is a wind turbine as in WO 2017/125409 described. For the purposes of the invention, the wind turbine comprises a rotor, preferably comprising one or more rotor blades, which are set in rotation by the airstream. On the one hand, the rotational energy can be forwarded as usable energy mechanically to the axial thrust balance device and / or to the engine of the vehicle. On the other hand, the rotational energy can be used by means of a generator to provide electrical power. In addition, a wind turbine, in particular in connection with the windshield, allows a reduction of the slipstream air flow which flows in towards the front of the vehicle.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Turbine und das Windschild dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauteile zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 60% und 140%, bevorzugt 80% bis 110% der frontalen Projektionsfläche des Fahrzeuges aufweisen. Weitere Details können auch aus WO 2017/125409 entnommen werden.In a preferred embodiment of the invention, the turbine and the windshield are characterized in that the two components together have a cross-sectional area between 60% and 140%, preferably 80% to 110% of the frontal projection surface of the vehicle. More details can also be made WO 2017/125409 be removed.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die SAV dadurch gekennzeichnet, dass sie 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 der SAV wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche die SAV während der Rotation aufspannt.In a preferred embodiment of the invention, the SAV is characterized in that it has a diameter between 10% and 120%, preferably between 15% and 110% and more preferably between 20% and 100% of the diameter of the turbine. For the purposes of the invention, the diameter of the SAV is preferably understood to mean the circular area which tenses the SAV during the rotation.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die SAV dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Axialkraft in Richtung der Fahrtrichtung erzeugt, welche mindestens 30%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 100% 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 a preferred embodiment of the invention, the SAV is characterized in that it generates an axial force in the direction of travel, which corresponds to at least 30%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 100% of the axial force of the turbine. For the purposes of the invention, the axial force of the turbine is preferably understood to mean the force which the turbine generates in rotation counter to the direction of travel.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die SAV ein ein- oder mehrstufiger Axial-Verdichter. Im Sinne der Erfindung umfasst der Axial-Verdichter mehrere Rotorblätter, welche bevorzugt über ein Getriebe mit der Turbine mechanisch verbunden sind. Der Axial-Verdichter wird bevorzugt direkt von der mechanischen Energie der Turbine in Rotation versetzt, wobei die Drehzahl mithilfe eines Getriebes ein Vielfaches dem von der Turbine entsprechen kann. Dem Fachmann sind die Auslegungskriterien und Ausführungsvarianten für ein Getriebe zwischen Axialverdichter und Turbine bekannt, mit dem verlustarm die mechanische Kraft übertragen werden kann. Weiterhin sind dem Fachmann die Auslegungskriterien für einen Axial-Verdichter bekannt, mit dem sehr effizient eine möglichst große Druckdifferenz (Druckverhältnis) zwischen stromauf und -ab des Axial-Verdichters und damit eine Axialkraft in Fahrtrichtung erzeugt werden kann.In a preferred embodiment, the SAV is a single or multi-stage axial compressor. For the purposes of the invention, the axial compressor comprises a plurality of rotor blades, which are preferably mechanically connected via a transmission with the turbine. The axial compressor is preferably set directly in rotation by the mechanical energy of the turbine, wherein the speed by means of a gearbox can be many times that of the turbine. The person skilled in the design criteria and variants for a transmission between axial compressor and turbine are known, with low loss, the mechanical force can be transmitted. Furthermore, the design criteria for an axial compressor are known to those skilled in the art, with the very largest possible pressure difference ( Pressure ratio) between upstream and downstream of the axial compressor and thus an axial force in the direction of travel can be generated.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der ein- oder mehrstufige Axial-Verdichter dadurch gekennzeichnet, dass der Axialverdichter einen Durchmesser zwischen 10% und 70%, bevorzugt zwischen 15% und 30% und besonders bevorzugt zwischen 20% und 25% des Durchmessers der Turbine aufweist. Unter dem Durchmesser des Axialverdichters wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche der Axialverdichter während der Rotation aufspannt. Der Axialverdichter soll bevorzugt unmittelbar stromab von der Turbine positioniert und zugleich bevorzugt mit der Turbine mechanisch verbunden sein. Die angesaugte und komprimierte Luft durch den Axialverdichter wird in hohlwandige Aufhängungs-Streben zur Hinterkante des Windschilds geleitet und senkrecht zur Fahrtrichtung ausgeblasen. Das Ausblasen der komprimierten Luft ist besonders effektiv an dieser Stelle, da dadurch der Fahrtwind noch besser nach außen verdrängt und das Aufweiten des Windschattens vergrößert werden kann.In a preferred embodiment, the single-stage or multi-stage axial compressor is characterized in that the axial compressor has a diameter between 10% and 70%, preferably between 15% and 30% and particularly preferably between 20% and 25% of the diameter of the turbine. For the purposes of the invention, the diameter of the axial compressor is preferably understood to mean the circular surface which the axial compressor tensions during rotation. The axial compressor should preferably be positioned immediately downstream of the turbine and at the same time preferably mechanically connected to the turbine. The sucked and compressed air through the axial compressor is guided in hollow-walled suspension struts to the trailing edge of the windshield and blown perpendicular to the direction of travel. The purging of the compressed air is particularly effective at this point, as this the airstream even better displaced to the outside and the expansion of the wind shadow can be increased.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die SAV ein Propeller, welcher mechanisch oder elektrisch angetrieben wird und aufgrund seiner Formgebung und seinen Rotorblättern die Luftströmung beschleunigt und somit auch Axialschub in Fahrtrichtung erzeugt. Es ist dem Fachmann bekannt, dass ein Propellerblatt auch als Windturbinenblatt und umgekehrt verwendet werden kann, wenn eine Mechanik vorhanden ist, mit der die Rotorblätter entsprechend mechanisch ausgerichtet und in Ihrer Länge verwunden werden können.In a preferred embodiment, the SAV is a propeller, which is driven mechanically or electrically and accelerates the air flow due to its shape and its rotor blades and thus also generates axial thrust in the direction of travel. It is known to those skilled in the art that a propeller blade can also be used as a wind turbine blade and vice versa, if a mechanism is provided with which the rotor blades can be mechanically aligned and wound in their length accordingly.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Propeller dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller einen Durchmesser zwischen 32% und 120%, bevorzugt zwischen 80 und 100% des Turbinendurchmessers aufweist. Unter dem Durchmesser des Propellers wird im Sinne der Erfindung bevorzugt die Kreisfläche verstanden, welche der Propeller während der Rotation aufspannt. Der Propeller soll bevorzugt am Fahrzeugende bei Übertage Fahrzeuge positioniert sein, weil die Anströmgeschwindigkeiten aufgrund des Grenzschichtaufbaus besonders klein sind und der Propeller extrem effizient betrieben werden kann. Zudem lassen sich verlustbehaftete Strömungsablösungen und Verwirbelungen mithilfe des Propellers besonders günstig beeinflussen. Bei Fahrzeugen mit einer Fahrzeuglänge kleiner 200m, bevorzugt kleiner 15 m und besonders bevorzugt kleiner 10 m soll der Propeller mechanisch mit der Turbine verbunden sein. Bei größeren Fahrzeuglängen soll der Propeller bevorzugt elektrisch mithilfe eines E-Motors angetrieben werden. Der Abstand des Propellers zum Fahrzeugende soll derart gewählt werden, daß das Nachlaufgebiet (gekennzeichnet durch verlustbehaftete Strömungsablösungen und Verwirbelungen) bevorzugt minimal wird und der Propeller bevorzugt sehr effizient betrieben werden kann. Dem Fachmann sind eine Reihe von verschiedenen Propeller-Rotorblätter bekannt und entsprechende Auslegungswerkzeuge zur Abstandsbestimmung bekannt, um eine optimale Konfiguration zu finden, welche die oben genannten Randbedingungen gerecht wird.In a preferred embodiment, the propeller is characterized in that the propeller has a diameter between 32% and 120%, preferably between 80 and 100% of the turbine diameter. For the purposes of the invention, the diameter of the propeller is preferably understood to mean the circular area which the propeller spans during the rotation. The propeller should preferably be positioned at the end of the vehicle at above-ground vehicles, because the flow velocities are particularly small due to the boundary layer structure and the propeller can be operated extremely efficiently. In addition, lossy flow separation and turbulence can be particularly favorably influenced by means of the propeller. For vehicles with a vehicle length less than 200m, preferably less than 15 m and more preferably less than 10 m, the propeller should be mechanically connected to the turbine. For larger vehicle lengths, the propeller should preferably be driven electrically by means of an electric motor. The distance of the propeller to the vehicle end should be chosen such that the wake region (characterized by lossy flow separation and turbulence) is preferably minimal and the propeller can preferably be operated very efficiently. A number of different propeller rotor blades are known to the person skilled in the art, and corresponding distance determination design tools are known in order to find an optimum configuration which fulfills the abovementioned boundary conditions.

Der Propeller soll bevorzugt an der Fahrzeugfront bei Untertage Fahrzeuge positioniert werden, weil dort besonders effektiv der sich während der Fahrt aufbauende Staudruck reduziert werden kann. In dieser Konfiguration würde die Turbine (ohne Windschild) am Fahrzeugende positioniert sein, welche dort durch den Fahrtwind in Rotation versetzt wird und dem Fahrtwind einen Teil der kinetischen Energie entziehen kann und bevorzugt dem Propeller mechanisch über eine Welle zur Verfügung stellt.The propeller should preferably be positioned on the vehicle front in underground vehicles, because there can be particularly effectively reduced the build-up of dynamic pressure during driving. In this configuration, the turbine would be positioned (without windshield) at the vehicle end, which there is rotated by the airstream and the wind can extract part of the kinetic energy and preferably provides the propeller mechanically via a shaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die SAV ein Flügelrad, welches bevorzugt ein oder mehrere Rotorblätter umfasst und bevorzugt mechanisch von der stromauf positionierten Turbine angetrieben wird. Die hohe Rotationsgeschwindigkeit, das aerodynamische Profil als auch der gewählte Einbauwinkel der Rotorblätter zur Maschinenachse führen zu aerodynamische Auftriebskräfte, 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 a preferred embodiment, the SAV is an impeller, which preferably comprises one or more rotor blades and is preferably driven mechanically by the upstream positioned turbine. The high rotational speed, the aerodynamic profile and the selected installation angle of the rotor blades to the machine axis lead to aerodynamic lift forces, which act mainly in the direction of travel and are referred to as so-called "shear forces". The generated shear forces counteract the shear forces of the wind turbine and ideally lift them.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Flügelrad dadurch gekennzeichnet, das dieses 1 bis 7 bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt 3 Rotorblätter aufweist. Bevorzugt umfasst das Flügelrad in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Nabe, an welche die Rotorblätter radial auslaufend befestigt vorliegen. Die Rotorblätter sollen ab einem Radius von 50%, bevorzugt ab 60% und besonders bevorzugt ab 70% des Außenradius ein hocheffizientes Auftriebsprofil mit einem Gleitwert ε größer 30, bevorzugt größer 40 und besonders bevorzugt größer 50 aufweisen. Die Rotorblätter sollen auf dem noch verbleibenden Radius mit einem symmetrischen Profil ausgestattet sein und derart zur Strömung angestellt sein, dass kein zusätzlicher Auftrieb bei minimalen Widerstand entsteht. Der Nullauftrieb dieses Profils soll bei negativen Anstellwinkeln, bevorzugt kleiner als -1°, besonders bevorzugt bei kleiner als -2° liegen. Die Schnelllaufzahl λ soll bei 70% Außenradius größer als 5, bevorzugt größer als 6 und besonders bevorzugt größer als 7 sein. Alle Rotorblätter, zusammen genommen, sollen eine axiale Schubkraft erzeugen, welche über 5%, bevorzugt über 15% und besonders bevorzugt über 40% der Turbinen-Schubkraft liegt. Die erzeugten Kräfte in Umfangsrichtung sollen dabei minimal bleiben. Die Querschnittfläche des Rotors entspricht dem der Windturbine, bevorzugt das 1,1 fache, besonders bevorzugt das 1,2-fache von der Querschnittsfläche der Windturbine. Der axiale Abstand zwischen den Rotorblättern der Schubausgleichsvorrichtung und den Windturbinen-Rotorblättern, beides auf Höhe des jeweiligen Aussenradius an der Vorderkante bzw. Hinterkante betrachtet, ergibt sich zwangsläufig aus dem Maß des Aussenradius und dem Innenkonturverlauf des Windschildes. Die Innenkontur des Windschildes soll möglichst dem natürlichen Stromlinienverlauf nachempfunden sein, welcher sich bei einer Windturbine ohne Windschild aber ansonsten gleichen Randbedingungen einstellen würde. Weitere Erklärungen zum Aussehen des Windschildes werden in PCT/EP2017/050936 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 a preferred embodiment of the invention, the impeller is characterized in that it has 1 to 7, preferably 2 to 4 and particularly preferably 3 rotor blades. Preferably, in this preferred embodiment, the impeller comprises a hub to which the rotor blades are attached radially expiring attached. From a radius of 50%, preferably from 60% and particularly preferably from 70% of the outer radius, the rotor blades should have a highly efficient buoyancy profile with a sliding value ε greater than 30, preferably greater than 40 and particularly preferably greater than 50. The rotor blades should be equipped on the remaining radius with a symmetrical profile and be employed to the flow, that no additional buoyancy with minimal resistance arises. The zero buoyancy of this profile should be at negative angles of attack, preferably less than -1 °, more preferably less than -2 °. The speed coefficient λ should be greater than 5, preferably greater than 6 and more preferably greater than 7 at 70% outer radius. All rotor blades, taken together, should produce an axial thrust force which is above 5%, preferably above 15%, and more preferably above 40% of the turbine thrust. The forces generated in the circumferential direction should remain minimal. The cross-sectional area of the rotor corresponds to that of the wind turbine, preferably 1.1 times, particularly preferably 1.2 times, the cross-sectional area of the wind turbine. The axial distance between the rotor blades of the thrust compensation device and the wind turbine rotor blades, both considered at the height of the respective outer radius at the leading edge or trailing edge, necessarily results from the extent of the outer radius and the inner contour profile of the windshield. The inner contour of the windshield should as possible be modeled on the natural streamline course, which would set in a wind turbine without windshield but otherwise the same conditions. Further explanations on the appearance of the windshield are given in PCT / EP2017 / 050936. A number of different forms of rotor blades and corresponding design tools are known to the person skilled in the art in order to select or create a suitable profile that meets the abovementioned boundary conditions.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die mechanische Kopplung der Windturbine mit dem SAV 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 a preferred embodiment of the invention, the mechanical coupling of the wind turbine to the SAV is accomplished by a transmission e.g. Planetary gear. Advantageously, the conditions on the rotor blades of the wind turbine and rotor can thereby be set particularly effectively and the best possible thrust force compensation can be achieved. However, other embodiments are also known to the person skilled in the art in order to achieve a mechanical coupling of the wind turbine with the rotor, which leads to a particularly effective slipstream and thrust compensation.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Inbetriebnahme von Windturbine und SAV durch einen Elektromotor, welcher bevorzugt über eine mechanische Kupplung, besonders bevorzugt über eine Elektro-magnetische Kupplung mit der Antriebswelle von Windturbine und SAV verbunden ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor auch als elektrischer Generator verwendbar. Als ein Ausführungsbeispiel ist ein GleichstromMotor mit Permanentmagneten genannt, wobei dem Fachmann diesbezüglich noch weitere Ausführungsformen bekannt sind. Die notwendige Energie wird von der Windturbine im Betrieb geliefert und bei eingeschalter Kupplung auf den elektrischen Generator übertragen.In a preferred embodiment of the invention, the commissioning of wind turbine and SAV by an electric motor, which is preferably connected via a mechanical coupling, more preferably via an electro-magnetic coupling to the drive shaft of the wind turbine and SAV. In the preferred embodiment, the electric motor is also usable as an electric generator. As an embodiment, a DC motor is called with permanent magnets, the skilled person in this regard, further embodiments are known. The necessary energy is supplied by the wind turbine during operation and transmitted to the electric generator with the clutch engaged.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die SAV 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.In a preferred embodiment of the invention, the SAV and the turbine is equipped with a freewheel construction whose direction of rotation particularly preferably remains freely adjustable even when installed. The person skilled in various freewheel constructions are known, which meet these conditions. The freewheel design, which can be freely adjusted in its direction of rotation, makes it possible to set various operating conditions in order to operate the turbine system optimally.

Der Fachmann erkennt, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Turbinensystems sowie bevorzugter Ausführungsformen davon ebenso für das Fahrzeug gelten, an welchem das Turbinensystem angebracht vorliegt.The skilled person realizes that the advantages of the turbine system according to the invention and preferred embodiments thereof also apply to the vehicle to which the turbine system is attached.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

In Sinne der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass das Turbinensystem oder bevorzugte Ausführungsformen davon und/oder die Verwendung des Turbinensystems oder bevorzugte Ausführungsformen davon zur Einsparung von Treibstoff bei einem Fahrzeug auch als X-TEC bezeichnet. Bei Beispielen von Fahrzeugen welche mit X-TEC ausgestattet sind, handelt es sich daher bevorzugt um Fahrzeuge mit angebrachtem Turbinensystem gemäß der Erfindung oder bevorzugte Ausführungsformen davon. Unter dem Begriff „Standard“ hingegen werden bevorzugt solche Fahrzeuge bezeichnet, welche nicht mit X-TEC ausgestattet sind und demzufolge keine angebrachten Turbinensysteme gemäß der Erfindung oder bevorzugten Ausführungsformen davon aufweisen.For the purposes of the invention, it may be preferred that the turbine system or preferred embodiments thereof and / or the use of the turbine system or preferred embodiments thereof for saving fuel in a vehicle also referred to as X-TEC. Examples of vehicles equipped with X-TEC are therefore preferably vehicles with attached turbine system according to the invention or preferred embodiments thereof. By contrast, the term "standard" is preferably used to refer to those vehicles which are not equipped with X-TEC and therefore do not have attached turbine systems according to the invention or preferred embodiments thereof.

Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to examples, without being limited to these.

Figurenlistelist of figures

1 Schematic representation of a preferred embodiment of the invention, showing the use of the turbine system on a truck
2 Schematic representation of a preferred embodiment of the invention showing the use of the turbine system on a high speed train
3 Schematic representation of a preferred wind turbine with axial compressor as a preferred embodiment of the axial thrust balance device
4 Schematic representation of a preferred wind turbine with impeller as a further embodiment example of the axial thrust compensation device
5 Schematic representation of a preferred embodiment of the invention showing the use of the turbine system on a downhole high speed train
6 Schematic representation of a preferred turbine mount for a high-speed train
7 Schematic representation of a preferred transport platform for the turbine system
8th Schematic illustration of repurposed transport platform and turbine system as wind turbine

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der ErfindungDetailed description of preferred embodiments of the invention

In 1 ist ein schematischer Aufbau eines CBE (cab-behind-engine)-LKW's mit angebauten Turbinensystem dargestellt, aus dem man erkennen kann, wie X-TEC schematisch funktioniert. Die Ausführungen zeigen wie durch ein Turbinensystem mit Schubausgleichsvorrichtung 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 (1) bestehen in diesem Beispiel aus einer Windturbine (11), einem Axialverdichter (54) als axiale Schubausgleichsvorrichtung (SAV, 52), einer Turbinenhalterung (12) umfassend einem Windschild (16) und einer Motor-Generator Kombination (88) mit integrierter aufladbarer Batterie. Windturbine (11) und Axialverdichter (54) sind bevorzugt über ein Planetengetriebe (88) mit integrierter Freilaufkonstruktion miteinander verbunden. Die aus dem Fahrtwind entzogene kinetische Energie wird in dieser Ausführungsform vollständig mechanisch über eine Welle und dem Planetengetriebe (88) an den Axialverdichter (54) übertragen, welcher an seinen rotierenden Schaufeln axiale aerodynamische Kräfte erzeugt, welche der Windturbinen-Axialkraft entgegenwirken und diese vorteilhaft aufheben. Die vom Axialverdichter (54) angesaugte Luft in der Nähe der Nabe, wie in 3 illustriert, kann z.B. zur Kühlung des LKW-Motors, zur Schuberzeugung durch Auslasen entgegen der Fahrtrichtung oder zur Strömungsbeeinflussung verwendet werden. Die komprimierte Luft vom Axialverdichters(54) wird über Luftkanäle(26), an die Innenseite des Windschilds(16) geführt, zur Vermeidung von Strömungsablösungen oder über Austrittsöffnungen an die Windschild-Aussenseite (68) geführt, zur Strömungsablenkung verwendet werden. Das Turbinensystem erzeugt nun stromab in ihrem Windschatten eine Luftströmung mit einer wesentlich kleineren Strömungsgeschwindigkeit, welche entlang der LKW-Oberfläche entlang strömt und zu einer verminderten Verwirbelung und infolgedessen zu einen reduzierten Fahrtwindwiderstand führt. Der LKW-Motor wird bei einem Fahrzeug mit Turbinensystem (1) weniger Leistung erzeugen müssen, um die aerodynamischen Widerstandkräfte zu überwinden als ein vergleichbares Fahrzeug ohne Turbinensystem. Das Turbinensystem erzeugt aufgrund der erfindungsgemäßen Schubausgleichsvorrichtung vorteilhaft keine zusätzlichen Axialkräfte und unterscheidet sich daher erheblich vom Stand der Technik.In 1 is a schematic structure of a CBE (cab-behind-engine) truck with attached turbine system shown, from which one can see how X-TEC works schematically. The statements show how the disadvantages of the prior art can be overcome by a turbine system with a thrust balance device. It will be apparent to those skilled in the art how this technical implementation is transferable to other vehicles. The main components of the turbine system ( 1 ) consist in this example of a wind turbine ( 11 ), an axial compressor ( 54 ) as an axial thrust balance device (SAV, 52), a turbine mount ( 12 ) comprising a windshield ( 16 ) and a motor-generator combination ( 88 ) with integrated rechargeable battery. Wind turbine ( 11 ) and axial compressor ( 54 ) are preferably via a planetary gear ( 88 ) connected with integrated freewheel construction. The kinetic energy withdrawn from the wind is in this embodiment completely mechanically via a shaft and the planetary gear ( 88 ) to the axial compressor ( 54 ), which generates on its rotating blades axial aerodynamic forces which counteract the wind turbine axial force and cancel this advantageous. The of the axial compressor ( 54 ) sucked air near the hub, as in 3 Illustrated, for example, can be used for cooling the truck engine, for thrust generation by blowing against the direction of travel or for influencing the flow. The compressed air from the axial compressor ( 54 ) is via air channels ( 26 ), to the inside of the windshield ( 16 ), to avoid flow separation or via outlet openings to the windshield outer side ( 68 ), used for flow deflection. The turbine system now generates downstream in its slipstream an air flow at a much lower flow velocity, which flows along the truck surface along and leads to a reduced turbulence and consequently to a reduced wind resistance. The truck engine is used on a vehicle with turbine system ( 1 ) must generate less power to overcome the aerodynamic drag forces than a comparable vehicle without a turbine system. The turbine system advantageously generates no additional axial forces due to the thrust balance device according to the invention and therefore differs considerably from the prior art.

In 2 ist ebenfalls ein schematischer Aufbau eines Hochgeschwindigkeitszuges mit Turbinensystem dargestellt, aus dem erkennbar wird, wie X-Tec bei dieser Ausführungsform bevorzugt funktioniert. Anders als beim CBE-LKW sind bei dieser Ausführungsform jeweils ein Turbinensystem, in Fahrtrichtung gesehen, am Zuganfang und am Zugende montiert, weil i.d.R. keine Wendemöglichkeit für diese langen Züge bestehen. Das Turbinensystem, in Fahrrichtung gesehen, am Zuganfang funktioniert wie in 1 beschrieben. Das Turbinensystem, in Fahrtrichtung gesehen, am Zugende kann als Druckpropeller (56) verwendet werden, wenn gleichzeitig die Rotorblätter des Turbinensystems entsprechend in Ihrer Einbauposition verstellt werden und dieser über eine am Turbinensystem angekoppelte Antriebswelle (76) angetrieben werden kann. Dem Fachmann ist bekannt, welches Material und welche Mechanik zur Verstellung und Verwindung der Rotorblätter gewählt werden muss, um die Turbine als Windturbine bzw. als Druckpropeller (56) verwenden zu können. Um den Axialverdichter(54) bei Verwendung des Druckpropellers (56) zu deaktivieren, wird dieser mit einem Getriebe mit integrierten Freilauf (88) ausgestattet, welcher eine Drehmomentübertragung immer nur in eine Drehrichtung zulässt, wobei diese mechanisch frei wählbar ist. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen von Freilaufkonstruktionen bekannt, bei denen die Drehrichtung des SAV(52)-Freilaufs frei einstellbar sind und welche sehr reibungsarm (geringes Schleppmoment) betrieben werden können. In dieser Ausführungsform ist der Freilauf des Axialverdichters (54) in der entgegengesetzten Drehrichtung von der Windturbinen-Drehrichtung eingestellt und der Druckpropeller (56) rotiert in die entgegengesetzte Drehrichtung von der Windturbine (11). In 5 wird eine weitere Ausführungsform des Turbinensystems für den Hochgeschwindigkeitszug Untertage dargestellt, welche sich sehr einfach aus der in 2 dargestellten Ausführungsform überführen lässt. Die Turbine (10) des Turbinensystems am Zuganfang, in Fahrtrichtung gesehen, wird unter diesen Randbedingungen in einen Zugpropeller durch entsprechende Rotorblatt-Verstellung und durch Verwindung überführt. Die Drehrichtung des Zugpropellers entspricht dem der Windturbine während des Windturbinenbetriebs, sodass der Axialverdichter funktionstüchtig bleibt. Die mechanische Wellenleistung wird über eine an- und abkoppelbare Antriebswelle(78) an den Zug-Propeller(74) und den Axialverdichter(54) übertragen. Am Zugende, in Fahrtrichtung gesehen, wurde das Windschild(16) und die Turbine(10) um 180° bevorzugt mithilfe einer Turbinenhalterung(12) hydraulisch oder elektrisch gedreht, sodass die größte Querschnittsfläche des Windschilds, in Fahrtrichtung gesehen, nach stromab zeigt. Die Rotorblätter werden derart eingestellt, dass die Turbine als Windturbine(11) stromab verwendet werden kann und die Drehrichtung so gewählt wird, dass der Axialverdichter(54) funktionstüchtig bleibt. 6 zeigt illustrativ die Turbinenhalterung(12), mit der bevorzugt das Turbinensystem am Zugende von der Ausführungsform in 2 in die in 6 dargestellte überführt werden kann.In 2 Also shown is a schematic construction of a high-speed train with turbine system, from which it can be seen how X-Tec preferably works in this embodiment. Unlike the CBE truck in this embodiment, each turbine system, seen in the direction of travel, mounted at the beginning of the train and at the end of the train, because there is usually no turning ability for these long trains. The turbine system, seen in the direction of travel, at the beginning of the train works as in 1 described. The turbine system, seen in the direction of travel, at the end of the train can be used as a pressure propeller ( 56 ) are used, if at the same time the rotor blades of the turbine system are adjusted accordingly in their installation position and this is connected via a turbine shaft system coupled to the drive shaft ( 76 ) can be driven. The person skilled in the art knows which material and which mechanism must be selected for adjusting and twisting the rotor blades in order to use the turbine as a wind turbine or as a pressure propeller ( 56 ) to use. To the axial compressor ( 54 ) when using the pressure propeller ( 56 ), this is equipped with a gearbox with integrated freewheel ( 88 ), which allows a torque transmission only in one direction of rotation, which is mechanically selectable. The person skilled in various designs of freewheel constructions are known in which the direction of rotation of the SAV ( 52 ) Freewheels are freely adjustable and which can be operated very low friction (low drag torque). In this embodiment, the freewheel of the axial compressor ( 54 ) in the opposite direction of rotation of the wind turbine rotation direction and the pressure propeller ( 56 ) rotates in the opposite direction of rotation of the wind turbine ( 11 ). In 5 Another embodiment of the turbine system for high-speed train underground is shown, which is very simple from the in 2 can convert converted embodiment. The turbine ( 10 ) of the turbine system at the beginning of the train, viewed in the direction of travel, is transferred under these boundary conditions in a train propeller by appropriate rotor blade adjustment and by twisting. The direction of rotation of the draft propeller corresponds to that of the wind turbine during wind turbine operation, so that the axial compressor remains functional. The mechanical shaft power is transmitted via an input and output shaft ( 78 ) to the train propeller ( 74 ) and the axial compressor ( 54 ) transfer. At the end of the train, seen in the direction of travel, the windshield ( 16 ) and the turbine ( 10 ) by 180 °, preferably by means of a turbine mount ( 12 ) hydraulically or electrically rotated, so that the largest cross-sectional area of the windshield, in Direction seen, pointing downstream. The rotor blades are adjusted so that the turbine as a wind turbine ( 11 ) can be used downstream and the direction of rotation is chosen so that the axial compressor ( 54 ) remains functional. 6 Illustratively shows the turbine holder ( 12 ), with which preferably the turbine system at the end of the embodiment in 2 in the in 6 represented can be converted.

3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Turbinensystems, welche eine Windturbine(11), Axialverdichter(54) und Windschild(16) umfasst. Die Windturbine(11) muss mithilfe eines Motors, bevorzugt eines E-Motors, welche mit der Kupplung(66) verbunden ist, auf eine Mindestdrehzahl gebracht werden. Das notwendige Drehmoment wird über eine Kette(60), welche über das Zahnrad(62) mit der Kupplung(66) und über das Zahnrad(58) mit der Windturbinen-Welle verbunden ist, übertragen. Wenn die Mindestdrehzahl der Windturbine(11) erreicht ist, dann kann die Windturbine(11) die kinetische Energie des Fahrtwindes und bzw. oder des natürlichen Windes optimal und verlustarm in mechanische Energie umwandein. Ein Teil der Energie wird zum Antrieb des Axialverdichters(54) benötigt. Da der Axialverdichter erst bei wesentlich größeren Drehzahlen als die der Windturbine(11) optimal arbeitet, ist ein Getriebe(80) zwischengeschaltet. Die komprimierte Luft des Axialverdichters(54) wird durch Luftkanäle einerseits entlang der Maschinenachse geleitet und kann dort z.B. zur Kühlung des Verbrennungsmotors verwendet werden. Andererseits wird die komprimierte Luft bevorzugt über hohlwandige Umlenkschaufeln(30) zur Aussen- und Innenwand des Windschilds(16) geführt und dort zur Schuberzeugung entgegen der Fahrtrichtung ausgeblasen. Die Umlenkschaufeln (30) stromab von der Windturbine (11) sorgen für eine drallfreie und verlustarme Strömung stromab vom Windschild (16). Dem Fachmann ist bekannt, welche Schaufelform und wie das Abstandsverhältnis von den Umlenkschaufeln (30) zueinander gewählt werden muss, um eine drallfreie und verlustarme Abströmung zu erzeugen. Die noch restliche mechanische Energie wird z.B. zum Generator über die Windturbinen-Welle und der Kette(60) geführt, um diese dann in elektrischen Strom umzuwandeln und dann z.B. in einer Batterie zu speichern. Der Generator ist direkt mit der Kupplung(66) verbunden. 3 shows a particularly preferred embodiment of the turbine system, which is a wind turbine ( 11 ), Axial compressors ( 54 ) and windshield ( 16 ). The wind turbine ( 11 ) must by means of a motor, preferably an electric motor, which with the clutch ( 66 ) is brought to a minimum speed. The necessary torque is transmitted via a chain ( 60 ), which via the gear ( 62 ) with the coupling ( 66 ) and the gear ( 58 ) is connected to the wind turbine shaft, transmitted. When the minimum speed of the wind turbine ( 11 ), then the wind turbine ( 11 ) convert the kinetic energy of the airstream and / or the natural wind optimally and with little loss into mechanical energy. Part of the energy is used to drive the axial compressor ( 54 ) needed. Since the axial compressor only at much higher speeds than that of the wind turbine ( 11 ) works optimally, is a transmission ( 80 ). The compressed air of the axial compressor ( 54 ) is guided by air ducts on the one hand along the machine axis and can be used there, for example for cooling the internal combustion engine. On the other hand, the compressed air is preferably via hollow-walled turning vanes ( 30 ) to the outer and inner wall of the windshield ( 16 ) and blown out there to thrust generation against the direction of travel. The turning vanes ( 30 ) downstream of the wind turbine ( 11 ) provide a swirl-free and low-loss flow downstream of the windshield ( 16 ). The person skilled in the art knows which blade shape and how the distance ratio of the deflecting blades ( 30 ) must be selected to each other to produce a swirl-free and low-loss outflow. The remaining mechanical energy is eg to the generator via the wind turbine shaft and the chain ( 60 ) to then convert them into electrical power and then store eg in a battery. The generator is directly connected to the coupling ( 66 ) connected.

4 zeigt illustrativ die Komponenten des Turbinensystems mit einer alternativen Ausführungsform der axialen Schubausgleichsvorrichtung (52). Die in 4 dargestellten Begriffe F_comp und F_Turbine stehen für die Axialkräfte, welche von der Windturbine (11) bzw. von dem Flügelrad (40) erzeugt werden. 4 3 shows illustratively the components of the turbine system with an alternative embodiment of the axial thrust balance device (FIG. 52 ). In the 4 F_comp and F_Turbine represent the axial forces generated by the wind turbine ( 11 ) or of the impeller ( 40 ) be generated.

7 und 8 zeigen illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform der Transportplattform für das Turbinensystem, welches zur Montage des Turbinensystems an einem Fahrzeug oder in Kombination mit dem Turbinensystem als Windkraftanlage verwendet werden kann. Für die Verwendung der Transportplattform als Windkraftanlage sind die Räder (92) eingelenkt, um die Turbine zur natürlichen Windrichtung entweder per Hand oder mithilfe z.B. eines in die Räder (92) integrierten Radnabenmotors ausrichten zu können. Das Turbinensystem in der Ausführungsform wie in 3 dargestellt lässt sich durch wenige Handgriffe in eine Windkraftanlage wie in 8 dargestellt, überführen:

1. Transportplattform (82) auf möglichst ebene und glatte Oberfläche (z.B. Asphalt) abstellen
2. Einstellung des Freilaufs vom SAV(52) in Drehrichtung der Windturbinen-Drehrichtung, sodass die SAV (52) nicht mit dreht.
3. Anbringung des Seitenleitwerks (86) und des E-Motors bzw. Generators (88) an das Turbinensystems
4. Ausfahren des höhenverstellbaren Masts (84) auf Maximalhöhe
5. Batterie oder Verbraucher an Generator (88) anschließen

7 and 8th Illustratively illustrate a preferred embodiment of the transport platform for the turbine system, which can be used for mounting the turbine system to a vehicle or in combination with the turbine system as a wind turbine. For the use of the transport platform as a wind turbine, the wheels ( 92 ) in order to move the turbine to the natural wind direction either by hand or by means of one of the wheels ( 92 ) aligned wheel hub motor. The turbine system in the embodiment as in 3 can be represented by a few handles in a wind turbine as in 8th represented, convert:

1. Transport platform ( 82 ) on the most level and smooth surface (eg asphalt)
2. Setting the freewheel of SAV ( 52 ) in the direction of rotation of the wind turbine rotation direction so that the SAV ( 52 ) does not turn with.
3. Attachment of the vertical stabilizer ( 86 ) and the electric motor or generator ( 88 ) to the turbine system
4. Extending the height-adjustable mast ( 84 ) at maximum height
5. Battery or consumer to generator ( 88 ) connect

Das Turbinensystem lässt sich auch am Fahrzeug direkt als Windkraftanlage verwenden, wenn oben genannte Arbeitsschritte ohne Punkt 1 und ohne Anbringung des Seitenleitwerks (86) befolgt werden. Das Fahrzeug muss dazu zur natürlichen Windrichtung ausgerichtet werden.The turbine system can also be used directly on the vehicle as a wind turbine, if the above steps without a point 1 and without attachment of the vertical stabilizer ( 86 ). The vehicle must be aligned to the natural wind direction.

9 zeigt schematisch einen Demonstrator, mit der das Wirkprinzip und die EnergieEffizienz-Steigerung des Turbinensystems (1), an einem Fahrzeug montiert, nachgewiesen werden konnte. Es handelt sich hierbei um einen PKW (94), welcher mit den Hauptkomponenten des Turbinensystems ausgestattet worden ist:

• Windturbine (11) mit Gondel (16)
• Druck-Propeller (56)
• Motor bzw. Generator (108), welcher als Anfahrhilfe für die Windturbine (11) und für den Druckpropeller (56) fungiert oder die mechanische Antriebsenergie von der Windturbine (11) in Elektrische umwandelt. Die mechanische Verbindung zwischen Motor bzw.Generator (108) und der Antriebswelle (100) wird mithilfe einer elektro-magnetischen Kupplung (104) und einem Keilriemen (106) hergestellt.

9 schematically shows a demonstrator with which the operating principle and the energy efficiency increase of the turbine system ( 1 ), mounted on a vehicle, could be detected. This is a car ( 94 ), which has been equipped with the main components of the turbine system:

• wind turbine ( 11 ) with gondola ( 16 )
• pressure-propeller ( 56 )
• engine or generator ( 108 ), which as start-up aid for the wind turbine ( 11 ) and for the pressure propeller ( 56 ) or the mechanical drive energy from the wind turbine ( 11 ) converted into electrical. The mechanical connection between the motor or generator (108) and the drive shaft ( 100 ) is powered by an electro-magnetic coupling ( 104 ) and a V-belt ( 106 ) manufactured.

Die PKW Frontscheibe ist aus Sicherheitsgründen mit einer durchschlaghemmenden Folie sowie einem Sicherheitsgitter (110) ausgestattet worden.The car windshield is for safety reasons with a penetration-resistant foil and a security grid ( 110 ).

Die Windturbine (11) ist mit drei Hochleistungs-Rotorblätter mit festem Anstellwinkel ausgestattet, welche nicht selbständig bei vorhandenen Fahrtwind anlaufen können, sondern zunächst mithilfe der Anfahrhilfe (104, 106, 108) angedreht werden müssen. The wind turbine ( 11 ) is equipped with three high-performance rotor blades with a fixed angle of attack, which can not start independently in the presence of existing wind, but first using the traction help ( 104 . 106 . 108 ) must be turned on.

Bei genügend großer Drehzahl und ausreichend starkem Fahrtwind reicht die von der Windturbine erzeugte mechanische Energie aus, um den Druckpropeller damit anzutreiben und die Anfahrhilfe(104, 106, 108) kann durch Ausschalten der elektro-magnetischen Kupplung (104) von der Antriebswelle (100) abgekoppelt werden.At sufficiently high speed and sufficiently strong wind the mechanical energy generated by the wind turbine is sufficient to drive the pressure propeller and the traction help ( 104 . 106 . 108 ) can be achieved by switching off the electro-magnetic coupling ( 104 ) from the drive shaft ( 100 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Übertage-Fahrzeug mit TurbinensystemOvertage vehicle with turbine system
33: Modell LKWModel truck
1010: Turbineturbine
1111: Windturbinewind turbine
1212: Turbinenhalterungturbine support
1414: Kupplungclutch
1616: Windschild (auch bezeichnet als Gondel bzw. Ringgehäuse)Windshield (also called gondola or ring housing)
1818: Kuhfängercow catcher
2020: Mechanische Kupplung zwischen Windturbine und MotorMechanical coupling between wind turbine and engine
2222: Luftstromairflow
2424: Windschattenslipstream
2626: Strömungskanal für Axial-Verdichter-LuftFlow channel for axial compressor air
3030: (Strömungs-) Umlenkschaufeln(Flow) turning vanes
3232: Motorkraftengine power
3434: Rotorblattrotor blade
4040: Flügelradimpeller
4646: Trägerplattesupport plate
5050: Schutz und MontagehilfeProtection and mounting aid
5252: Axiale Schubausgleichsvorrichtung (SAV)Axial Thrust Compensation Device (SAV)
5454: Axial VerdichterAxial compressor
5656: Druck-PropellerPressure propeller
5858: Zahnrad 1 gear 1
6060: KetteChain
6262: Zahnrad 2 gear 2
6464: Axial-Verdichter-SchaufelnAxial compressor blades
6666: Kupplung zum Motor (z.B. E-Motor)Coupling to the engine (e.g., electric motor)
6868: Luftstrom vom AxialverdichterAir flow from the axial compressor
7070: RendelrollenlagerRendel roller bearings
7272: Untertage Fahrzeug mit TurbinensystemUnderground vehicle with turbine system
7474: Zug-PropellerTrain propeller
7676: Antriebswelle angekoppeltDrive shaft coupled
7878: Antriebswelle abgekoppeltDrive shaft uncoupled
8080: Getriebe z.B. Planetengetriebe mit integrierter FreilaufkonstruktionTransmission e.g. Planetary gear with integrated freewheel design
8282: Transportplattform und Turm für TurbinensystemTransport platform and tower for turbine system
8484: Höhenverstellbarer Mast für TurbinensystemHeight-adjustable mast for turbine system
8686: Seitenleitwerkfin
8888: E-Motor-Generator Kombination mit integrierter aufladbarer BatterieElectric motor-generator combination with integrated rechargeable battery
9090: Räder (lenkbar)Wheels (steerable)
9292: Räder (eingelenkt); optional mit integrierte Elektro-Radnabenmotor-TechnikWheels (deflected); optionally with integrated electric wheel hub motor technology
9494: PKWcar
9696: Aluminium-GestellAluminum frame
9898: Lagerbock mit WälzlagerBearing with rolling bearing
100100: Antriebswelledrive shaft
102102: Dachbox vollverkleidetRoof box fully covered
104104: Elektro-magnetische KupplungElectro-magnetic coupling
106106: Keilriemenfan belt
108108: Motor bzw. GeneratorEngine or generator
110110: Durchschlaghemmende Folie und SicherheitsgitterImpact-resistant foil and safety screen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2008/0011523 A1 [0002, 0003]
WO 2017/125409 [0004, 0005, 0008, 0027, 0028]
EP 2017/050936 [0010, 0011]

Claims

Turbine system for fuel saving in a surface vehicle (2) characterized in that the turbine system comprises a turbine (10), a turbine support (12) with a windshield (16) and an axial thrust compensation device (52) and a motor-generator combination (88 ), wherein the windshield (16) and the turbine (10) have a cross-sectional area which is at least 60%, preferably at least 80% and more preferably at least 90% of the frontal projection surface of the vehicle and the turbine (10) by means of the turbine mount (12) is attachable to the front of the vehicle and / or on a chassis in front of the vehicle front.

Turbine system according to the preceding claim, characterized in that the windshield (16) is an annular housing, which surrounds the turbine (10) and has an outer contour whose distance from the axis of rotation of the turbine increases to the surface of the day vehicle (2) side ,

Turbine system according to the preceding claim, characterized in that the axial thrust balance device (52) is an axial compressor (54), which has a diameter between 10% and 70%, preferably between 15% - 35% and particularly preferably between 20% and 30% of the diameter the turbine (10).

Turbine system according to one of the preceding claims, characterized in that the axial thrust compensation device is a propeller (56) having a diameter between 50% and 120%, preferably between 70% - 110% and particularly preferably between 80% and 100% of the diameter of the turbine (10).

Turbine system according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the turbine (10) and the vehicle front between 10 - 200%, preferably between 20% and 90% and particularly preferably between 30% and 80% of the diameter of the turbine (10) ,

Turbine system according to one of the preceding claims, characterized in that the axial Schaubausgleichsvorrichtung SAV (52) generates an axial force in the direction of travel, which corresponds to at least 30%, preferably at least 70% and more preferably at least 100% of the axial force of the turbine (10).

Turbine system according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine is a wind turbine (11).

Turbine system according to the preceding claim, characterized in that the wind turbine (11) 1 to 7, preferably 2 to 4 and more preferably 3 rotor blades (34).

Turbine system according to one of the preceding claims, characterized in that the vehicle (2) is a watercraft, an underwater vehicle, a truck, a passenger car, a flying object, a hydrofoil, a submarine and / or a train.