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.
Paddle wheel. There are already different constructions of acting as drive wheels scoop wheels with pivoting blades that are inevitably moved by a guide mechanism according to a certain law, so that a certain direction of force will be obtained.
In all of these known paddle wheels, however, the blades are not acted upon in a correct way from the aerodynamic or hydraulic point of view at all points, and there is also no possibility of changing the direction of force and incline with the slightest loss of energy, apart from that the known wheels are only suitable for low speeds.
There are already paddle wheels known, the blades of which move relative to axes that are parallel to the wheel shaft during the rotation of the wheel so that the guide beams standing perpendicular to the blade surfaces and emanating from the blade axes of rotation always approach each other in one Intersect points. This point, which is to be called the guide point in the following, is adjustable in these wheels, both by rotating around the wheel center and by radial displacement.
Such paddle wheels, as they have been indicated here last, were BEZW only for use as lifting members or support members. as wheels that simultaneously lift and door, anslationsarbeit have been proposed, the paddle wheels being arranged so that their shaft is horizontal. The adjustability of the guide point should allow a change in the load-bearing capacity and also a change in the sense of direction of a translation speed that is approximately at the same time.
In the case of the last-mentioned paddle wheels, the connecting line from the vector intersection to the wheel center with the direction of travel includes an acute angle of a small amount, which causes incorrect application of the driving surfaces, as well as the movement of these wheels finitely very poor efficiency he follows.
The paddle wheels have not attained a practical significance in this type of end, nor could they attain as a result of the incorrect loading of the propellant vanes that necessarily occurred.
According to the present invention, such a paddle wheel is now used for new purposes, specifically in such a way that it expresses technically usable effects that could not appear in the previously proposed types of application.
Substantially new technical effects are namely then it is enough when the connecting line from the vector intersection to the wheel center in normal operation is approximately perpendicular to the direction of travel bem v.
on the direction of the relative translational movement between the wheel and the medium, so that such a paddle wheel for normal Pro pellerbetrieb for watercraft of all kinds or for aircraft (where, as he knows, with a horizontal shaft position so far only bezw. Lifting and supporting element should act) should be used, preferably in an arrangement with a perpendicular right shaft;
It can also be used as a turbine runner with any yG position, whereby all blades, as when used as a propeller, can come into contact with the surrounding medium at the same time and the relative flow in relation to the wheel shaft is directed perpendicular to it.
The invention thus relates to a paddle wheel, which serves as a propulsion organ or as a turbine, pump or fan impeller, with pivoting blades that are moved by a guide mechanism about axes that are paiallel to the wheel axis., So who moves the, da.ss the On the blade surfaces at least approximately perpendicular guide rays emanating from the blade axes of rotation always intersect at least approximately at a guide point located within the blade circle.
This paddle wheel is characterized by the fact that: the connection line - of the control point with: the wheel centers in normal operation approaches perpendicular to the direction of the relative translational speed between the wheel and the medium and the distance a of the control point from the wheel center approximates the same Printouts
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is, in which v is the idle translation speed,
as means the circumferential idle speed and r- the radius of the blade circle, with the high speed
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in operation differs from that in idle mode, depending on the load, by the amount customary in turbines, propulsion systems and the like.
An explanation for this is to be given using the scheme shown as an example in the drawing.
The circle K indicates the path on which the pivot points P of the blades 1M move around the axis O as a result of the drive of the paddle wheel, and indeed, as may be assumed, in the direction of the arrow indicated on the circle N.
In the drawing, the guide rays emanating from the pivot points P are perpendicular to the blade surfaces and pass through the point N. In practice, it would also suffice if the guide rays were approximately perpendicular to the blades or only approximately passed through point N.
The blades are thus guided in such a way that, while their pivot points are moving on the circle K, they are pivoted in such a way that the radius vectors starting from their pivot points and, for example, perpendicular to them, pass through the point N, as if the Shovels M would be rigidly connected to rods running in the direction of the named radius vectors, S \, which by a
go through rotatable sliding guide. In fact, one could constructively train the guide mechanism in the manner indicated here; however, it is clear that the described steering of the blades 1M can also be carried out kinematically in another way.
As can be seen from the drawing. the blades will touch the circle K at the two ends of the diameter on which the guide point <I> N </I> lies; In the intermediate layers, the blades cut the circle K at different angles, but always one edge E of the blades in the sense of movement in front and the other A in the back.
The medium surrounding the blade area will therefore always come into engagement with the blades at edge E and leave them at edge A, whereby one is able to give the blade profile a dynamically favorable shape.
If such a paddle wheel is now set in rotation in a medium, it generates a flow in the direction r #. respectively it accelerates, maintains, or retards a current in that direction.
The speed triangle shown in dash-dotted lines for the lower left blade 17, composed of the circumferential speed at of the wheel, which runs perpendicular to the radius r, the relative speed <I> to </I>, which runs perpendicular to the radius vector S , and the flow velocity v shows
that the described steering of the blades ensures a shock-free application at all points. All mentioned speeds are here. those that theoretically occur at idle, so the paddle wheel has no resistance to overcome.
The paddle wheel then works like a screw propeller of known construction a xt with the idling speed that corresponds to the pitch and speed of the screw. .Of course you are able to do different.
Loads to ensure shock-free loading through appropriate selection of the blade positions and blade size: because in normal load cases, the relative transfer rate changes during propulsion operation according to the slip or slip that occurs. when the turbine is in operation the tTmfaaig speed that is set,
so @that the normal fast frequency of operation
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from the idle speed
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varies within the usual limits for these establishments depending on the load.
The deviations from the idling equation can go so far that the '\, # Tinlrel (angle of attack) between the relative flow running parallel to the blade during idling and the blade guarantees the constant direction of energy conversion without detachment of the medium from the blade.
If the guide mechanism for the blades is set up in such a way that the point N can be pivoted by an angle rp ge while maintaining its distance a from the axis of rotation O, so that it thus reaches the point Na, above all each blade M is at its current moment Pivoted location to NX, and! Then the blades will take up positions in the further course of the rotation of the blade wheel at the various points of the circle due to the direction of the radius vectors SX,
which result if the whole drawing figure is pivoted in the same sense by the angle g @ as the point N. The blades are now again in those two points that are at: the ends of the. the point Ny with a certain diameter, tangent to the circle K and assume the same intermediate positions in the intermediate points! as before, only that these intermediate positions must also be assumed to be offset around the center O by the same angle q.
This means that the direction of flow r is also pivoted by the) angle cp to vx and thus also the direction of propulsion opposite to the flow. By turning point N around axis 0, the direction of advance can be changed by any angle.
The guide mechanism can, however, also be designed in such a way that the point N can be adjusted in any radial direction within the circle K, so that it first reaches the axis and then beyond it to the position N '.
If the guide point N is found in the axis 0, then all the blades are tangent to the circle K during the entire rotational movement and, there, the speed
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the distance of the point N from the center of the circle 0 is inversely proportional by
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is, then, when a = 0 has become,
the .speed co. Thus, by changing the distance cc, the flow velocity will change in relation to the circumferential measuring velocity; it will also be 0 if a = 0 and it will be reversed if the point N is further out towards N <B> '</B> is adjusted.
You can therefore move the guide point. N over 0 - against N 'regulate the advance speed while maintaining the same number of revolutions and also reverse or reverse the advance direction. Regulate speed and power during turbine operation and reverse the direction of rotation.
The reversal of the direction of advance in the radial displacement of the guide point N takes place without any lateral impact; Such a shock would arise if one were to reverse the direction of propulsion by rotating point N around point 0 by an angle of 180.
By combining the two types of regulation, that is, rotating point N about axis 0 and radially reversing point N, all the necessary controls can be carried out in the simplest manner in the most favorable manner.
Where such a paddle wheel with a horizontal shaft is used as a lifting device, the lifting speed during the ascent, which must correspond to the translational speed v, would only be able to reach values that are many times smaller than that resulting from the relationship
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given value, and it is clear that such a hub wheel would therefore work with efficiencies if it was also used as a driving element,
which do not even come close to the high efficiency that such a wheel achieves in its application as a pure propulsion organ or as a turbine; because if a paddle wheel works in "normal operation" at the same time as a lifting and propulsion element, the engagement conditions of the paddles are wrong along the entire paddle path, and all the work that the wheel has to use to hover the vehicle is completely lungs of the medium are lost.
Also - the possibility of extensive controls and simple maneuvering, such as the use of the impeller as a turbine runner or as a propeller, with a vertical axis arrangement, does not appear at all in the previously proposed types of application.
and it would, for example, with a Schaufelra.de serving as a lifting element when pivoting the guide point by 90 or a position of the guide point in the wheel center. In addition, the driving force 0 would even be negative, which would result in an unconditional crash of the vehicle.
In the case of the wheels working as lifting elements, the guide point is therefore tied to a very limited part of the blade circle, however. has with the proposed normal Propulsions- bezw. Turbine operation of the impeller any position of the control point in the blade circles is a technically important meaning for control processes.
In terms of construction, such a wheel and its steering mechanism, as well as its control, can be performed in various ways.