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Schaufelradpropeller.
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die hintere zu bezeichnen. (Im Sinne des Vorschubes T wäre die linke Radhälfte die vordere und die rechte die hintere, was aber hier unberücksichtigt bleiben soll. ) Beim Propellerbetrieb wird die Strömung des Mediums durch die vordere (rechte) Radhälfte beschleunigt, so dass also die Strömungsgeschwindigkeit im Bereiche der hinteren (linken) Radhälfte grösser ist. Soll also bei einem bestimmten Slip der Anströmwinkel an den Schaufeln, die die vordere Radhälfte durchlaufen, gleich dem Anströmwinkel an den Schaufeln der hinteren Radhälfte sein, so muss die Steigung der Schaufeln an der hinteren Radhälfte grösser sein als an der vorder.
Dabei können die Steigungen der vorderen und der hinteren Radhälfte so gewählt werden, dass die Anströmwinkel in beiden Radhälften gleich oder zumindest annähernd gleich werden, wobei natürlich die quadratische Zunahme der Profilauftriebskräfte der verschiedenen Geschwindigkeiten wegen zu berücksichtigen ist. Damit wird aber auch erreicht, dass die "Auftriebskraft" an den Schaufeln beider Radhälften mehr oder minder gleich wird.
Vorschläge in dieser Richtung, die durch Verminderung der Beaufschlagung der vorderen Radhälfte durch Verkleinern der Schaufelanstellwinkel und durch Vermehrung der Beaufschlagung der hinteren Radhälfte durch Vergrössern der Schaufelanstellwinkel zum Zwecke der gleichmässigeren Arbeitsverteilung auf beide Radhälften eine Verbesserung erreichen wollen, haben bei gegebenen Betriebsgrössen zwangläufig eine Verminderung des gesamten Arbeitsbetrages und damit eine Verschlechterung des erreichten Gesamtwirkungsgrades zur Folge.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird aber dafür gesorgt, dass, wenn das Schaufelrad als Propeller oder als Pumpe wirkt, die Belastung der vorderen Radhälfte gleich oder ungefähr gleich bleibt der Belastung der vorderen Hälfte eines Schaufelrades der bekannten Art, dass aber die Belastung der hinteren Radhälfte vergrössert wird, bei Verwendung des Schaufelrades als Turbine umgekehrt, wodurch Leistung und Wirkungsgrad des Schaufelrades verbessert wird.
Um dies zu ermöglichen, wird gemäss der Erfindung von dem für jeden Betriebszustand an einer bestimmten Stelle befindlichen einheitlichen LeitpunktN abgegangen, und es wird ein Führungsmechanismus angewendet, der, wie dies die Fig. 2 schematisch zeigt, so beschaffen ist, dass die Schaufelnormalen der die vordere Radhälfte durchlaufenden Schaufeln sich in einem Punkte schneiden, der dem Radmittelpunkt 0 näher liegt als der Leitpunkt N2, in welchem sich die Schaufelnormalen der die hintere Radhälfte durchlaufenden Schaufeln treffen. Die beiden Punkte Ni und N2 liegen aber ebenso wie der Punkt N auf dem auf. der Strömungsrichtung V senkrecht stehenden Raddurchmesser D.
Auf der vorderen Radhälfte hat also der Leitpunkt i die Führung der Schaufelnormalen und damit auch der Schaufeln und in der hinteren Radhälfte geht die Führung der Schaufeln auf den Leitpunkt N2 über.
Wird das Schaufelrad als Turbine verwendet, so liegen die Verhältnisse umgekehrt, weil dann das Wasser, das auf der vorderen Radhälfte Arbeit geleistet hat, mit verminderter Geschwindigkeit zur hinteren Radhälfte gelangt, so dass also dort die Steigung verkleinert werden muss, wenn der Anströmwinkel gleich oder nahezu gleich bleiben soll. Wird das Schaufelrad als Pumpe verwendet, so liegen die Verhältnisse ähnlich wie beim Propellerbetrieb.
Bei dem bekannten Bewegungsgesetz der Schaufeln, wie es an Hand der Fig. 1 besprochen worden ist, ergibt sich, insbesondere wenn man durch Einstellung des Leitpunktes N in grösseren Abständen von dem Radmittelpunkt 0 eine grössere Steigung erreichen will, der Übelstand, dass in dem Quadrantenbereich des Schaufelkreises K, der auf seiten der Exzentrizität des Leitpunktes N liegt, jede dort durchlaufende Schaufel eine Bewegung ausführen muss, die sowohl vom hydraulischen als auch vom mechanischen Standpunkte aus höchst ungünstig ist. Wie die Fig. 1 erkennen lässt, muss die Schaufel, die aus der Stellung 87 über die Stellung 88 in die Stellung 81 gelangen soll, auf einem verhältnismässig kurzen Weg um ungefähr 180'geschwenkt werden.
Dies hat aber sowohl vom mechanischen als auch vom hydraulischen Standpunkte aus schwerwiegende Nachteile.
Der Auftrieb eines Tragflügels-und die Schaufeln des in Rede stehenden Schaufelrades sind als Tragflügel zu betrachten-ist proportional dem Anströmwinkel und der Strömungsgeschwindigkeit.
Übersteigt der Unterdruck bei grossem Auftriebsbeiwert ein zulässiges Mass, so treten Ablösungserscheinungen und Kavitationen ein. Anströmwinkel und Strömungsgeschwindigkeit müssen daher auch bei dem Schaufelrad innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden.
Die hydraulischen Verhältnisse sind infolge der Eigenart der Schaufelbewegung, wie sie an
Hand der Fig. 1 geschildert worden ist, an verschiedenen Stellen des Kreises K verschieden und insbesondere besteht ein wesentlicher Unterschied der Verhältnisse im Bereiche des Quadranten E-F gemäss Fig. 3, gegenüber den Verhältnissen auf den beiden Quadranten F-G und H-E. Diese
Quadranten sind durch die Raddurchmesser Dl'D2 begrenzt, die aufeinander senkrecht stehen und gegenüber dem Durchmesser D, auf welchem sieh der Leitpunkt N befindet, nach beiden Seiten um 45 versetzt.
Von den Verhältnissen in dem Quadrantenbereich E-F sind auch die Verhältnisse auf dem Quadrantenbereich G-H wesentlich verschieden ; doch genügt es, wenn die Schaufeln in dem
Quadrantenbereich G-H sich der Relativströmung anschmiegen. Es sei ausdrücklich betont, dass die angegebenen Quadrantengrenzen nicht als scharfe Begrenzungen anzusehen sind ; es sollen hier vielmehr nur quadrantenartige Bereiche angedeutet werden.
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Wodurch die Verhältnisse in den genannten Quadrantenbereiehen verschieden sind, zeigen die verschiedenen Schaufelstellungen der Fig. 1.
Arbeiten die Schaufeln bei der in Fig. 1 veranschaulichten Schaufelbewegung, wobei also bei einem bestimmten Betriebszustand ein einheitlicher und an einer bestimmten Stelle stehender Leitpunkt N massgebend ist, in den Quadranten F-G und N-B (hinterer und vorderer Quadrant) mit noch zulässigen Winkelwerten und hohem Slip, so werden die zulässigen Winkelwerte im Quadranten E-F, wo die Schaufeln, wie bereits erwähnt, eine sehr rasche Schwenkung vollführen, überschritten. Will man im Quadranten E-F zulässige Winkelwerte erhalten, so muss man in diesem Quadranten die Steigung verkleinern.
Es muss also der Leitpunkt, der gemäss Fig. 3 für einen gewissen Betriebszustand bei N eingestellt ist, für die den Quadranten E-F durchlaufenden Schaufeln dem Radmittelpunkt 0 genähert, also z. B. nach N3 verlegt werden. Dies kann in einem solchen Mass geschehen, dass selbst bei grosser Steigung der Schaufeln, die die Quadranten F-G und H-E durchlaufen, die Anströmwinkel für die den Quadranten E-F durchlaufenden Schaufeln innerhalb zulässiger Grenzen verbleiben. Es ist daher möglich, bei schneller Fahrt zur Ermässigung der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln die Steigung in dem vorderen und hinteren Quadranten zu vergrössern.
Dies kann so weit gehen, dass der Leitpunkt N für die den vorderen und hinteren Quadranten durchlaufenden Schaufeln auf dem Durchmesser D von dem Radmittelpunkt 0 bis in die Kreislinie K oder über sie hinaus verschoben wird.
Je näher der Leitpunkt jVg an den Radmittelpunkt 0 herangerüekt wird, desto kleiner wird die Steigung der den Quadranten E-F durchlaufenden Schaufeln, und wird eine gewisse Grenze der Annäherung des Punktes Vg an den Radmittelpunkt überschritten, so wirken die den Quadranten E bis F durchlaufenden Schaufeln als Turbinenschaufeln, indem sie von der Wasserströmung, die durch die den vorderen und hinteren Quadranten durchlaufenden Schaufeln erzeugt wird, angetrieben werden. Dies kann in manchen Fällen sogar erwünscht sein, da ja auch schon vorgeschlagen worden ist, bei Schraubenpropellern die Steigung der Flügel gegen die Nabe hin derart zu verkleinern, dass sie im Bereich der Nabe als Turbinenschaufeln arbeiten.
Es wurde hier also gezeigt, dass es aus zwei Gründen vorteilhaft ist, von dem Schaufelbewegungs- gesetz, wie es dem österr. Patent Nr. 105723 entspricht (vgl. auch Fig. 1), abzugehen, also von dem Gesetz, das dadurch definiert ist, dass die Schaufelnormalen bei jedem Betriebszustand durch einen bestimmten Leitpunkt hindurchgehen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll aber der Leitpunkt für verschiedene Teile des von den Schaufeln durchlaufenen Weges eine andere Stellung einnehmen, u. zw. einmal, um die Steigung an der vorderen und an der hinteren Radhälfte verschieden gross zu machen und das andere Mal, um die Steigung in dem vorderen und hinteren Quadranten grösser halten zu können als in dem Quadranten, der auf seiten der Exzentrizität des Leitpunktes gelegen ist. Da der Leitpunkt aus den angegebenen Gründen bei jeder ganzen Umdrehung einer Schaufel seinen Ort wechseln soll, so ist es eigentlich nicht mehr richtig, überhaupt von einem Leitpunkt zu sprechen, und es empfiehlt sich daher, von dem Schnittpunkt der Schaufelnormalen mit jenem Raddurehmesser zu sprechen, der senkrecht zur Strömungsrichtung liegt.
Dieser Schnittpunkt wird also für jeden Betriebszustand innerhalb gewisser Grenzen für jede Schaufel hin-und herspringen oder auch hin-und herwandern, u. zw. im Sinne der Fig. 2, z. B. zwischen den Stellen N1 und N2 und im Sinne der Fig. 3, z. B. zwischen den Stellen N und N3. Dabei haben aber diese Punkte in den Fig. 2 und 3 verschiedene Bedeutung, weil sie sich ja auf die Schaufelnormalen von Schaufeln beziehen, die sich im Sinne der Fig. 2 an andern Stellen des Umkreises befinden als im Sinne der Fig. 3. Für den Propellerbetrieb ist NI der Normalenschnittpunkt für die die vordere Radhälfte durchlaufenden Schaufeln und N2 der Normalensehnitt- punkt für die die hintere Radhälfte durchlaufenden Schaufeln.
Gemäss Fig. 3 ist N der Normalenschnittpunkt für die den vorderen und hinteren Quadranten durchlaufenden Schaufeln und Na der Normalenschnittpunkt für die Schaufeln, die den auf seiten der Exzentrizität der Schnittpunkt liegenden Quadranten durchlaufen. Dabei ist es durchaus nicht notwendig, dass die Punkte N, Nt, N2 und Na für ganze mehr oder weniger grosse Bereiche des Schaufelkreislaufes an Ort und Stelle verbleiben ; die Normalenschnittpunkte können vielmehr auch von Punkt zu Punkt des Schaufelkreislaufes ihre Stellung verändern, allerdings unter Einhaltung der hier ausgesprochenen Grundsätze.
Die Normalenschnittpunkte werden daher im Sinne der Fig. 2 und 3 sich innerhalb gewisser Grenzen während jedes Schaufelumlaufes verstellen, für jede Schaufel des Schaufelrades aber selbstverständlich angenähert in gleicher Art und in gleichem Masse.
Nun empfiehlt es sich aber, die beiden Bewegungsgesetze, die durch die Fig. 2 und 3 veranschaulich sind, an einem und demselben Schaufelrad gleichzeitig wirksam werden zu lassen, also die beiden Gesetzmässigkeiten einander gewissermassen zu überlagern. Es soll also beim Propellerbetrieb die Steigung auf der vorderen Radhälfte kleiner sein als auf der hinteren (Fig. 2) ; gleichzeitig soll aber die Steigung in dem auf seiten der Exzentrizität der Normalenschnittpunkte liegenden Quadranten kleiner sein als die Steigungen im vorderen und hinteren Quadranten (Fig. 3).
Die Kombinierung der beiden Bewegungsgesetze wird durch die Fig. 4 veranschaulicht. Dabei sind für einen bestimmten Betriebszustand auf dem Durchmesser D vier Schnittpunkt von Schaufel-
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normalen angedeutet und die zur vorderen Radhälfte gehörigen mit N1 und die zur hinteren Radhälfte gehörigen mit N2 bezeichnet. Die beiden Schnittpunkt, die zu dem oberen Quadranten (also dem auf seiten der Exzentrizität aller Schnittpunkt gelegenen) gehören, haben aber überdies noch den Index 3 erhalten, so dass also diese beiden Schnittpunkt mit N13 und N23 bezeichnet sind.
Durch diese Kombinierung ist erreicht, dass allen Forderungen, wie sie sich auf Grund der hier besprochenen Erkenntnisse ergeben haben, im vollsten Masse Rechnung getragen wird.
Anstatt eines Leitpunktes für einen gewissen Betriebszustand gibt es nun Bereiche von Normalenschnittpunkten, innerhalb deren die Schnittpunkt sich während des Schaufelumlaufes für einen bestimmten Betriebszustand bewegen, u. zw. entweder sprungweise oder allmählich ; diese Bereiche können aber, ebenso wie früher der einheitliche Leitpunkt, sowohl diametral als auch im Kreise verstellt werden, wenn der Betriebszustand geändert werden soll.
All dies gilt sinngemäss auch für jede andere Anwendungsart eines solchen Schaufelrades, also auch für eine derartige Schaufelradpumpe oder Schaufelradturbine.
In konstruktiver Beziehung kann ein Führungsmechanismus, der die hier besprochenen Bewegungsgesetze einzeln oder kombiniert verwirklicht, in mannigfache Weise ausgeführt werden. Ist die gewünschte Stellung einer Schaufel an jedem Punkte ihres Kreislaufes so ermittelt worden, wie es unter Berücksichtigung der hier mitgeteilten Erkenntnisse vom hydraulischen Standpunkte aus am günstigsten ist, so ist es nicht schwer, eine kinematische Einrichtung zu finden, die diese Schaufelstellungen zwangläufig gewährleistet. Dies kann mittels entsprechend gestalteter Führungen oder Lenkersysteme geschehen ; es ist aber auch möglich, solche Schaufelbewegungen vermittels entsprechender Steuerungsvorrichtungen auf hydraulischem oder elektrischem Wege zu erzwingen.
Die Fig. 5 zeigt als Beispiel eine Ausführungsform eines Lenkermechanismus, der zur Verwirklichung des kombinierten Bewegungsgesetzes geeignet ist.
Die Achse 1 jeder Schaufel 2 trägt einen Arm 3, der durch einen Lenker 4 mit dem Arm 5 eines Winkelhebels verbunden ist, dessen Drehpunkt 6 an dem Radkörper gelagert ist und dessen zweiter Arm 7 in einer Schlitzführung 8 geführt ist. Diese Schlitzführung 8 ist auf einem Ring 9 angeordnet und darauf um eine Achse drehbar gelagert, welche parallel zur Drehachse 10 des Rades liegt. Der Ring 9 kann gegenüber dem Rad in radialer Richtung verschoben werden und überdies kann sein Mittelpunkt 11 auch um den Radmittelpunkt 10 gedreht werden. Durch verschiedene Einstellung des Mittelpunktes 11 des Ringes 9 im Verhältnis zum Radmittelpunkt 10 kann der Betriebszustand des Schaufelrades geändert werden.
Bei der Drehung des Rades muss aber der Rirg 9 dazu veranlasst werden, sieh isochron mitzudrehen. Bei dieser isochronen Drehbewegung des Rades und des Ringes 9 verstellt sich, wie die Fig. 5 zeigt, der Lenkermechanismus jeder Schaufel so, dass die Schaufeln Bewegungen ausführen, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht sind. Die in Fig. 5 mit strichpunktierten Linien eingetragenen Schaufelnormalen schneiden den Raddurchmesser D, wie man sieht, in verschiedenen Punkten, u. zw. so, wie es dem in Fig. 4 veranschaulichten Bewegungsgesetz entspricht.
Ähnliche Führungsmechanismen sind durch die österr. Patente Nr. 114323 und 146547 bereits bekanntgeworden. Von diesen bekannten Mechanismen unterscheidet sich der nach Fig. 5 aber durch eine besondere Wahl der Längenverhältnisse der Elemente zur Übertragung der Bewegung des exzentrischen Ringes 9 auf die Schaufeln 2. Der Arm 5 ist länger als der Arm. 3 und die Länge des Lenkers 4 ist so gewählt, dass die Arme 3 und 5 in den meisten Stellungen gegen die Gelenkpunkte 1 und 6 hin konvergieren. Die Verschiedenheit der Länge der Arme 3 und 5 hat zur Folge, dass die Steigung der Schaufeln gegenüber einem ähnlichen Lenkermechanismus vergrössert wird, bei welchem die Arme 3 und 5 gleich lang wären und die erwähnte Konvergenz dieser beiden Arme bewirkt die besondere Verteilung der verschiedenen Steigungen, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Es handelt sich hier also darum, die abgeleitete Bewegung des Armes 3 und damit der Schaufel 2 gegenüber der führenden Bewegung des Armes 5 zu vergrössern und überdies noch die erforderlichen Ungleichförmigkeiten der Bewegungsübertragung hervorzurufen.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, dass es mit verhältnismässig einfachen Mitteln möglich ist, die vorhin geschilderten Sehaufelbewegungen zu verwirklichen und so können auch Führungsmechanismen und Übertragungsmittel anderer Art zur Erzwingung solcher Schaufelbewegungen geeignet gemacht werden.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Schaufelradpropeller mit annähernd parallel zur Drehachse des Rades gelagerten und während der Drehung um ihre Achsen schwingenden Schaufeln, bei dem die Sehaufelprofile an den Endpunkten des senkrecht zur Fahrtrichtung liegenden Radkreisdurchmessers auf diesen senkrecht stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkt (N) der Schaufelnormalen (R) mit dem zur Fahrtrichtung senkrecht liegenden Radkreisdurchmesser (D-D) im Bereich der Vorlaufquadranten (G-H) weiter vom Radmittel (0) entfernt sind als im Bereich der Rücklauf quadranten (E undF).