CH204957A - Water turbine with vibrating impeller blades. - Google Patents

Water turbine with vibrating impeller blades.

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CH204957A
CH204957A CH204957DA CH204957A CH 204957 A CH204957 A CH 204957A CH 204957D A CH204957D A CH 204957DA CH 204957 A CH204957 A CH 204957A
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CH
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blades
turbine
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blade
impeller
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Amsler Angelo
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Amsler Angelo
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00Other machines or engines
    • F03B17/06Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F03B17/065Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Description

  

  Wasserturbine mit schwingenden     laufradschaufeln.       Die von Ernst Schneider in Wien ge  machte Erfindung eines Schaufelrades (siehe  österreichische Patentschrift Nr. 105723) ge  langte zur Anwendung im Bau von Schiffs  antriebpropellern     (Voith-Schneider    Propeller).  Die in der erwähnten Patentschrift aufge  zeigte Möglichkeit, eine Turbine auf gleicher  Basis zu entwickeln, führt hingegen zu Schwie  rigkeiten. Dies hat seinen Grund darin, dass  die Bewegung der Schaufeln nach der von  Ernst Schneider angegebenen Gesetzmässig  keit für eine Turbine nur annähernd richtig ist.  



  Es ist nicht Zweck der vorliegenden Er  findung, ein Verfahren aufzudecken, wie diese  Bewegung sein muss. Zweck der vorliegenden  Erfindung, die eine Wasserturbine mit schwin  genden     Laufradschaufeln    betrifft, ist es, eine       Konstruktion    aufzuzeigen, die eine Bewegung  der Schaufeln frei von jeder geometrischen  Gesetzmässigkeit und also rein nach den hydrau  lischen Erfordernissen ermöglicht. Dies wird  gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass  der die schwingende Drehbewegung der Lauf  radschaufeln bewirkende Mechanismus durch    einen zentral angeordneten, in Richtung der  Drehachse des Laufrades verstellbaren Steuer  nocken gesteuert wird, welcher seinerseits  mit einer Regelvorrichtung in Verbindung  steht.

   Die günstigste Form des Steuernockens  und damit die günstigste Bewegung der Lauf  radschaufeln kann an einem Modell auf dem  Versuchswege bestimmt werden.  



  Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs  beispiel des Erfindungsgegenstandes darge  stellt.     Fig.    1 zeigt einen Achsenschnitt durch  dasselbe und     Fig.2    einen Querschnitt durch  den Steuermechanismus desselben;     Fig.    3 ist  ein Querschnitt nach der Linie     i-i    in     Fig.1,     wobei gleichzeitig Geschwindigkeitsdiagramme  dargestellt sind;     Fig.    4 zeigt     Laufradschaufeln     in verschiedenen Lagen;     Fig.    5 zeigt den  Steuernocken;

       Fig.    6 und 7 sind Schnitte  nach den Linien     a-a        bezw.        .b-b    in     Fig.    5  durch den Steuernocken.  



  In     derWasserführungskammerD,    die recht  eckigen     Durch$ussquerschnitt    aufweist, sind  eine Anzahl Führungsstege     .E    angeordnet. In       dieser    Kammer liegt ferner das Laufrad, das      zwei Radscheiben     B    und C, sowie Schaufeln  G und Verbindungsbolzen F, die zur mecha  nischen Verbindung der beiden Radscheiben,  sowie zur Lagerung der Schaufeln     G    dienen,  besitzt. Die Radscheibe B ist als Hohlkörper  ausgebildet, der zur Aufnahme des Steuer  gestänges für die Schaufelverstellung dient.  Die beiden Radscheiben B und C des Lauf  rades sind auf den Wellen<I>M</I> und<I>N</I> ange  ordnet, die in den Lagern     .K    und L gelagert  sind.

   Der Steuermechanismus für die Schaufel  verstellung besitzt einen nichtumlaufenden,  aber     inachsialerRichtung    verstellbaren Steuer  nocken P, der mit umlaufenden Fingern     Q,     welche einerseits in den drehbar angeordneten  Hülsen 0 geführt sind und anderseits an den  auf den Schaufeln G festsitzenden Hebeln     S     angreifen, zusammenarbeitet. Die Hebel     S     stehen unter dem Einfluss von Federn T.  Diese Zugfedern<I>T</I> drücken die Finger     Q     gegen den Steuernocken, so dass diese mit  ihren Rollen     U    in jeder Lage des     Steuer-          nockens    P mit der Umfangsfläche desselben  Kontakt haben.

   Jede Schaufel nimmt daher  in jeder Stellung des Rades die Stellung ein,  die durch die Form des     Steuernockens    be  stimmt ist. Der Steuernocken besitzt einen  Steuerquerschnitt     a--a        (Fig.    5 und 6), der  kreisrund und zur Drehachse z zentrisch ge  legen ist, so dass der Steuerradius r des     Steuer-          nockens    P für jeden Winkel a zwischen 0  und     360'    gleich gross ist.

   Wenn der Steuer  nocken so     achsial    verschoben wird, dass der  Steuerquerschnitt     a-a    steuert, haben sämt  liche Schaufeln die gleiche relative Lage zum  Rad, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die       Schaufelachsen        s-s    Tangenten bilden an den  Schaufelkreis k. Alle übrigen Steuerquer  schnitte des Steuernockens haben eine von  der Kreisform abweichende Gestalt, und zwar  weichen sie von der Kreisform um so stärker  ab, je weiter entfernt sie vom Steuerquer  schnitt     a-a    liegen.

   Der grösste Steuerradius  des Steuerquerschnittes     b-b    ist mit     r9    und  der kleinste mit     ri    bezeichnet     (Fig.    5 und 7).  Bei jeder Umdrehung des Rades vollführt  jede Schaufel eine der     Radiendifferenz        r?.-ri     entsprechende volle Drehschwingung um ihre    Drehachse. Dabei ist das Ganze derart aus  gebildet, dass die Schaufelspitze in den Zu  ström-Quadranten I und     II    aus dem Schaufel  kreis k heraus, in den     Abström-Quadranten          III    und IV aber in den Schaufelkreis k hinein  ragt.  



  Die Arbeitsweise des durch die Turbine  strömenden     Wassers    ist im folgenden an Hand  von     Fig.    3 erläutert. In dieser Figur sind  für die Schaufeln 2, 3, 5 und 6 die Geschwin  digkeitsdreiecke eingezeichnet. Es bedeuten c  die absolute Geschwindigkeit des Wassers in  der Turbine, u die Umfangsgeschwindigkeit  der Schaufeln auf dem Schaufelkreis<I>k,</I>     zv    die  relative Strömung des Wassers in bezug auf  die Schaufeln G.

   w bestimmt sich dermassen,  dass c die Resultierende aus<I>u</I> und     ?v    ist.<I>u</I>  ist so zu wählen, dass     w    einen Winkel<I>r,</I>     An-          stellwirikel    genannt, mit der Schaufelachse       s-s    einschliesst. Die Schaufeln werden also  unter dem     Anstellwinkel    r angeströmt, man  kann auch sagen, die Schaufeln bewegen sich  mit der     Momentangeschwindigkeit        tv    im Was  ser, und zwar in der Weise, dass die Achse  der Schaufel mit dem Geschwindigkeitsvektor  den     Anstellwinkel    r einschliesst.

   Dabei tritt  einerseits an der Schaufel ein Widerstand W  entgegengesetzt der Bewegungsrichtung auf  und anderseits eine     Auftriebkraft    A senkrecht  zur Bewegungsrichtung, in diesem Falle senk  recht zu     tv    (siehe Hütte, Band I, Seite 383,  25. Auflage). Die Praxis lehrt nun, dass bei  geeigneter Formgebung der Schaufeln G die  Auftriebskraft A ein Vielfaches des Wider  standes W werden kann. In     Fig.    4 sind an  je einer Schaufel in den Quadranten I und       III    die auf die Schaufeln wirkenden Wider  stands- und Auftriebskräfte W     bezw.        d    ein  gezeichnet.

   Die Resultierende B aus     W    und  A jeder Schaufel ergibt, multipliziert mit  dem Abstand d dieser Resultierenden von  der     Drebachse    z, das von jeder Schaufel er  zeugte Drehmoment auf die Turbinenwelle.  



  Anzahl und Grösse der Schaufeln können  frei gewählt werden. Werden die Schaufeln  mit einer Länge     h    gleich dem Schaufelab  stand t ausgeführt, so kann dadurch erreicht  werden, den     Wasserdurchfluss    durch die Tur-           bine    durch blosses Verstellen des Steuernockens  abstoppen zu können. Bei dieser Schaufel  stellung, die in     Fig.    4 im Quadranten     IV    dar  gestellt ist, ist der     zentrischeSteuerquerschnitt     des Steuernockens in wirksamer Stellung.

    Ist beim Schaufelrad gemäss     Fig.    4 der in  der     Fig.    5 mit     b--b    bezeichnete Steuerquer  schnitt in wirksamer Lage, so nehmen die  Schaufeln die im     II.    Quadranten der     Fig.    4  gezeichneten Stellungen ein. Das Rad ist ge  öffnet, d. b. es verarbeitet ein gewisses Quan  tum Wasser und gibt eine entsprechende  Leistung her.

   Man hat es demnach in der  Hand, durch Verstellen des     Steuernockens          Wasserdurchtritt    und Leistung und damit  auch die Drehzahl der Turbine zu regulieren,  wenn man nur.den Steuernocken vermittels  der Stange V mit einer     Handreguliervorrich-          tung    oder einem automatischen Regulator in  Verbindung bringt.  



  Dreht man bei der oben beschriebenen  Turbine den Steuernocken um<B>1800</B> um die  Achse z, so werden die Schaufeln des I. und       II.    Quadranten nach einwärts geschwenkt,  d. h. die Schaufelspitzen ragen in den Schaufel  kreis k hinein und die Schaufeln im IH. und  IV. Quadranten werden nach auswärts ge  schwenkt. Die Schaufeln würden dann wieder  richtig arbeiten, und zwar ganz genau gleich  wie oben beschrieben, wenn der     Wasserdurch-          tritt    durch die Turbine entgegengesetzt der  Pfeilrichtung f erfolgen würde. Durch blosses  Verdrehen des Steuernockens kann also die  Turbine auf entgegengesetzte Durchflussrich-         tung    eingestellt werden.

   Eine solche Turbine  eignet sich deshalb gut zur Ebbe- und     Flut-          ausnützung.  



  Water turbine with swinging impeller blades. The invention of a paddle wheel made by Ernst Schneider in Vienna (see Austrian patent specification No. 105723) was used in the construction of ship propulsion propellers (Voith-Schneider propellers). The ability to develop a turbine on the same basis, however, leads to difficulties in the patent mentioned. The reason for this is that the movement of the blades according to the law given by Ernst Schneider is only approximately correct for a turbine.



  It is not the purpose of the present invention to reveal a method of how this movement must be. The purpose of the present invention, which relates to a water turbine with oscillating impeller blades, is to show a construction that allows the blades to move free of any geometrical law and thus purely according to the hydraulic requirements. This is achieved according to the invention in that the mechanism causing the oscillating rotary movement of the running wheel blades is controlled by a centrally arranged control cam which is adjustable in the direction of the rotation axis of the running wheel and which in turn is connected to a control device.

   The most favorable shape of the control cam and thus the most favorable movement of the running wheel blades can be determined on a model on the test route.



  In the drawing, an execution example of the subject invention is Darge provides. Fig. 1 shows an axial section through the same and Fig. 2 shows a cross section through the control mechanism of the same; Fig. 3 is a cross-section along the line i-i in Fig. 1, with speed diagrams being shown at the same time; 4 shows impeller blades in different positions; Fig. 5 shows the control cam;

       6 and 7 are sections along the lines a-a and respectively. .b-b in Fig. 5 by the control cam.



  A number of guide webs .E are arranged in the water guide chamber D, which has a rectangular flow cross-section. In this chamber is also the impeller, which has two wheel disks B and C, as well as blades G and connecting bolts F, which are used to mechanically connect the two wheel disks and to support the blades G. The wheel disc B is designed as a hollow body which serves to accommodate the control rod for the blade adjustment. The two wheel disks B and C of the impeller are arranged on the shafts <I> M </I> and <I> N </I>, which are mounted in bearings .K and L.

   The control mechanism for the blade adjustment has a non-rotating, but inachsialerdirection adjustable control cam P, which works together with rotating fingers Q, which are guided on the one hand in the rotatably arranged sleeves 0 and on the other hand attack the levers S fixed on the blades G. The levers S are under the influence of springs T. These tension springs <I> T </I> press the fingers Q against the control cam so that their rollers U make contact with the circumferential surface of the control cam P in every position .

   Each blade therefore assumes the position that is determined by the shape of the control cam in every position of the wheel. The control cam has a control cross-section a - a (FIGS. 5 and 6) which is circular and centric to the axis of rotation z, so that the control radius r of the control cam P is the same for every angle a between 0 and 360 ' .

   If the control cam is axially displaced so that the control cross section controls a-a, all Liche blades have the same position relative to the wheel, which is characterized by the fact that the blade axes s-s form tangents to the blade circle k. All other control cross sections of the control cam have a shape deviating from the circular shape, and indeed they deviate from the circular shape the more the further away they are from the control cross section a-a.

   The largest control radius of the control cross section b-b is designated with r9 and the smallest with ri (Fig. 5 and 7). With each revolution of the wheel, each blade executes a full torsional oscillation around its axis of rotation, corresponding to the radius difference r? .- ri. The whole is formed in such a way that the blade tip protrudes into the inflow quadrants I and II out of the blade circle k, but into the outflow quadrants III and IV into the blade circle k.



  The mode of operation of the water flowing through the turbine is explained below with reference to FIG. In this figure, the speed triangles are drawn for the blades 2, 3, 5 and 6. C is the absolute speed of the water in the turbine, u is the peripheral speed of the blades on the blade circle <I> k, </I> zv is the relative flow of the water in relation to the blades G.

   w is determined in such a way that c is the resultant of <I> u </I> and? v. <I> u </I> is to be chosen such that w is an angle <I> r, </I> An - called stellwirikel, with the blade axis including ss. The flow against the blades is therefore at the angle of attack r, one can also say that the blades move in the water at the instantaneous speed tv, in such a way that the axis of the blade with the velocity vector includes the angle of attack r.

   On the one hand, there is a resistance W on the blade opposite to the direction of movement and, on the other hand, a buoyancy force A perpendicular to the direction of movement, in this case perpendicular to tv (see Hütte, Volume I, page 383, 25th edition). Practice now shows that with a suitable shape of the blades G, the buoyancy force A can be a multiple of the resistance W can be. In Fig. 4 are on a blade in each of the quadrants I and III, the resistance and lift forces acting on the blades W respectively. d a drawn.

   The resultant B from W and A of each blade, multiplied by the distance d of this resultant from the axis of rotation z, gives the torque on the turbine shaft from each blade.



  The number and size of the blades can be freely selected. If the blades are designed with a length h equal to the blade spacing t, it can thereby be achieved that the water flow through the turbine can be stopped by simply adjusting the control cam. In this blade position, which is shown in Fig. 4 in quadrant IV, the central control cross-section of the control cam is in the operative position.

    If, in the paddle wheel according to FIG. 4, the control cross section designated b - b in FIG. 5 is in an effective position, the paddles assume the positions shown in the II. The wheel is open, i. b. it processes a certain amount of water and produces a corresponding output.

   It is therefore in the hand of adjusting the control cam to regulate the water passage and power and thus also the speed of the turbine, if only the control cam is connected to a manual regulator or an automatic regulator by means of the rod V.



  If the control cam of the turbine described above is rotated by <B> 1800 </B> around the axis z, the blades of the 1st and 2nd quadrants are pivoted inwards, i. H. the blade tips protrude into the blade circle k and the blades in IH. and IV. Quadrants are pivoted outwards. The blades would then work properly again, exactly as described above, if the water would pass through the turbine in the opposite direction to the arrow direction f. By simply turning the control cam, the turbine can be set to the opposite flow direction.

   Such a turbine is therefore well suited for ebb and flow exploitation.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Wasserturbine mit schwingenden Lauf radschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass der die schwingende Drehbewegung der Lauf radschaufeln bewirkende Mechanismus durch einen zentral angeordneten, in Richtung der Drehachse des Laufrades verstellbaren Steuer nocken gesteuert wird, welcher seinerseits mit einer Regelvorrichtung in Verbindung steht. UNTERANSPRÜCHE: 1. Turbine nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Laufrad zwei Lauf radscheiben besitzt, die durch in den hohlen Laufradachaufeln liegende Bolzen mitein ander verbunden sind. 2. Turbine nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Ganze derart aus gebildet ist, dass die Laufradschaufeln sich in der geschlossenen Stellung nahezu be rühren. 3. Claim: water turbine with oscillating rotor blades, characterized in that the mechanism causing the oscillating rotary movement of the rotor blades is controlled by a centrally arranged control cam which is adjustable in the direction of the rotational axis of the rotor and which in turn is connected to a control device. SUBClaims: 1. Turbine according to claim, characterized in that the impeller has two impeller disks which are connected to each other by bolts lying in the hollow impeller blades. 2. Turbine according to claim, characterized in that the whole is formed from such that the impeller blades almost touch in the closed position. 3. Turbine nach Patentansprucb, dadurch ge kennzeichnet, dass der zentral angeordnete Steuernocken nicht nur achsial verschieb bar, sondern auch, zwecks Einstellung der Turbine auf zwei einander entgegengerich- tete Durchflussrichtungen, um die Turbinen drehachse drehbar angeordnet ist. Turbine according to patent claim, characterized in that the centrally arranged control cam is not only axially displaceable, but also rotatable about the turbine axis of rotation for the purpose of setting the turbine to two mutually opposite flow directions.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3118594A (en) * 1960-04-22 1964-01-21 Helmbold Theodor Methods for reducing fluid drag on bodies immersed in a fluid
US3442242A (en) * 1967-06-05 1969-05-06 Algonquin Shipping & Trading Stopping and manoeuvering means for large vessels
DE2523030A1 (en) * 1974-05-24 1975-12-04 Bailey David Z DEVICE FOR USING THE ENERGY OF A FLOW
WO1980000991A1 (en) * 1978-11-14 1980-05-15 Schelde Nv Hydrodynamic machine

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