Schaufelrad. Es sind Schaufelräder mit schwenkbaren Schaufeln bekannt, deren Drehachsen paral lel oder annähernd parallel zur Drehachse des Rades gerichtet sind und die durch einen Führungsmechanismus in Schwingung ver setzt werden, derart, dass die von den Dreh achsen der Schaufeln ausgehenden Schaufel normalen einander in einem Punkte (Leit- punkt) schneiden, der ausserhalb des Radmit telpunktes liegt. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln, das durch einen solchen Mecha nismus erzwungen wird, ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Die Kreislinie, auf welcher sich die Drehachsen der Schaufeln bei der Drehung des Schaufelrades bewegen, ist mit K bezeichnet und der Leitpunkt mit N. S1 bis SA sind verschiedene Stellungen einer Schaufel, die mit ihrer Drehachse A die Linie K im Sinne des Pfeils P durchläuft; die Schaufelnormalen R1, B2 etc. schneiden sich alle im Leitpunkt N. Das im Bewegungs sinn vordere Ende der Schaufel ist durch eine Pfeilspitze angedeutet.
Bei diesem in Fig. 1 dargestellten Gesetz bewegen sich die Schaufeln so, dass sie an den Endpunkten der Durchmesserlinie D-D, auf welcher der Leitpunkt N liegt, genau, tangential zur Kreislinie K stehen, während sie nur in den Zwischenstellungen von dieser tangentialen Richtung abweichen, und zwar derart, dass sie bei einer Umdrehung des Ra des eine vollständige Schwingung um die Tangentiallage ausführen. Durch diese Be wegung wird bei Verwendung der Schaufel räder als Antriebspropeller in dem Medium, das die Schaufeln umgibt, in bekannter Weise eine Strömung in der Richtung des Pfeils Y erzeugt, die senkrecht steht auf der Durchmesserlinie D-D, auf welcher sich der Leitpunkt N befindet.
Der vom Propeller erzeugte Vorschub T ist der Strömungsrich tung entgegengesetzt. Auch bei Verwen dung der Schaufelräder als Turbinenräder gibt der Pfeil K die Strömungsrichtung des Mediums an. Das Verhältnis der Strömungs- geschwindigkeit zu der Umlaufgeschwindig- keit, finit der sich die Schaufelachsen auf der Kreislinie K bewegen, ist ein Mass für die Steigung des Schaufelrades. Bei Leerlauf, wenn also das als Propeller arbeitende Schaufelrad nicht belastet ist, entspricht die Schaufelstellung an jedem Punkte der Kreis linie K der Richtung der Relativströmung des Mediums gegenüber der Schaufel.
Wird der Propeller belastet, so vermindert sich die Fahrgeschwindigkeit des vom Propeller an getriebenen Fahrzeuges um den Schlupf, wo durch sich an den Schaufeln ein Anström- winkel ergibt und eine Vortriebskraft ent steht, deren eine Komponente in die Schub richtung fällt. Die Grösse dieser Kompo nente wächst mit dem Schlupf.
Bei dem bekannten Bewegungsgesetz der Schaufeln, wie es an Hand der Fig. 1 be sprochen worden ist, ergibt sich, insbeson dere wenn man durch Einstellung des Leit- punktes N in grossem Abstand von dem Rad mittelpunkt 0 eine grosse Steigung erreichen will, dass in dem Teil des Schaufelkreises, der auf der Seite der Exzentrizität des Leit- punktes N liegt, jede diesen durchlaufende Schaufel eine Bewegung ausführen muss, die sowohl vom hydraulischen, als auch vom mechanischen Standpunkte -aus höchst un günstig ist.
Wie die Fig. l erkennen lässt, muss die Schaufel, die aus der Stellung über die Stellung S, in die Stellung<B>S</B>, ge langen soll, auf einem verhältnismässig kur zen Weg um ungefähr<B>130'</B> geschwenkt werden.
Der Vortrieb einer Schaufel ist propor tional dem Anströmwinkel und der Strö mungsgeschwindigkeit. Übersteigt der Un terdruck bei grossem Auftriebswert ein zu lässiges Mass, so treten Ablösungserscheinun gen und Kavitationen ein. Anströmwinkel und Strömungsgeschwindigkeit müssen da her an allen Stellen des Schaufelrades inner halb gewisser Grenzen gehalten erden.
Nun sind aber die hydraulischen Ver hältnisse infolge der Eigenart der Schaufel bewegung, wie sie an Hand der Fig. 1 ge schildert worden ist, im Bereiche des Qua dranten E-F gemäss Fig. 2 verschieden von den Verhältnissen im Bereiche der übrigen Quadranten F-G, G-H und H-E. Diese Quadranten sind durch die Raddurchmesser linien D1-D1 und D2-D2 begrenzt, die auf einander senkrecht stehen und mit der Durch messerlinie D-D, auf welcher sich der Leit- punkt N befindet, einen Winkel von 45 ein schliessen. Es sei aber ausdrücklich betont, dass diese Quadrantengrenzen nicht als scharfe Begrenzungen anzusehen sind; es sol len hier vielmehr nur quadrantenartige Be reiche angedeutet werden.
Uni nun die Verhältnisse in den verschie denen Quadranten einander anzugleichen, liegt gemäss der Erfindung sowohl für die in der der Strömung zugewendeten, als auch in der der Strömung abgewendeten Rad hälfte befindlichen Schaufeln der Schnitt punkt N, der Schaufelnormalen 13 mit der zur Strömungsrichtung senkrecht liegenden Durchmesserlinie D-D im Bereich des auf Seite der Exzentrizität dieses Schnittpunktes liegenden Quadranten E-F näher beim Radmittelpunkt 0 als die entsprechenden Schnittpunkte N der Schaufelnormalen im Bereich der übrigen Quadranten.
Die Lage der Schnittpunkte kann so ver schieden sein, dass selbst bei grosser Steigung der Schaufeln, die die Quadranten F-G, G-H und H-E durchlaufen. die Anström- winkel für die den Quadranten E-F durch laufenden Schaufeln innerhalb zulässiger Grenzen verbleiben.
Eine relativ grosse Stei gung in den erstgenannten Quadranten ist aber bei grosser Strömungsgeschwindigkeit zur Ermässigung der Umfangsgeschwindig keit der Schaufeln erwünscht. Dies kann so weit gehen. dass der Schnittpunkt N für die den Quadranten G-H durchlaufenden Schaufeln auf der Durchmesserlinie D-D von dem Radmittelpunkt 0 so weit abrückt, dass er entweder auf die Kreislinie K oder ausserhalb dieser zu liegen kommt.
Je näher der Schnittpunkt N, an den Radmittelpunkt 0 herangedrückt wird, desto kleiner wird die Steigung der den Quadran ten ,-- durchlaufenden Schaufeln und wird eine gewisse Grenze der Annäherung des Punktes N,. an den Radmittelpunkt über schritten, so wirken die den Quadranten E-F durchlaufenden Schaufeln als Tur binenschaufeln, indem sie von der Wasser strömung, die bei Propellerbetrieb durch die die Quadranten H-E und F-G durchlau fenden Schaufeln erzeugt wird, angetrieben werden.
Dies kann in manchen Fällen sogar erwünscht sein, da ja auch schon vorgeschla gen worden ist, bei Schraubenpropellern die Steigung der Flügel gegen die Nabe hin der art zu verkleinern, dass sie im Bereich der Nabe als Turbinenschaufeln arbeiten.
Beim Schaufelrad kann ausserdem be rücksichtigt sein, dass die Strömungsge schwindigkeit des Mediums auf den beiden Seiten der Durchmesserlinie D-D verschie den ist. Beim Betrieb als Propeller wird die Strömung des Mediums durch die Schaufeln in der der Strömung zugewendeten Radhälfte beschleunigt, so dass die Strömungsgeschwin digkeit im Bereiche der der Strömung abge wendeten Radhälfte vergrössert ist.
Soll also bei einem bestimmten Schlupf der Anström- winkel für die Schaufeln in der erstgenann ten Radhälfte gleich dem in der letztgenann ten Radhälfte sein, so muss die Steigung der Schaufeln in der letztgenannten Radhälfte grösser sein als in der erstgenannten. Dabei können die Steigungen der Schaufeln in den beiden Radhälften so gewählt sein, dass die Anströmwinkel gleich oder zumindest an nähernd gleich sind, wobei natürlich die qua dratische Zunahme der Profilvortriebskräfte mit der Geschwindigkeit berücksichtigt ist. Damit wird aber auch erreicht, dass die Vor triebskraft an den Schaufeln in beiden Rad hälften mehr oder minder gleich wird.
Das Bewegungsgesetz nach Fig. 2 kann also von einem Bewegungsgesetz nach Fig. 3 überlagert sein, bei welchem die Schaufel normalen in der der Strömung zugewendeten Radhälfte sich in einem Punkte N' schnei den, der dem Radmittelpunkt 0 näher liegt als der Schnittpunkt N", in welchem sich die Schaufelnormalen in der der Strömung abge wendeten Radhälfte treffen. Die beiden Punkte N' und N" liegen aber ebenso wie die Punkte N und N1 auf der zur Strömungs richtung senkrecht stehenden Raddurchmes serlinie D-D.
Im besonderen kann der Winkel zwischen der Tangente und der Schaufel auf der der Strömung abgewendeten Radhälfte um einen bestimmten Betrag s grösser sein als der Win kel zwischen der Tangente und der Schaufel auf der der Strömung zugewendeten Rad hälfte, wobei der Winkelunterschied a, im Bogenmass ausgedrückt, nach der Formel
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vom Belastungsgrad abhängen soll.
Dabei ist der Belastungsgrad cs eine di mensionslose Grösse, von der die gesamten hydraulischen Verhältnisse des Propeller strahls vorwiegend abhängen und die durch die Formel definiert ist: Schaufel länge, soll.
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Hierin bedeutet S den vom Propeller er zeugten Schub, F die Strahlfläche des Pro pellers, also beispielsweise bei einem Schau felradpropeller den Laufkreisdurchmesser der Schaufeln multipliziert mit der y das spezifische Gewicht der Flüssig keit,
y die Erdbeschleunigung und ve die Eintrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Propeller. Dieser Belastungsgrad ist bei Propellern für schlanke, schnellfahrende Schiffe klein (0,5 bis 1,0), während er bei Propellern für plumpe Schiffe und nament lich für Schlepper auf seichtem Wasser mit unter den zehnfachen Wert erreicht.
Wird das Schaufelrad als Turbinenrad verwendet, so liegen die Verhältnisse hin sichtlich des zweiten Bewegungsgesetzes um gekehrt, weil dann das Wasser, das auf der der Strömung zugewendeten Radhälfte Ar beit geleistet hat, mit verminderter Ge schwindigkeit zur andern Radhälfte gelangt, so dass also dort die Steigung verkleinert werden muss, wenn der Anströmwinkel gleich Wird das oder nahezu gleich bleiben Schaufelrad als Pumpenrad verwendet, so liegen die Verhältnisse ähnlich wie beire Propellerbetrieb.
Natürlich ist es durchaus nicht notwen dig, dass die Punkte N, N1, N' und 1'4" inner halb mehr oder weniger grosser Bereiche des Schaufelrades an Ort und Stelle verbleiben: die Normalenschnittpunkte können vielmehr auch von Punkt zu Punkt des Schaufelkrei ses ihre Stellung verändern, allerdings unter Einhaltung der hier ausgesprochenen Grund sätze.
Die Kombinierung der beiden Bewegungs gesetze wird durch die Fig. 4 veranschau licht. Dabei sind für einen bestimmten Be triebszustand auf der Durchmesserlinie D-1) vier Schnittpunkte von Schaufelnormalen an gedeutet. und zwar für die der Strömung zugewendete Radhälfte (Quadranten 11,<B>1.11)</B> die Punkte N' und N'1 und für die andere Radhälfte (Quadranten IV. Il die Punkte N" und N'1. Damit ist erreicht, dass allen Forderungen.
wie sie sich auf Grund der hier besprochenen Erkenntnisse ergeben haben, im vollsten Masse Rechnung getragen wird.
Statt der einzelnen Schnittpunkte können nun auch wieder ganze Bereiche von Schnitt punkten vorhanden sein, innerhalb deren die Schnittpunkte sich während des Schaufel umlaufes für einen bestimmten Betriebs zustand bewegen, und zwar entweder Sprung- weise oder allmählich.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eine Lenkermechanismus, der zur Verwirklichung des kombinierten Bewegungsgesetzes geeig net ist.
Die Achse 1 jeder Schaufel 2 trägt einen Arm 3, der durch einen Lenker 4 mit dein Arm 5 eines Winkelhebels verbunden ist. dessen Drehachse 6 an dem Radkörper ge lagert ist. und dessen zweiter Arm 7 in einer Schlitzführung 8 geführt ist. Diese Schlitz führung 8 ist auf einem Ring 9 um eine Achse: drehbar gelagert. welche parallel zur Dreh achse 1(I des Rades liegt. Der Ring 9 kann gegenüber dem Rad in radialer -Richtung ver schoben werden und überdies kann sein Mittel punkt<B>11</B> auch um die Drehachse 10 des Ra- des gedreht werden. Durch verschiedene Ein stellung des Mittelpunktes 11 des Ringes 9 in bezug auf die .Drehachse 10 kann der Be triebszustand des Schaufelrades geändert werden.
Bei der Drehung des Rades wird der Ring 9 isochrom mitgedreht. Bei dieser iso chronen Drehbewegung des Rades und des Dinges 9 verstellt sieb, wie die Fig. 5 zeigt. das Lenkergestänge jeder Schaufel so, dass die Schaufeln Bewegungen ausführen, wie sie in Fig. 1- veranschaulicht sind. Die in Fig. 5 mit strichpunktierten Linien eingetra genen Schaufelnormalen schneiden die Rad- durcbmesserlinie D-1), wie man sieht, in verschiedenen Punkten, und zwar so, wie es dem in Fig. 4 veranschaulichten kombinier ten Bewegungsgesetz entspricht.
Der Arm 5 ist länger als der Arm 3 und die Länge des Lenkers 4 ist so gewählt. dass die Arme 3 und :> gegen die Drehachsen 1 und 6 hin konvergieren. Die Verschieden heit der Länge der Arme 3 und 5 hat zur Folge, dass sich die Schaufeln gegenüber den Winkelhebeln um grössere Winkel verdre hen, dass also die Verstellbewegung inner halb des Lenkergestänges jeder Schaufel übersetzt wird, während die erwähnte Kon- vergenz dieser beiden Arme die besondere Veränderung der Steigung bewirkt, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, dass es mit verhältnismässig einfachen Mitteln möglich ist, die vorher geschilderten Schau felbewegungen zu verwirklichen.