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.
Paddle wheel. There are paddle wheels with pivoting blades known whose axes of rotation are parallel or approximately parallel to the axis of rotation of the wheel and which are set in vibration by a guide mechanism, such that the blades emanating from the axes of rotation of the blades normal to each other at one point ( Guide point) that lies outside the wheel center point. The law of motion of the blades, which is enforced by such a mechanism, is shown in Fig. 1 of the drawing.
The circular line on which the axes of rotation of the blades move when the blade wheel rotates is designated with K and the guide point with N. S1 to SA are different positions of a blade, which with its axis of rotation A runs through line K in the direction of arrow P. ; the shovel normals R1, B2 etc. all intersect at the guide point N. The front end of the shovel in the sense of movement is indicated by an arrowhead.
In this law shown in Fig. 1, the blades move in such a way that they are exactly, tangential to the circular line K at the end points of the diameter line DD, on which the guide point N lies, while they deviate from this tangential direction only in the intermediate positions, in such a way that they execute a complete oscillation around the tangential position with one revolution of the Ra. Through this movement, a flow in the direction of arrow Y is generated in a known manner when using the blade wheels as drive propellers in the medium that surrounds the blades, which is perpendicular to the diameter line D-D, on which the guide point N is located.
The feed T generated by the propeller is opposite to the flow direction. Even when the paddle wheels are used as turbine wheels, the arrow K indicates the direction of flow of the medium. The ratio of the flow speed to the rotational speed, finite with which the blade axes move on the circular line K, is a measure of the slope of the blade wheel. When idling, that is, when the impeller working as a propeller is not loaded, the blade position at each point of the circular line K corresponds to the direction of the relative flow of the medium with respect to the blade.
If the propeller is loaded, the driving speed of the vehicle driven by the propeller is reduced by the slip, which results in an angle of attack on the blades and a propulsive force, one component of which falls in the direction of thrust. The size of this component grows with the slip.
With the known law of motion of the blades, as it has been discussed with reference to FIG. 1, it results, in particular if one wants to achieve a large slope by setting the guide point N at a large distance from the wheel center 0, that in the part of the vane circle which lies on the side of the eccentricity of the guide point N, each vane passing through this must perform a movement which is extremely unfavorable from both a hydraulic and a mechanical point of view.
As can be seen in FIG. 1, the shovel, which is to move from the position via the position S, into the position <B> S </B>, has to travel a relatively short distance by approximately <B> 130 ' </B> be pivoted.
The propulsion of a blade is proportional to the angle of attack and the flow velocity. If the negative pressure exceeds a permissible level with a high buoyancy value, detachment phenomena and cavitations occur. The angle of attack and flow velocity must therefore be kept within certain limits at all points on the impeller.
Now, however, the hydraulic conditions are due to the nature of the blade movement, as it has been described with reference to FIG. 1, in the area of the Qua dranten EF according to FIG. 2 different from the conditions in the areas of the other quadrants FG, GH and HE. These quadrants are bounded by the wheel diameter lines D1-D1 and D2-D2, which are perpendicular to each other and enclose an angle of 45 with the diameter line D-D on which the guide point N is located. It should be emphasized, however, that these quadrant boundaries are not to be viewed as sharp delimitations; Rather, only quadrant-like areas should be indicated here.
Uni now to align the relationships in the different quadrants with each other, according to the invention, the intersection point N of the blade normal 13 with the one perpendicular to the direction of flow lies for the blades facing the flow as well as in the wheel half facing away from the flow Diameter line DD in the area of the quadrant EF lying on the side of the eccentricity of this intersection point closer to the wheel center 0 than the corresponding intersection points N of the blade normals in the area of the other quadrants.
The position of the intersection points can be so different that even with a steep slope of the blades that pass through the quadrants F-G, G-H and H-E. the angles of incidence for the quadrants E-F remain within permissible limits due to moving blades.
A relatively large increase in the first-mentioned quadrant is desirable in the case of a high flow velocity to reduce the peripheral speed of the blades. This can go so far. that the intersection point N for the blades passing through the quadrant G-H on the diameter line D-D moves away from the wheel center 0 so far that it either comes to lie on the circular line K or outside it.
The closer the intersection point N, is pressed to the wheel center 0, the smaller the slope of the blades passing through the quadrant becomes and becomes a certain limit of the approach of the point N ,. If the wheel center point is exceeded, the blades passing through quadrants E-F act as turbine blades in that they are driven by the water flow generated by the blades passing through quadrants H-E and F-G during propeller operation.
In some cases, this may even be desirable, since it has already been proposed to reduce the pitch of the blades towards the hub in screw propellers in such a way that they work as turbine blades in the area of the hub.
In the case of the paddle wheel, it can also be taken into account that the flow rate of the medium is different on the two sides of the diameter line D-D. When operated as a propeller, the flow of the medium is accelerated by the blades in the wheel half facing the flow, so that the flow rate is increased in the area of the wheel half facing the flow.
If, at a certain slip, the angle of incidence for the blades in the first-mentioned wheel half is to be the same as that in the last-mentioned wheel half, the pitch of the blades in the last-mentioned wheel half must be greater than in the first-mentioned. The slopes of the blades in the two wheel halves can be selected so that the angles of attack are the same or at least approximately the same, with the square increase in the profile propulsion forces being taken into account with the speed. This also ensures that the driving force on the blades in both wheel halves is more or less the same.
The law of motion according to FIG. 2 can therefore be superimposed by a law of motion according to FIG. 3, in which the blade normal in the wheel half facing the flow intersects at a point N 'which is closer to the wheel center 0 than the intersection point N ", in which the vane normals meet in the wheel half facing away from the flow. The two points N 'and N ", however, as well as the points N and N1, lie on the wheel diameter line DD, which is perpendicular to the flow direction.
In particular, the angle between the tangent and the blade on the wheel half facing away from the flow can be greater by a certain amount s than the angle between the tangent and the blade on the wheel half facing the flow, the angle difference a being expressed in radians , according to the formula
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should depend on the degree of exposure.
The degree of loading cs is a dimensionless quantity on which the entire hydraulic conditions of the propeller jet mainly depend and which is defined by the formula: blade length, should.
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Here, S means the thrust generated by the propeller, F the jet area of the propeller, i.e. for a blade propeller, for example, the pitch circle diameter of the blades multiplied by y the specific weight of the liquid,
y is the acceleration due to gravity and ve is the entry velocity of the liquid into the propeller. This load factor is small for propellers for slim, fast-moving ships (0.5 to 1.0), while it is less than ten times the value for propellers for clumsy ships and especially for tugs on shallow water.
If the paddle wheel is used as a turbine wheel, the situation is reversed with regard to the second law of motion, because then the water that has worked on the wheel half facing the flow reaches the other wheel half at a reduced speed, so that there the The slope must be reduced if the angle of incidence is the same. If the impeller, or if it remains almost the same, is used as a pump impeller, the situation is similar to that of propeller operation.
Of course, it is by no means necessary that points N, N1, N 'and 1'4 "remain in place within more or less large areas of the paddle wheel: the normal points of intersection can rather also be from point to point of the paddle circle Change position, but in compliance with the principles outlined here.
The combination of the two laws of motion is illustrated by FIG. In this case, four points of intersection of blade normals are indicated for a specific operating state on the diameter line D-1). namely for the wheel half facing the flow (quadrants 11, <B> 1.11) </B> the points N 'and N'1 and for the other wheel half (quadrants IV. II the points N "and N'1 achieved that all demands.
as they have emerged on the basis of the knowledge discussed here, is fully taken into account.
Instead of the individual intersection points, entire areas of intersection points can now be present again, within which the intersection points move during the vane rotation for a specific operating state, either in leaps and bounds or gradually.
Fig. 5 shows an embodiment of a link mechanism which is suitable net for realizing the combined law of motion.
The axis 1 of each shovel 2 carries an arm 3 which is connected by a link 4 to your arm 5 of an angle lever. whose axis of rotation 6 is superimposed on the wheel body ge. and the second arm 7 of which is guided in a slot guide 8. This slot guide 8 is rotatably mounted on a ring 9 about an axis. which lies parallel to the axis of rotation 1 (I of the wheel. The ring 9 can be displaced in the radial direction with respect to the wheel and, moreover, its center point 11 can also be rotated about the axis of rotation 10 of the wheel By setting the center 11 of the ring 9 differently in relation to the axis of rotation 10, the operating state of the paddle wheel can be changed.
When the wheel rotates, the ring 9 is rotated isochromically. In this isochronous rotational movement of the wheel and the thing 9 adjusted sie, as FIG. 5 shows. the linkage of each blade so that the blades perform movements as illustrated in Fig. 1-. The vane normals entered in Fig. 5 with dash-dotted lines intersect the wheel diameter line D-1), as can be seen, in different points, in accordance with the combined law of motion illustrated in Fig. 4.
The arm 5 is longer than the arm 3 and the length of the handlebar 4 is chosen. that the arms 3 and:> converge towards the axes of rotation 1 and 6. The difference in length of the arms 3 and 5 has the consequence that the blades twist by larger angles with respect to the angle levers, so that the adjustment movement within the linkage of each blade is translated, while the aforementioned convergence of these two arms causes a particular change in the slope, as illustrated in FIG.
The embodiment shown in Fig. 5 shows that it is possible with relatively simple means to realize the previously described blade movements.