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Antriebsvorrichtung für Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge u. dgl.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Antriebsvorrichtung für Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge u. dgl. Die Erfindung kennzeichnet sich durch einen von einer Welle getragenen kreisrunden Rotor, dessen ringsförmiger Randteil ein Oberflächenprofil besitzt, welches jenem der Oberseite eines gewöhnlichen, gewölbten Flugzeugflügels gleicht, und eine nach innen gegen die Welle gerichtete Eintrittskante aufweist, sowie Mittel, um das Strömen des Arbeitsmediums zunächst im wesentlichen parallel zur Welle gegen die Mitte des Rotors zu und dann im wesentlichen radial nach hinten und in entsprechendem Anstellwinkel der Oberfläche des ringförmigen Randteiles entlang zu veranlassen, wobei sich die Sehne des Randteiles, d. h.
eine durch die Wellenmitte gehende, die Innen-und Aussenkante der Oberfläche des Randteiles verbindende Linie nach hinten erstreckt und zur Wellenachse geneigt steht.
In weiterer Folge bezieht sich die Erfindung auf eine Antriebsvorrichtung der vorhin beschriebenen Art, bei welcher die strömungsveranlassenden Mittel aus einer Anzahl entsprechend gestalteter Flügel bestehen, welche vom Randteil des Rotors abstehen, wobei die innere Kante jedes Flügels seiner äusseren Kante in der Drehrichtung voreilt, und vorzugsweise derart gestellt ist, dass die Sehne des Flügels mit der von der Wellenmitte zur Eintrittskante des Flügels gehenden Radiallinie einen Winkel von 40 bis 600 einschliesst,
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Antriebsvorrichtung der vorgenannten Art, bei welcher der Rotor derart ausgebildet ist, dass er das Arbeitsmedium in Form eines ringförmigen, nicht drehenden Stromes in einem entsprechenden Anstellwinkel an die entsprechend abgestumpfte Nase eines relativ ortsfesten,
unmittelbar hinter dem Rotor angeordneten Rumpfbootes abgibt, wobei der Vorderteil des Rumpfbootes ebenfalls ein der Oberseite eines Flugzeugflügels ähnliches Oberflächen- profil besitzt.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht, u. zw. zeigt Fig. 1 in schematischer Ansicht das Profil des ganzen Rotors und eines Teiles der anschliessenden relativ ortsfesten Fläche, Fig. 2 eine Vorderansicht des Rotors, Fig. 3 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht des Rotors, wobei die Ausbildung des Laufradschildes und seiner Schaufeln kenntlich gemacht ist und Fig. 4 zusätzliche Ringe sowie Einzelteile in einem Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 1.
Die erfindungsgemässe Einrichtung besteht aus einem mit Schaufeln 2 versehenen Schild 1, wobei das ganze mittels irgendwelcher, nicht dargestellter, aber vorzugsweise im ortsfesten Teil 3 der Vorrichtung untergebrachte Antriebsmittel um'die Achse X-X verdreht wird.
Der Schild 1, welcher auf der Treibfläche 4 aufgekeilt ist, weist in der Mitte eine nach vorne gerichtete konvexe Fläche 1 a auf, an welche sich eine weitere konvexe Fläche 1 b anschliesst, welche ähnlich angeordnet ist, jedoch ein Oberflächenprofil besitzt, das jenem der Oberseite eines Flugzeugflügels gleicht, mit einer an der Peripherie der ersterwähnten Fläche 1 a (Fig, 3) befindlichen Eintrittskante j ! c. Diese Eintrittskante 1 c verursacht eine anfängliche Ablenkung, die ein Strömen des Mediums in der Richtung hinter der Ebene der Drehung begünstigt, insbesondere bei Vorwärtsbewegung der Vorrichtung.
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Die konvexe Krümmung des Teiles 1 a kann mehr oder minder. bis zur Kegelförmigkeit ausgeprägt sein, mit der Spitze nach vorne gerichtet, z. B. beim Arbeiten in Wasser.
Die Arbeitsflächen der Schaufeln 2 stehen zum Radiusvektor in jedem Punkt in einem Neigungsbzw. Anstellwinkel von ungefähr 45 , was ihnen in bezug auf die Drehrichtung M eine konvexe Form verleiht. Diese Schaufeln können entweder an den Rotor, welcher selbst aus einem oder mehreren Teilen besteht, angegossen bzw. an demselben angeordnet, oder vorzugsweise hinter dem Rotor auf einer axial verstellbaren Querplatte befestigt werden, so dass die Flügel durch in letzterer vorgesehene entsprechend geformte Öffnungen hindurch verschiebbar sind. Die auf den Rotor wirkenden Fliehkräfte, welche denselben zu deformieren imstande wären, werden somit herabgesetzt.
Auf diese Weise werden die Flügel, welche mit dem Randteil des Rotors auf Drehung zu einer Einheit verbunden sind, in bezug auf letzteren in der Richtung der Achse X-X beweglich gemacht, so dass das Ausmass ihres Vorragens vor der Fläche 1 b verändert werden kann. Statt gekrümmter Flügel können auch solche von ebener Gestalt verwendet werden.
Obwohl sie keine unbedingt theoretisch genaue Darstellung der Funktionsweise bietet, mag folgende Erklärung für das Verständnis der Arbeitsweise der Vorrichtung nützlich sein :
Es handelt sich darum, eine von der Mitte des Rotors gegen die Peripherie desselben verlaufende Strömung zu erzeugen. Hiezu wird eine gewisse Anzahl von Flügeln 2 auf den Teil 1 b des drehbaren Seitenschildes 1 befestigt, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Es ist unerlässlich, für das möglichst wirksame Arbeiten der Vorrichtung, dass die Anordnung der Flügel derart ist, dass bei grösstmöglichem Wirkungsgrad eine maximale Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erzielt wird, ohne dass den Strömen eine drehende Bewegung erteilt wird, so dass sie von der Fliehkraft, welche sie in der Drehungsebene auseinander zu treiben bestrebt wäre, unbeeinflusst bleiben.
Infolge der kreisförmigen Laufbahn der Flügel übt das Medium auf dieselben einen auf ihre Fläche normal gerichteten Widerstand R (Fig. 2) aus. Dieser Widerstand R lässt sich in zwei Kräfte zerlegen, eine radiale Kraft jR und eine tangentiale Kraft R2. Der Widerstand R2, welcher das passive Drehmoment darstellt, wirkt dem passiven Drehmoment F2 des Antriebes entgegen ; damit sich das Kräftesystem im Gleichgewicht befindet, wird daher jeder Flügel auf das Medium eine dem Widerstand Bi entgegengesetzte Kraft ausüben, welche radial gerichtet ist, und die Wirkung hat, das Medium gegen den Umfang in der Richtung zu drängen.
Wenn in jedem Punkt des Flügels die Tangente zur Flügeloberfläche mit dem Radius einen
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geschwindigkeit jedes Punktes des Flügels im wesentlichen gleich ist.
Sobald sich der Rotor dreht, entweicht das Medium in der Richtung Fi und erzeugt eine Strömung, welche von der Mitte des Rotors gegen die Peripherie desselben verläuft, und infolgedessen von im Wesen gleichbleibendem Strömungsquerschnitt ist.
Die relative Geschwindigkeit zwischen der kreisende Bewegung LI des Flügels und der Strömung des Mediums L2 verläuft in der Richtung L)', welche im wesentlichen tangential zur Flügeloberfläche ist.
Das aus der Mitte des Rotors abgesaugte Medium trifft die Flügel beim Strömen in der relativen Richtung Lr, d. h. bei einem Neigungswinkel von fast Null, und fliesst weiterhin tangential zur Flügeloberfläche ; auf diese Weise gleitet das Medium, bei seiner Bewegung in bezug auf die Flügel, entlang der letzteren mit einer radialen Geschwindigkeit, welche stets der tangentialen Geschwindigkeit der Flügel gleicht, und aus diesem Grunde nicht in Drehung geraten kann, da es in Wirklichkeit den Weg L2 nimmt.
Es zeigt sich, dass bei ebenen Flügeln dem Medium eine annähernd gleichmässige Beschleunigung in radialer Richtung ohne merklicher Drehbewegung erteilt wird.
Versuche ergaben, wenn eine Drehung des Stromes stattfindet, dass das Medium beim Verlassen des Rotors in alle Richtungen zerstreut wird, derart, dass ein Teil des Mediums nach vorne zurückkehrt, um nochmals eingesaugt zu werden, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht, welcher durch Herbei-
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Zweitens, da das Medium in einem entsprechenden Anstellwinkel zur gewölbten Oberfläche des Randteiles und gegen den Umfang desselben getrieben wird, erzeugt es einen Niederdruckbereich vor einem Teil des Randteiles, was zur Folge hat, dass auf diesen eine Zugwirkung ausgeübt, und die Strömung zur Oberfläche desselben an seinem Umfang zurückgebracht wird, wo es, da keine tangential gerichtete Kraft darauf wirkt, den Rotor in Richtung Di ungefähr tangential zum letzten Element der Erzeugenden der Scheibe 1 verlässt.
Die Strömung, welche zuerst divergierend ist, wird späterhin konvergierend, gegen den hinteren Teil des entsprechend geformten (mit gekrümmter Oberfläche versehenen) Rumpfbootes, und schliesst sich im späteren Verlaufe hinter dem letzteren zusammen. Das Medium entweicht daher dem Rotor mit der Geschwindigkeit Vi und strömt über die Oberfläche des Rumpfbootes hinweg.
Der Vorderteil 3 dieser Oberfläche stellt jene Fläche dar, auf der der übrige Teil der Zugkraft dadurch erzeugt wird, dass eine Druckverminderung vor dem grössten Querschnitt C*-D und eventuell ein Vorschubdruck hinter diesem Querschnitt hervorgerufen wird,
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Beim Arbeiten in der Luft ist es von Vorteil, um den grösstmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, das Längsprofil Al Ni C des Rumpfbootes derart zu gestalten, dass es gegen vorne zu eine gewisse konvexe Krümmung 5 besitzt, bzw. eine Eintrittskante aufweist, die jener der Oberseite eines Flugzeugflügels gleicht, u. zw. derart, dass die Strömungsrichtung Di des Mediums mit der Sehne des Profilquerschnittes A, N, C einen Winkel einschliesst, der zur Erreichung des gewünschten Zieles geeignet ist, z.
B. einen Winkel von 15 bis 16 . Der Rotor lässt sich jedoch auch wie in Fig. 4 dargestellt, ausbilden, wobei der Anfang des ablenkenden Randes 5 des Rumpfbootes am Rotor 1 ausgebildet ist.
Wenn A-B der Durchmesser des Rotors und C-D jener des grössten Querschnittes des anschliessenden Körpers ist, (wobei C-D notwendigerweise grösser ist als-A-B) wird die Sehne des Profils A, N, C, das dem Profil eines Flugzeugflügels gleicht, durch Verbinden von A und C bestimmt.
Wie im Falle des Flugzeugflügels ruft die erzwungene Luftströmung auf der gesamten Oberfläche eine Reaktion Q hervor, die sich in zwei Kräfte zerlegen lässt, u. zw. in eine Kraft P normal zur Drehachse, die dem tragenden Auftrieb entspricht, der aber im vorliegenden Falle von allen Richtungen entgegen gewirkt werden kann, und welche daher aufgehoben wird, es sei denn, dass besondere Massnahmen getroffen wären, um die Symmetrie der auf die Teile oberhalb und unterhalb des Flugzeugkörpers wirkenden Kräfte zu verändern.
Die andere Kraft T ist parallel zur Drehachse, aber dem Luftwiderstand entgegengesetzt da sie nach vorne gerichtet ist.
Diese Kraft T stellt die erwünschte Vorschubkraft dar. Es ist möglich, ohne an dem Prinzip der Erfindung etwas zu ändern, einen Profilring entweder vor dem Rotor, wie bei 6 dargestellt, zum Schutz der Flügel, oder um das Vorderende des Rumpfbootes, wie bei 7 dargestellt, anzuordnen. Diese Ergänzungen sind jedoch nicht wesentlich für das richtige Arbeiten der Vorrichtung.
Der erfindungsgemässe Rotor kann an einer waagrecht, senkrecht oder beliebig geneigt angeordneten Welle aufgekeilt sein.
Das Funktionieren der Vorrichtung ist überdies einerseits dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in die Flügel bei einem Anstellwinkel eintritt, welcher stets klein ist, wodurch das Arbeiten von der Vorwärtsgeschwindigkeit unabhängig gemacht, und das Ausgleichen des Widerstandes durch das Drehmoment des Rotors ohne eine durch Drehung verursachte Fliehkraftwirkung auf das Medium zu übertragen, ermöglicht wird ; anderseits wird die Strömung nach hinten in Bezug auf die Rotorebene von der Peripherie des letzteren auf die Fläche des zu bewegenden Körpers bei einem Neigungswinkel ausgestossen, welcher einer maximalen Schubwirkung entspricht. Die Mantelfläche des Rumpfbootes muss daher entsprechend dem angestrebten Effekt, wie auch entsprechend der Beschaffenheit des Mediums profiliert sein.
Wenn der Apparat in Bewegung gesetzt wird, ergibt seine Geschwindigkeit V bei Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit V, des Mediums, eine relative Geschwindigkeit Vs, welche mit der Sehne B-D einenNeigungswinkel einschliesst, der'sichbeiErhöhungvon V demWerteO nähert.
Jedem Wert von il entspricht ein Koeffizient R für den Druckabfall, welcher Koeffizient zwischen einem maximalen Wert bei einer bestimmten Grösse von il und o bei einer sehr kleinen, oder vielleicht sogar negativen Grösse von il schwankt, wobei il der Anstellwinkel der tragflügelartigen Fläche bedeutet, und K der auf der tragflügelartigen Fläche herrschende Druckabfallkoeffizient, welcher beim gewöhnlichen Flugzeugflügel einen Auftrieb und bei der erfindungsgemässen Vorrichtung eine Zugkraft hervorruft.
Bei ortsfester Vorrichtung bzw. bei niedrigen Fortschrittsgeschwindigkeiten, hat man wegen grossem Koeffizienten K den Vorteil einer sehr hohen Zugkraft.
Bei zunehmender Geschwindigkeit verringert sich sodann der Wert von K gleichzeitig mit dem Wert vos, jedoch derart, dass in jedem Augenblick die Gleichung :
Aufgewendete Kraft = Zugleistung x Geschwindigkeit unter Verhältnissen, die einen sehr hohen Wirkungsgrad verbürgen, unabhängig von der jeweiligen Eigengeschwindigkeit, Gültigkeit hat.
Die durch einen Propeller gewöhnlicher Bauart mit veränderlicher Steigung erzielbaren Vorteile verwirklichen sich somit von selbst bei der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die Vorrichtung lässt sich in allen Fällen anwenden, bei welchen das schraubenförmige System dazu dienen kann, um entweder die Verschiebung beweglicher Körper, wie Schiffe, Unterseeboote Flugzeuge, Fahrzeuge, oder die Verdrängung von Flüssigkeiten bzw. von Gasen, mit Bezug auf die Vorrichtung, z. B. bei Gebläsen und Saugvorrichtungen, zu bewirken.
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