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Vorrichtung zur Regelung von Schaufelrädern.
Es sind Schaufelräder für Wasser und Luft bekannt, die als Kraftmaschine oder als Vortriebsorgane dienen können, bei denen die Schaufeln um ganz oder annähernd parallel zur Radachse liegende Drehachsen sich während der Rotation des Rades bewegen. Die Relativbewegung der Schaufeln gegen das Rad wird dabei von einem Mechanismus erzwungen, der ein verstellbares Organ besitzt, dessen Verstellung das Bewegungsgesetz der Schaufeln relativ zum Rad und zur Flüssigkeitsströmung und damit die hydraulischen Wirkungen des Rades ändert.
Im folgenden wird ein Beispiel der Verwendung eines solchen Schaufelrades als Antrieb für ein Wasserfahrzeug gegeben. Wird das Rad mit senkrechter Welle eingebaut, so ist es möglich, mit bekannten
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gleichzeitig zu steuern und fallweise auch rückwärts zu treiben.
Die Schaufeln werden dabei relativ zum Rad von einem Steuermechanismus bewegt, der ein verstellbares Organ besitzt, von dessen Stellung das Bewegungsgesetz der Schaufeln abhängt und durch dessen Verstellung es für alle Schaufeln gemeinsam verändert wird. Dieses verstellbare Organ kann je nach den Mitteln, die zur Erzeugung der Relativbewegung der Schaufeln verwendet werden, unterschiedlich bauliche Gestalt ngen aufweisen. Es kann bei mechanischem Antrieb der Schaufeln in einem exzentrisch gehaltenen Bolzen, einem Ring, einer Kurvenbahn od. dgl. bestehen. Wenn die Schaufeln von besonderen Motoren (z. B. elektrischen, Druckflüssigkeits- oder Druckgasmotoren) angetrieben werden, kann das verstellbare Organ auch ausserhalb des Schaufelrades gelegen und als elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Schaltorgan ausgebildet sein.
Dieses verstellbare Organ soll im folgenden - unabhängig von seiner baulichen Gestaltung und räumlichen Anordnung-der Kürze halber "Steuerzentrum"genannt werden.
Durch Verstellung des Steuerzentrum kann die Relativbewegung der Schaufeln gegen das Rad auf zweifache Art verändert werden. Diese beiden Verstellungen kommen beispielsweise bei mechanischem Antrieb der Schaufeln mit Ausbildung des Steuerzentrum als exzentrisch gehaltener Bolzen, Ring od. dgl. dadurch zustande, dass das Steuerzentrum in dem einen Falle im Kreise um das Radmittel herumgeführt wird, im andern Falle hingegen auf einem Durchmesser verschoben und auf verschiedene Exzentrizitäten eingestellt wird.
Im ersten Falle, der im folgenden kurz"periphere Verstellung des Steuerzentrums"genannt wird, bleibt die Relativbewegung der Schaufeln gegen das Rad unverändert, nur sind die Orte gleicher Relativstellung der Schaufel zum Rad in bezug auf den ruhenden Raum um denselben Winkel verdreht, um. welchen das Steuerzentrum geschwenkt wurde. Im zweiten Falle, der im folgenden als "radiale Verstellung des Steuerzentrums"bezeichnet wird, ändert sich die Grösse der Relativbewegung der Schaufeln in bezug auf das Rad.
Für die kinematische Lösung der Veränderung des Bewegungsgesetzes der Schaufeln muss naturgemäss die zweidimensionale Verstellung des Steuerzentrum nicht genau in eine radiale und eine periphere Komponente zerlegt werden, doch wird man den Verstellungsmechanismus für das Steuerzentrum vorteilhafterweise so ausbilden, dass der eine Bewegungsanteil eine vorwiegend radiale, der andere Bewegungs- anteil eine vorwiegend periphere Verstellung bewirkt. Es werden daher die beiden Verstellungskomponenten
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des Steuerzentrum im folgenden allgemein als radiale und periphere Verstellung bezeichnet, womit gemeint ist, dass der betreffende Verstellungsanteil eine vorwiegend radiale bzw. periphere Verstellung beinhaltet.
In besonderen Fällen können auch beide Bewegungskomponenten nach bestimmten Gesetzen zu einer eindimensionalen Verstellbewegung kombiniert werden.
Die hydraulische Wirkung der Verstellung ist eine solche, dass beispielsweise bei einem sich noch nicht bewegenden Schiffe die Schwenkung des Steuerzentrum (periphere Verstellung) eine entsprechende Schwenkung der Kraftrichtung, die Verschiebung längs eines Durchmessers (radiale Verstellung) eine Grössenänderung der Schubkraft verursacht.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung derartiger Schaufelräder, die darin besteht, dass das Steuerzentrum in Abhängigkeit von einer für den Betrieb massgebenden Führungsgrösse durch einen selbsttätigen Regler verstellt wird, der durch die Änderungen dieser Führungsgrösse in Tätigkeit gesetzt wird.
Bei der Verwendung des Schaufelrades als Schiffsantrieb ist die erwähnte Führungsgrösse vorteilhafterweise die Drehzahl des Schaufelrades, und die Wirkung des selbsttätigen Reglers geht dann dahin, die Antriebsmaschine stets mit konstanter oder nahezu konstanter Drehzahl arbeiten zu lassen.
Die Wirkungsweise sei. an dem Beispiel eines Schaufelrades dargestellt, dessen Steuerzentrum sowohl in radialer wie in peripherer Richtung verstellt werden kann. Es sei bei einem Schiffe mit einem solchen Schaufelrad der Vorgang beschrieben, der bei einer Steuerbewegung eintritt, mit welcher das in Fahrt begriffene Schiff einem auftretenden Hindernisse auszuweichen sucht. Der Steuermann muss das Steuerzentrum soweit schwenken, dass die Richtungsänderung der erzeugten Schubkraft das Schiff zu der gewünschten Wendung veranlasst.
Nun würde aber eine erhebliche periphere Verstellung des Steuerzentrums bei gleichbleibender Exzentrizität, wie sie sich beim Fehlen der erfindungsgemässen Anordnung ergibt, eine ganz erhebliche Zunahme der erforderlichen Antriebsleistung bedingen, wenn das Schaufelrad mit gleicher Drehzahl weiter rotieren sollte. Da die Antriebsmaschine nicht imstande ist, diese Mehrleistung aufzubringen, so würde ein Rückgang der Drehzahl die Folge sein. Mit einem solchen Rückgange ist einerseits bei den meisten in Betracht kommenden Antriebsmaschinen, die mit annähernd konstantem Drehmoment arbeiten, ein der Drehzahlminderung ungefähr proportionaler Rückgang der Antriebsleistung, anderseits eine noch darüber hinausgehende Verminderung infolge der Wirkungs- gradverschleohterung der Antriebsmaschine verbunden.
Schliesslich wird noch die an sich schon verminderte Antriebsleistung wegen der Verschlechterung des hydraulischen Wirkungsgrades des Schaufelrades unvollkommener ausgenutzt.
Diese Übelstände werden bei einer Regelung nach dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch vermieden, dass beispielsweise die radiale Verstellung des Steuerzentrums so unter die Wirkung eines Geschwindigkeitsreglers gestellt wird, dass der Regler die Exzentrizität bei zunehmender Drehzahl zu vergrössern, bei abnehmender Drehzahl zu vermindern trachtet. Da bei einem und demselben Schaufelrade unter sonst gleichen Verhältnissen die Vergrösserung der Exzentrizität mit einer Vergrösserung der Leistungsaufnahme verbunden ist, stellt ein derartig wirkender Regler das Steuerzentrum selbsttätig stets auf jenes Mass der Exzentrizität ein, bei dem unter den gegebenen hydraulischen Verhältnissen eben die volle Antriebsleistung bei Einhaltung der normalen Drehzahl ausgenutzt wird.
Bei der oben beschriebenen Steuerbewegung wird daher bei eifindungsgemässer Anordnung eine von Hand bewirkt9 periphere Schwenkung des Steuerzentrum mit einer selbsttätig bewirkten Radialverstellung verbunden, wobei die Exzentrizität vom Regler sets auf jener Grösse gehalten wird, bei dem die Antriebsmaschine gerade noch mit ihrer normalen Drehzahl laufen kann.
In der Figur ist beispielsweise eine Einrichtung zur Durchführung des Regelungsverfahrens dargestellt, bei der die radiale Verstellung unter der Einwirkung eines Reglers und die periphere Verstellung von Hand geschieht. Auf dem Ende der Welle a sitzt der Radkörper b mit den achsparallelen Schaufeln c. In dem Radkörper b ist der Steuermechanismus für die Bewegung der Schaufeln untergebracht, dessen Steuerzentrum durch den aus dem Radkörper herausragenden Zapfen d dargestellt ist. Dieser Zapfen d ist auf einer Führungsschiene e in radialer Richtung verschiebbar angeordnet. Die Schiene e ist an einem um die Welle schwenkbaren Teil f befestigt, der die Nabe eines Zahnrades g bildet, das mit dem Zahnrad 7t in Eingriff steht und durch das Steuerrad i gedreht werden kann.
Hiedurch ist also die periphere Verstellung des Steuerzentrums mittels des Steuerrades möglich.
Der Steuerzapfen d wird von einem Gabeldoppelhebel k gefasst, dessen anderes Ende an der Muffe I angreift, die mittels der Zugstangen mund Winkelhebel n vom Regler in senkrechter Richtung längs der Schaufelradwelle verschoben wird und dabei mittels des Gabelhebels k den Steuerzapfen d (d. i. das Steuerzentrum) in radialer Richtung verschiebt.
Bei dieser Regelungsart kommen die erwähnten Leistungsverluste der Antriebsmaschine in Wegfall, und überdies arbeitet, wie Rechnung und Versuche erwiesen haben, das Schaufelrad bei einer solchen erhöhten Belastung bei erfindungsgemässer Regelung auch hydraulisch günstiger, weil bei der durch die kleinere Exzentrizität erlangten normalen Drehzahl sein Wirkungsgrad höher ist als bei grösserer Exzentrizität des Steuerzentrum und verminderter Drehzahl. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch in gerader Fahrt bei Veränderungen des Fahrwiderstandes durch Wind, Wellen u. dgl. der Regler das Schaufel-
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zu holenden Antriebsleistung gewährleistet.
Auch bei der Umkehrung der Schubrichtung um 180 tritt der Vorteil einer selbsttätigen Regelung des Steuerzentrum augenfällig in Erscheinung. Es wird hiebei nach Umlegen der Steuerung auf die Schubriehtung Zurück"das Steuerzentrum anfänglich-d. h. solange das Schiff noch mit unverminderter Geschwindigkeit weiterläuft-vom Regler auf eine nur kleine Exzentrizität eingestellt, die wiederum die volle Leistung der Antriebsmaschine mit der günstigsten hydraulischen Ausnutzung verbindet. In dem Masse, in dem das Schiff sich verzögert, vergrössert der Regler selbsttätig die Exzentrizität, so dass in jedem Augenblicke des Reversiervorganges die grösste rücktreibende Kraft wirkt, die aus der gegebenen Maschineneinrichtung überhaupt zu holen ist.
Es gelingt damit, die Auslaufstrecke eines Fahrzeuges, welches mit einem gemäss der Erfindung geregelten Schaufelrad versehen ist, sehr erheblich zu verringern.
Durch geeignete Ausbildung des Reglers ist es möglich, das Reservieren ohne periphere Schwenkung um 180 so auszuführen, dass das Steuerzentrum vom Regler längs eines Durchmessers auf die diametral gegenüberliegende Seite verstellt wird, sobald ein umstellbares Organ des Reglers durch äusseren Eingriff aus der Lage"Vorwärts"in die Lage "Zurück" umgeschaltet wird.
Es kann auch ein Schaufelrad erfindungsgemäss so gesteuert werden, dass beide Verstellungskomponenten des Steuerzentrum (radiale und periphere Verstellung) automatisch erfolgen. Dies benutzt man vorteilhafterweise dazu, zwei verschiedene Führungsgrössen auf die Steuerung des Schaufelrades einwirken zu lassen. Als Ausführungsbeispiel hiefür sei ein Wasserfahrzeug mit einem Schaufelrad angeführt, bei dem die radiale Verstellung wie beschrieben, in automatischer Abhängigkeit von der Drehzahl, gleichzeitig aber auch die periphere Verstellung (Richtungssteuerung) ebenfalls selbsttätig durch den Schiffskompass bewirkt wird.
Bei einem solchen Fahrzeug ist nur die Brennstoffzufuhr der Antriebsmaschine auf konstante Belastung einzustellen, während der ganze Vortriebs-und Steuerungsvorgang sich selbsttätig den jeweils gestellten Bedingungen anpasst.
Als weiteres Anwendungsbeispiel sei die erfindungsgemässe Anordnung bei einem Schaufelrad gezeigt, das in geschlossenem Gehäuse eingebaut als Wasserturbine verwendet wird. Es werde hiebei beispielsweise wiederum nur die radiale Verstellung des Steuerzentrum von einem selbsttätigen Regler bewirkt, während eine periphere Verstellung überhaupt nicht vorgesehen sei. Dieser Regler kann unter der Wirkung der Drehzahl, der Oberwasserspiegellage oder einer andern für den Betrieb massgebenden Führungsgrösse stehen.
Schaufelräder der beschriebenen Art, welche als Turbine in geschlossenem Einbau verwendet werden, wirken derart, dass Wasserverbrauch und Leistung mit der Exzentrizität des Steuerzentrum wachsen oder abnehmen. Das erfindungsgemässe Regelungsverfahren ist daher, wenn das Steuerzentrum in Abhängigkeit von der Drehzahl verstellt wird, geeignet, eine sehr schnell wirkende und genaue Regelung der Turbinenleistung zu erzielen, wobei so wenig schwere Regelteile zu verstellen sind, dass sehr grosse Arbeitsgeschwindigkeiten der Reglerservomotoren möglich sind.
Unterstellt man anderseits den Regler in geeigneter Weise der Wirkung von Wasserspiegel- änderungen, so gestattet diese Anordnung die selbsttätige Anpassung an die zur Verfügung stehende Wassermenge, ohne dass das dem Laufrade zufliessende Wasser abgedrosselt, d. h. durch verstellbare Querschnitte geführt wird.
Die Veränderung der Exzentrizität des Steuerzentrum einer Schaufelradturbine bedeutet aber weiters eine Veränderung der Schnelläufigkeit (d. i. der spezifischen Drehzahl ns) der Turbine. Lässt man daher den selbsttätigen Regler, der das Steuerzentrum verstellt, in geeigneter Weise von einer Führunggrösse beeinflussen, die ein Mass des Nutzgefälles bildet, so erhält man eine Turbine, bei der ein und dieselbe konstante Drehzahl der Hauptwelle auch bei grossen Schwankungen des Gefälles stets die"Normaldrehzahl"bildet. Eine solche Turbine ist besonders geeignet zur Ausnutzung von Niederdruckkraftstufen mit stark schwankendem Gefälle und ergibt auch bei diesen Betriebsbedingungen, welche mit bisher bekannten Konstruktionen nur sehr unvollkommen zu beherrschen waren, einen fast unveränderlichen Wirkungsgrad.
Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Anordnung für Schaufelräder, die als Pumpe oder Gebläse arbeiten, wird erreicht, dass Förderhöhe und Fördermenge in Abhängigkeit von den gestellten Anforderungen durch Veränderung der Stellung des Steuerzentrum sich einstellen, die vielfach verwendete verlustreiche Drosselung wird vermieden und grosse Anpassungsfähigkeit der Pumpe, z. B. an wechselnde Förderhöhe, erzielt.
Es ist natürlich auch bei Turbinen, Pumpen und Gebläsen möglich, das Steuerzentrum automatisch in peripherer Richtung verstellen oder es eine Bewegung ausführen zu lassen, die aus einer radialen oder peripheren zusammengesetzt ist, oder aber die radiale und die periphere Verstellungskomponente von zwei verschiedenen Führungsgrössen abzuleiten.
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