DE102004041791A1 - Schaufelrad - Google Patents

Abstract

Das Schaufelrad als Schiffsantrieb hat den größten Wirkungsgrad unter den Schiffsantrieben. Die Nachteile sind neben der Größe, dass Schaufelräder über der Wasserlinie angebracht sein müssen und somit unterschiedliche Eintauchtiefen der Schiffe nicht zulassen. Außerdem können sie nur mit horizontaler Achsrichtung arbeiten und sind deshalb seitlich oder am Heck des Schiffes angebracht. Dies macht zudem eine große Ruderfläche notwendig. Auch die Drehzahl ist begrenzt, da das herkömmliche Schaufelrad bei der Arbeit nicht nur beim Eintauchen das Wasser verdrängt, sondern die Schaufeln, die nicht gerade Arbeit im Wasser verrichten, Luft verwirbeln. Außerdem schleudern die Schaufeln beim Verlassen des Wassers Wasser mit in die Luft. Je mehr Wasser hochgeschleudert wird, desto mehr Antriebsenergie geht verloren. DOLLAR A Bei einem herkömmlichen Schaufelrad sind die Schaufeln an der Peripherie eines gitterartigen, zylindrischen Käfigs angebracht. Das Schaufeldrad wird dann so positioniert, dass die Schaufeln bei der Drehung des Rades um die horizontal liegende Achse in das Wasser eintauchen und dabei Vortriebsarbeit leisten. Der gitterartige zylindrische Käfig wird bei diesem Schaufelrad durch einen geschlossenen ersetzt. In diesem befindet sich in der Mitte eine freibewegliche Ruderfläche, die sich dort 90 DEG entgegen der Achsrichtung verschieben lässt. Die Verschiebung wird kontrolliert bzw. gesteuert von einem Steuerring. Der Steuerring zwingt hierbei die Ruderfläche, abhängig von ...

Description

• Das Schaufelrad als Schiffsantrieb hat den größten Wirkungsgrad unter den Schiffsantrieben. Die Nachteile sind neben der Größe, dass Schaufelräder über der Wasserlinie angebracht sein müssen und somit unterschiedliche Eintauchtiefen der Schiffe nicht zulassen. Außerdem können sie nur mit horizontaler Achsrichtung arbeiten und sind deshalb seitlich oder am Heck des Schiffes angebracht. Dies macht zudem eine große Ruderfläche notwendig. Auch die Drehzahl ist begrenzt, da das herkömmliche Schaufelrad bei der Arbeit nicht nur beim Eintauchen das Wasser verdrängt, sondern die Schaufeln, die nicht gerade Arbeit im Wasser verrichten, Luft verwirbeln. Außerdem schleudern die Schaufeln beim Verlassen des Wassers Wasser mit in die Luft. Je mehr Wasser hochgeschleudert wird, desto mehr Antriebsenergie geht verloren.
• All diese Nachteile, bis auf die Größe, sollen durch das von mir entwickelte und hier vorgestellte Schaufelrad mit beweglichen Schaufeln abgestellt werden. Dieses Schaufelrad kann auf Grund seiner Funktionsweise auch mit vertikaler Achsausrichtung arbeiten. Dadurch ist es ein besonders kraftvoller Antrieb für Schiffe mit geringer Tauchtiefe.
• Bei einem herkömmlichen Schaufelrad sind die Schaufeln an der Peripherie eines gitterartigen, zylindrischen Käfigs angebracht. Das Schaufelrad wird dann so positioniert, dass die Schaufeln bei der Drehung des Rades um die horizontal liegende Achse in das Wasser eintauchen und dabei Vortriebsarbeit leisten. Der gitterartige zylindrische Käfig wird bei meinem Schaufelrad durch einen geschlossenen ersetzt. Dieser geschlossene Käfig wird in der Mitte geteilt, sodass zwei Kreishälften entstehen. Die beiden Hälften 1 und 2 bilden weiterhin einen Kreis, in dessen Mitte so viel Material ausgeschnitten wurde, wie benötigt wird, um dort eine freibewegliche Ruderfläche 3 einzusetzen. Die Größe dieser Ruderfläche wird bestimmt durch die Höhe und den Durchmesser des Käfigs. Die maximale Länge der Ruderfläche ist der Durchmesser plus dem Radius. Die Breite ist maximal mit der Höhe des zylinderförmigen Käfigs erreicht. Die beiden Kreishälften müssen nun oben und oder unten mit Ringen (4 und 5) befestigt werden, sodass ein stabiler Käfig entsteht, in dessen Mitte sich die Ruderfläche 90° entgegen der Achsrichtung des Käfigs hin und her bewegen kann. Die Antriebsachse 6 wird auf den beiden Kreishälften, die einen Kreis bilden, in dessen Mittelpunkt positioniert und befestigt. Die Verschiebung der Ruderfläche, die jetzt noch unbegrenzt möglich ist, muss gesteuert werden. Dies geschieht durch einen so genannten Steuerring 7 (2). An den Enden der Ruderflächen werden oben jeweils ein Zapfen 8 und 9 angebracht, auf dem ein Drehelement sitzt. Diese Rollelemente als linke und rechte Begrenzung der Ruderfläche werden jetzt in den Steuerring eingepasst. Der Steuerring sowie die Stellung der Ruderflächen bei der jeweiligen Drehposition des Käfigs sind in den Zeichnungen, 3 bis 6, ersichtlich. Der Steuerring 1 wird von einem Kreis hergeleitet. Der Durchmesser plus dem Radius ergibt die Länge, die bei der Drehung um die eigene Achse des Kreises verschoben werden soll. Um wie viel verschoben wird, wird mit der Formel "Durchmesser dividiert durch 360° mal x° (x = Wert für gesuchte Gradzahl)" errechnet. In meinem Beispiel ist der Durchmesser 6 cm. Daraus ergibt sich die zu verschiebende Länge von 9 cm. Bei 180° ist der untere Punkt 3 cm vom Mittelpunkt des Kreises entfernt. Die errechneten Werte von 180° bis 360° geben an, um wie viel sich dieser Abstand vergrößert. (Bei 225° auf 3,75 cm, bei 270° auf 4,5 cm, bei 315° auf 5,25 cm.) Von diesen Punkten aus wird die Länge von 9 cm über den Mittelpunkt des Kreises abgetragen, um den dazugehörigen gegenüberliegenden Punkt zu ermitteln. So erhält der Steuerring (1) seine Form.
• Durch die mit der Formel errechneten Werte ergibt sich für die Bereiche von 150° bis 180° und von 180° bis 210° ein Negativbereich. Dargestellt wird dies in 1, der Bereich zwischen Linie 10 und 11. Dieser ist unerwünscht, da er die Homogenität bei der Steuerung negativ beeinflusst. Durch eine Parallelverschiebung der 90°-Achse bis zur 180°-Marke an der Peripherie des Kreises wird dieser Bereich abgeschnitten. In diesem Bereich muss dann die entsprechende Länge von 9 cm von den neu entstandenen Punkten bei der jeweiligen Gradzahl abgetragen werden. Auf diese Weise entsteht der zum Einsatz kommende Steuerring (2). Bei der Drehung des Käfigs im Uhrzeigersinn wird nun die Verschiebung (im Gegensatz zur 1) bei ca. 150° abgebrochen und die Steuerung bis 210° durch die neu entstandene Linie durchgeführt.
• Der Durchmesser des Käfigs (Rad) kann jetzt noch vergrößert werden. Damit kann man beeinflussen, wann die Ruderfläche aus dem Käfig hervortritt und dementsprechend wieder verschwindet. So erfolgt die Steuerung. Die Ruderfläche wird bei der Drehung des Käfigs durch den Steuerring dazu gezwungen, seine Mittelachse nach links oder rechts zur Käfigachse zu verschieben und somit also die gesamte Ruderfläche. Sie wird entweder als T-Profil gearbeitet auf entsprechenden Laufflächen in das Rad gehängt und gelagert oder in den Steuerring gehängt und gelagert. Auch in der Mitte der Kreishälften, wo die Ruderfläche hin und her bewegt werden soll, müssen Drucklager angebracht werden. Durch die Verschiebung wird erreicht, dass die Fläche, die im Wasser die Arbeit verrichten soll, aus dem Käfig herausgestreckt wird und der Rest sich ganz oder teilweise, je nach der Drehposition, im Käfig befindet. Diese Arbeitsweise ermöglicht die Arbeit des Schaufelrades auch unter Wasser. Das ermöglicht auch den Einsatz des Schaufelrades mit vertikaler Achsausrichtung. Zwei gegenüberliegend angeordnete Schaufelräder (7), jeweils eines Backbord und eines Steuerbord, mit vertikaler Achsausrichtung, können somit ein kraftvoller Antrieb für einen Katamaran sein.
• Es können in dem Käfig auch mehrere Ruderblätter arbeiten, die dann von dem einen Steuerring gesteuert werden. Der Käfig muss dazu geviertelt oder, abhängig davon, wie viele Ruderblätter arbeiten sollen, gleichmäßig geteilt werden. Jedes einzelne Ruderblatt muss dann in den Steuerring eingepasst werden. Die Ruderblätter müssen so gearbeitet sein, dass sie sich in der Mitte nicht berühren und somit eine Verschiebung möglich ist.
• Da bei jeder Umdrehung die Schaufeln in das Wasser reingestreckt werden, ähnlich wie beim Rudern in einem Ruderboot die Ruder, kann es mit höheren Drehzahlen arbeiten als ein herkömmliches Schaufelrad, da keine Luftverwirbelung stattfindet und auch kein Wasser in die Luft geschleudert wird. Damit erreicht man einen höheren Wirkungsgrad.
• Das Schaufelrad kann auf allen Schiffstypen eingesetzt werden. Bei dem Einsatz des Schaufelrades mit vertikaler Achsausrichtung auf Einrumpfschiffen werden entsprechende Wasserzu- und -ablaufkanäle notwendig – ein Backbord- und ein Steuerbordkanal –, die v-förmig in der Mitte vor dem Schaufelrad zusammen kommen und in einem Kanal hinter dem Schaufelrad nach achteraus enden. Diese Kanäle können dann bei der Rückwärtsfahrt zur Steuerung verwendet werden, indem man einen dieser Kanäle ganz oder teilweise mit einer Steuerfläche verschließt. Wird der Backbordkanal verschlossen, tritt das Wasser aus dem Steuerbordkanal aus und das Schiff bewegt sich dadurch nach Backbord achteraus. Bei einem Katamaran werden diese Zulaufkanäle nicht benötigt, können aber zur Steuerung angebracht werden.

Claims (4)

1. Das Schaufelrad mit beweglichen Schaufeln als Schiffsantrieb, so wie vorgestellt, als auch dessen Einsatz in anderen Bereichen.
2. Der Einsatz mehrerer Ruderblätter pro Schaufelrad und deren Steuerung durch den Steuerring.
3. Der Einsatz der Wasserzu- und Ablaufkanäle sowie die Steuerung mit deren Hilfe, wie vorgestellt.
4. Der Steuerring, mit dessen Hilfe die Verschiebung bei der Drehung gesteuert und ermöglicht wird.