Schaufelrad. Es gibt bereits verschiedene Konstruk tionen von als Treibräder wirkenden Schau felrädern mit schwenkbaren Schaufeln, die durch einen Führungsmechanismus zwangs läufig nach einem bestimmten Gesetz be wegt, werden, damit eine bestimmte Kraft richtung erhalten werde.
Bei allen diesen be kannten Schaufelrädern werden die Schau feln aber nicht an allen Stellen in einer vom ärodynamischen oder hydraulischen Stand punkte aus richtigen Weise beaufschlagt, und es ist .auch keine Möglichkeit geboten, die Kraftrichtung und Steigung mit kleinstem Energieverluste zu ändern, abgesehen davon, dass die bekannten Räder nur für niedrige Drehzahlen geeignet sind.
Es sind ,auch bereits Schaufelräder be kannt, deren Schaufeln sieh während der Umdrehung des Rades relativ um Achsen, die parallel zur Radwelle liegen, so bewegen, dass die auf den Schaufelflächen senkrecht stehenden und von den Schaufeldrehachsen ausgehenden Leitstrahlen einander stets an- nähernd in einem Punkte schneiden. Dieser Punkt, der im folgenden Leitpunkt genannt werden soll, ist bei diesen Rädern verstell bar, und zwar sowohl durch Drehung um den Radmittelpunkt, als auch durch radiale Verschiebung.
Derartige Schaufelräder, wie sie hier zu letzt angedeutet worden sind, wurden bisher nur zur Verwendung als Huborgane oder Tragorgane bezw. als Räder, die gleichzeitig Hub- und Tr,anslationsarbeit zu leisten ha ben, vorgeschlagen, wobei die Schaufelräder so angeordnet sind, -dass ihre Welle wagrecht liegt. Die Verstellbarkeit des Leitpunktes sollte eine Änderung der Tragkraft und auch eine Änderung des Richtungssinnes einer etwa gleichzeitig vorhandenen Translations- geschwindigkeit ermöglichen.
Bei den letzt genannten Schaufelrädern schliesst die Ver- birndungslinie von dem Vektorenschnittpunkt zum Radmittelpunkt mit der Fahrtrichtung einen spitzen Winkel von kleinem Betrage ein, was eine fehlerhafte Beaufschlagung .der Treibflächen bedingt, w esli.alb auch ,die Fort bewegung dieser Räder finit sehr schlechtem Wirkungsgrade erfolgt.
Eine praktische Be deutung haben die Schaufelräder in dieser Aiiv,endungsart nicht erlangt, und konnten sie auch nicht infolge der sich notwendig einstellenden, falschen Beaufschlagung der Treibschaufeln erlangen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird nun ein solches Schaufelrad zu neuen Zwek- ken benutzt, und zwar in einer Art und Weise, dass es technisch verwertbare Wir kungen äussert, -die bei den bisher vorge schlagenen Anwendungsarten nicht in Er scheinung treten konnten.
Wesentlich neue technische Effekte werden nämlich dann er reicht, wenn die Verbindungslinie von dem Vektorenschnittpunkt zum Radmittelpunkt im normalen Betriebe angenähert senkrecht auf der Fahrtrichtung bem v.
auf der Rich tung der relativen Translationsbewegung zwi schen Rad und Medium steht, so dass ein solches Schaufelrad für den normalen Pro pellerbetrieb für Wasserfahrzeuge aller Art oder für Flugzeuge (bei denen es, wie er w 'ihnt bei wagrechter Wellenlage bisher nur als Huborgan bezw. Hub- und Tragorgan wirken sollte) benutzt werden soll, und zwar vorzugsweise in einer Anordnung mit lot rechter Welle;
es kann auch als Turbinen laufrad mit beliebiger yGTellenlage verwendet @verden, wobei alle Schaufeln, wie bei seiner Anwendung als Propeller, gleichzeitig mit dem umgebenden Medium in Eingriff kom- tuen können und die Relativströmung im Verhältnis zur Radwelle senkrecht zu dieser gerichtet ist.
Die Erfindung betrifft also ein Schaufel rad, das als Propulsionsorgan oder als Tur binen-, Pumpen- oder Gebläselaufrad dient, mit schwenkbaren Schaufeln, die durch einen Führungsmechanismus um Achsen, welche paiallel zur Radachse liegen., so bewegt wer den, da.ss die auf den Schaufelflächen wenig stens angenähert senkrecht stehenden und von den Schaufeldrehachsen ausgehenden Leit strahlen sich stets wenigstens angenähert in einem innerhalb des Schaufelkreises gele- genen Leitpunkte schneiden.
Dieses Schaufel rad ist dadurch bekennzeiclinet, dass :die Ver bindungslinie -des Leitpunktes mit :dem Rad mittelpunkte im normalen Betriebe ange nähert senkrecht auf der Richtung der rela tiven Translationsgeschwindigkeit zwischen Rad und Medium steht und der Abstand a des Leitpunktes vom Radmittelpunkte an genähert gleich dem Ausdrucke
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ist, in welchem v die Leerlauftransl.ations- geschwindigkeit,
as die LeLrlaufumfangsge- schwindigkeit und r- den Halbmesser des Schaufelkreises bedeutet, wobei die Schnell läufigkeit
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im Betriebe von jener im Leer lauf je nach der Belastung in dem bei Tur binen, Propulsionsorganen und dergleichen üblichen Masse abweicht.
Eine Erklärung hierfür soll anhand des in der Zeichnung als Beispiel dargestellten Schemas gegeben werden.
Der Kreis K zeigt den Weg an, auf welchem sich infolge des Antriebes des Schaufelrades die Schwenkpunkte P der Schaufeln 1M um die Achse O herumbewegen, und zwar, wie angenommen werden mag, im Sinne des auf dem Kreise N angegebenen Pfeils.
In der Zeichnung stehen .die von den Schwenkpunkten P ausgehenden Leitstrahlen senkrecht auf den Schaufelflächen und gehen durch den Punkt N hindurch. Praktisch würde es auch genügen, wenn die Leit strahlen annähernd senkrecht auf den Schau feln stünden oder nur annähernd durch den Punkt N hindurchgingen.
Die Schaufeln sind also derart geführt, dass sie, während ihre .Schwenkpunkte sich auf dem Kreise K bewegen, so geschwenkt werden, .dass die von ihren Schwenkpunkten ausgehenden und auf ihnen beispielsweise -senkrecht stehenden Radiusvektoren durch den Punkt N hindurchgehen, gleichsam als ob die Schaufeln M mit in der Richtung der genannten Radiusvektoren ,S\ verlaufenden Stangen starr verbunden wären, die durch eine im Punkte N angeordnete,
drehbare Gleitführung hindurchgehen. Tatsächlich könnte man ja auch den Führungsmechanis mus konstruktiv in der hier angedeuteten Weise ausbilden; es ist aber klar, dass die geschilderte Lenkung der Schaufeln 1M auch in anderer Weise kinematisch ausgeführt werden kann.
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist. werden die Schaufeln an den beiden Enden des Durchmessers, auf welchem der Leit- punkt <I>N</I> liegt, den Kreis K tangieren; in den Zwischenlagen schneiden die Schaufeln den Kreis K -unter verschiedenen Winkeln, wobei aber immer die eine Kante E der Schaufeln im Sinne,der Bewegung vorne und die andere A hinten bleibt.
Das das,Schaufel- ra.d umgebende Medium wird also stets bei der Kante E mit den Schaufeln in Eingriff kommen und sie bei der Kante A verlassen, -wodurch man in der Lage ist, dem Schaufel profil eine dynamisch günstige Form zu geben.
Wird nun ein solches Schaufelrad in einem Medium in Drehung versetzt, so er zeugt es eine Strömung in der Richtung r#. bezw. es beschleunigt, unterhält oder ver zögert eine in dieser Richtung laufende Strömung.
Das bei der linken untern Schaufel 17 in strichpunktierten Linien gezeigte Creschwin- digkeitsdreieck, zusammengesetzt aus der _Umfangsgeschwindigkeit at des Rades, die senkrecht verläuft zum Radius r, der Re lativ geschwindigkeit <I>to,</I> die senkrecht ver läuft zum Radiusvektor S, und der Strö mungsgeschwindigkeit v lässt erkennen,
da.ss die geschilderte Lenkung -der .Schaufeln an allen Stellen eine stossfreie Beaufschlagung gewährleistet. Dabei sind alle genannten Ge schwindigkeiten. jene, die theoretisch bei Leerlauf auftreten, wobei also das Schaufel rad keinerlei Widerstand zu überwinden hat.
Das Schaufelrad arbeitet dann so, wie etwa ein Schraubenpropeller bekannter Bau a a xt mit jener Leerlaufgeschwindigkeit, wel- che der Ganghöhe und Drehzahl der Schraube entspricht. .Selbstverständlich ist man aber in der Lage, auch bei verschiedenen.
Bela- stungen durch entsprechende Wahl der Schaufelstellungen und Schaufelgrösse eine stossfreie Beaufschlagung zu sichern: denn im normalen Belastungsfalle ändert sich beim Propulsionsbetrieb die relative Tr.anslations- gescli-ii-indigkeit v entsprechend dem sich einstellenden Slip bezw. beim Turbinen betrieb die sich einstellende tTmfaaigsge- schwindigkeit,
so @dass die normale Betriebs schnelläufigkeit
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von der Leerlaufschnell- läufigk.eit
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in den für diese Betriebe üb- liclien Grenzen je nach der Belastung variiert.
Die Abweichungen von der Leerlaufs gleichung können so weit gehen, bis der '\,#Tinlrel (Anströmwinkel) zwischen der bei Leerlauf parallel zur Schaufel verlaufenden Relativströmung und der Schaufel den stets (Vleichgerichteten Sinn der Energieumsetzung ohne Ablösungen des Mediums von der Schaufel gewährleistet.
Ist der Führungsmechanismus für die Schaufeln so eingerichtet, dass der Punkt N unter Beibehaltung seines Abstandes a von der Drehachse O um einen Winkel rp ge schwenkt werden kann, so dass er also die Stelle Na erreicht, so wird vor allem jede Schaufel M an ihrem augenblicklichen Ort nach NX verschwenkt, und !dann werden die Schaufeln im weiteren Verlauf der Drehung des Schaufelrades an den ver schiedenen Punkten des Kreises infolge der Richtung der Radiusvektoren SX Stellungen einnehmen,
die sich ergeben, wenn man die ganze Zeichnungsfigur im gleichen .Sinne um den Winkel g@ verschwenkt wie den Punkt N. Die Schaufeln werden also jetzt wieder in jenen beiden Punkten, die an :den Enden des durch. den Punkt Ny- bestimmten Durch messers liegen, den Kreis K tangieren und in den Zwischenpunkten !die gleichen Zwi schenstellungen einnehmen wie vorher, nur dass diese Zwischenstelluirgen auch um den Mittelpunkt O um den gleichen Winkel q, versetzt angenommen werden müssen.
Daraus ergibt sich, dass auch die Strömungsrichtung r um den )Vinkel cp nach vx geschwenkt wird und damit auch die der -Strömung ent gegengesetzte Vortriebsrichtung. Durch Dre hen des Punktes N um .die Achse 0 kann also die Vortriebsrichtung um jeden be liebigen Winkel geändert werden.
Der Führungsmechanismus kann aber auch so ausgebildet sein, dass .der Punkt N in beliebiger radialer Richtung innerhalb des Kreises K verstellt werden kann, so dass er zunächst bis zur Achse und dann darüber hinaus bis in die Stellung N' gelangt.
Be findet sieh der Leitpunkt N in der Achse 0, so tangieren alle Schaufeln den Kreis K während der ganzen Drehbewegung und, da die Schnelläufigkeit
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der Entfernung des Punktes N -vom Kreismittelpunkt 0 verkehrt proportional ist, indem
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ist, so wird, wenn a = 0 geworden ist,
die .Schnelläufig keit co. Es wird sich also durch Verände rung des Abstandes cc die Strömungsge- 5ohwindigkeit im Verhältnis zur Umfangs- mesehwindigkeit ändern, sie wird, wenn a = 0 ist, gleichfalls 0 und sie wird verkehrt gerichtet, wenn der Punkt N weiter hinaus gegen N<B>'</B> verstellt wird.
Man kann daher durch Verschieben des Leitpunktes. N über 0 -gegen N' die Vortr.ebsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Umdrehungszahl regeln und auch die Vortriebsrichtung umkehren bezw. beim Turbinenbetrieb Drehzahl und Leistung regulieren und die .Drehrichtung umkehren.
Dabei geht die Umkehrurig der Vortriebs- richtung bei der Radialverschiebung des Leitpunktes N ohne jeden seitlichen Stoss vor sich; ein solcher Stoss würde aber ent stehen, wenn man idie V ortriebsrich tung -dur cri rasches Drehen des Punktes N um den Punkt 0 um einen Winkel von 180 umkehren würde.
Durch die Kömbinierung der beiden Re gelungsarten, also des Drehens des Punktes N um die Achse 0 und das Radialverseliieben des Punktes N, kann man in der einfachsten Art alle erforderlichen Regelungen in der jeweils günstigsten Weise durchführen.
Dort, wo ein solches Schaufelrad mit wagrechter Welle als Huborgan verwende wird, würde die Hubgeschwindigkeit wäh rend des Aufstieges, die der Translations- geschwindigkeit v entsprechen, müsst, nur Werte erreichen können, die um ein Viel faches kleiner sind als der durch die Be ziehung
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gegebene Wert, und es isst klar, dass daher ein solches Hubrad bei seiner gleichzeitigen Verwendung als Treiborgan mit Wirkungsgraden arbeiten würde,
die nicht im Entferntesten an jene hohen Wir kungsgrade heranreichen, die ein solches Rad in seiner Anwendung als reines Vortriebs organ oder als Turbine erreicht; denn ar beitet ein Schaufelrad im "Normalbetrieb" gleichzeitig als Hub- und Propulsionsorgan, so werden die Eingriffsverhältnisse der Schaufeln auf dem ganzen Schaufelwege falsch, ferner geht die ganze Arbeit, die von dem Rade zum Schweben des Fahrzeuges verwendet werden muss, restlos in Wirbe- lungen des Mediums verloren.
Auch - kann die Möglichkeit so weitgehender Rege lungen und des einfachen Manöverierens, wie die Anwendung des Schaufelrades als Turbinenlaufrad oder als Propeller na- mentlicli, bei vertikalachsiger Anordnung bietet., bei den bisher vorgeschlagenen An- vendungsarten überhaupt gar nicht in Er scheinung treten.
und es würde beispiels weise bei einem als Huborgan dienenden Schaufelra.de bei einer Schwenkung des Leit- punktes um 90- oder einer Stellung des Leitpunktes im Radmittel bezw. darüber hinaus die Antriebskraft 0 ja sogar negativ werden, was einen beding=gslosen Absturz des Fahrzeuges zur Folge hätte.
Bei den als Huborgan arbeitenden Rädern ist daher der Leitpunkt in einem sehr begrenzten Teil des Schaufelkreises gebunden, hingegen. hat bei dem vorgeschlagenen normalen Propulsions- bezw. Turbinenbetrieb des Schaufelrades jede beliebige Stellung des Leitpunktes im Schau felkreise eine technisch wichtige Bedeutung für Regelungsvorgänge.
In konstruktiver Beziehung kann ein sol ches Rad und sein Lenkmechanismus, -sowie dessen Regelung, in verschiedener Weise aus geführt werden.