DE2701914A1

DE2701914A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer schubkraft

Info

Publication number: DE2701914A1
Application number: DE19772701914
Authority: DE
Inventors: Werner Fork
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1977-01-19
Publication date: 1978-07-20
Also published as: DE2701914C3; DE2701914B2; GB1571969A; JPS5391294A; US4225286A

Description

V .5485 _t J.K. Voith Jnsoil

Kennwort: "Rotorenantrieb'¹ Heidenheiir.

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Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft in einer Flüssigkeit mit einem rotierenden Radkörper an dem schubkrafterzeugende Organe mit parallel zur Rotationsachse des Radkörpers verlaufenden Drehachsen angeordnet sind, wobei die Organe Jeweils über ein Gestänge mit einem gemeinsamen Steuerknüppel verbunden sind.

Vorrichtungen dieser Art werden z.B. als Zykloidenpropeller, wie beispielsweise der Voith-Schneider-Propeller, zum Antrieb von Schiffen verwendet. Mittels dieser Schubkraftorgane, deren Drehachsen senkrecht zur Wasseroberfläche angeordnet sind, können die Schubkräfte nach Größe und Richtung beliebig eingestellt werden.Die Schubkraftorgane besitzen dabei Flügelfor«, die wShrend einer Umdrehung des Radkörpers um ihre vertikale Achse hin- und herschwingen.

Nachteilig ist dabei in manchen Fällen, daß die Schubkraftorgane aufgrund ihrer Anordnung Beschädigungen ausgesetzt sind. So besteht z.B. bei Grundberührungen die Gefahr, daß die Flügelblatter abbrechen. Das gleiche gilt bei im Wasser vorhandenen Fremdkörpern. Bei Vorhandensein von Wasserpflanzen besteht die Gefahr von Verstopfungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft zu schaffen, die unempfindlicher gegen äußere Einflüsse 1st.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelost, da3 die schubkrafterzeugenden Organe Rotationszylinder aufweisen, die jeweils nach einer halben Radkörperumdrehung ihre Drehrichtung umkehren, wobei deren Umkehrpunkte und damit die Schubrichtung durch eine exzentrische Lage des mit den Rotationszylindern verbundenen Steuerknüppels gegenüber der Rotationsachse des Radkörpers einstellbar ist.

Bei der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird von dem bekannten Magnus-Effekt Gebrauch gemacht.

Wenn ein rotierender Körper gleichzeitig eine Anströmung erfährt, so entsteht ein Auftrieb bzw. eine Schubkraft senkrecht zur Anströmung. Beim Umströmen des rotierenden Körpers herrschen auf der Seite, auf der die Rotationsrichtung in gleicher Richtung wie die Parallelströmung verläuft, höhere Geschwindigkeiten, was einen kleineren Druck bedeutet. Auf der anderen Seite ergibt sich dagegen ein höherer Druck. Es entsteht somit eine Kraft senkrecht zu der Anströmung in Richtung des geringeren Druckes.

Erfindungsgemäß wird nun dieser Effekt durch die angegebenen Merkmale für eine Vorschubkraft verwendet. Die auf dem rotierenden Radkörper angeordneten Rotationszylinder werden Jeweils tangential angeströmt. Entsprechend der Drehrichtung und der Lage der Punkte, wo die Rotationszylinder ihre Drehrichtung umkehren, lassen sich die einzelnen auf die Rotationszylinder wirkenden Kräfte zu einer Gesamtschubkraft zusammenfassen. Dies geschieht dabei dadurch, daß jeder Rotationszylinder während einer Umdrehung einmal seine Drehrichtung ändert; d.h. die Rotationsgeschwindigkeit wird zwei mal zu Null und erreicht zwei mal ein Maximum. Die Schubgröße wird dabei durch die Rotationsgeschwindigkeit be stimmt, während die Schubrichtung durch die Phasenlage von Beginn bzw. Ende einer Drehrichtung festgelegt wird.

Die Rotationszylinder sind im Vergleich zu Flügelblättern unempfindlicher, und aufgrund ihrer Form ist die Gefahr von Verstopftingen durch Pflanzen und ähnlichem geringer. Außerdem ist die Geräuschentwicklung geringer.

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Eine erfindungsgetnäße Aus f Uh rungs form besteht dabei darin, daß die Rotationszylinder jeweils über eine mit dem Radkörper umlaufende Welle von einem auf der Welle befestigten auf einem feststehenden Teller laufenden Reibrad antreibbar sind, wobei der Bahndurchmesser und die Lage der Kreisbahn des Reibrades auf dem Teller über ein mit dem Steuerknüppel verbundenes Gestänge bestimmbar ist.

Für die Lage und Verstellung des Steuerknüppels, der das Gestänge betätigt, läßt sich beispielsweise eine Vorrichtung verwenden, wie sie in der DT-AS 2 029 955 für die Verstellung des Flügelgestänges bei einem Voith-Schneider-Propeller beschrieben ist.

Da die Entfernung des Reibrades vom Drehpunkt des Radkörpers während des Umlaufens einmal zum Rotationszylinder weist und einmal von ihm wegführt, ändert sich dementsprechend auch die Drehrichtung des dazugehörigen Rotationszylinders während eines Umlaufes .

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht darin, daß die Rotationszylinder jeweils über einen Hydraulikmotor, der über Druckleitungen an eine Steuerservoeinheit angeschlossen ist, antreibbar sind, wobei die Kolbenstange der Steuerservoeinheit über einen Kurbeltrieb mit dem Steuerknüppel verbunden ist.

Dadurch, daß der Steuerknüppel feststeht, während die Servoeinheit mit der Kolbenstange und dem Kurbeltrieb mit dem Radkörper rotieren, wird die Kolbenstange entsprechend ein- oder ausgefahren. Dadurch werden die Druckleitungen für den Hydraulikmotor entsprechend mit ül gefüllt, womit die Drehrichtungsänderungen für die Rotationszylinder während des Radkörperumlaufes erreicht werden.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht darin, daß an dem Steuerknüppel eine Zahnstange angelenkt ist, die mit einem Ritzel, das entweder direkt oder über ein übersetzungsgetriebe mit dem Rotationszylinder verbunden ist, zusammenarbeitet.

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Selbstverständlich läßt sich die Drehrichtungsumkehr der Rotationszylinder auch auf elektrischem Wege durch Elektromotoren mit entsprechender Steuerung erreichen.

Machfolgend sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, aus denen weitere erfindungsgemäße Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipmäßige Darstellung über die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 den sinusförmigen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit eines Rotationszylinders,

Fig. 3 prinzipmäßige Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. K eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3,

Fig. 5 bis 7 verschiedene Positionen des Reibrades,

Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in prinzipmäßiger Darstellung,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in prinzipmäßiger Darstellung in der Draufsicht,

Fig. 10 ein Schiff mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 11 Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Antrieb in prinzipraäßiger Darstellung.

In Fig. 1 ist die Wirkungsweise von Rotationszylinder 1 während eines Radkörperumlaufes dargestellt. Die Rotationszylinder 1 sind auf einem mit der Winkelgeschwindigkeittj ρ rotierenden Radkörper 2 angeordnet. Zur besseren Darstellung ist ein Achsenkreuz in der Figur eingezeichnet. Befindet sich der Rotationszylinder 1 auf der positiven X-Achse (0°), ist seine Drehzahl 0 (Position P 1). Durch die Rotation des Radkörpers 2 werden die Rotationszylinder tangential (strichlierte Pfeile) angeströmt. Von der

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Position P 1 aus erhält der Rotationszylinder zunehmend eine Winkelgeschwindigkeit ^₁, die bei 90° (Position P 5) ihr Maximum erreicht. Durch diese Winkelgeschwindigkeit in Verbindung mit der tangentialen Anströmung entsteht entsprechend dem Magnus Effekt eine mit Pfeilen dargestellte Schubkraftkomponente. In Position P 5 bei 18O° ist die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationszylinders wieder Null, anschließend wird sie wieder im ungekehrten Drehsinne bis zum Maximum beschleunigt (Position P 7) und anschließend wieder bis auf KuIl abgesenkt (Position P 1). Die Resultierende aller Schubkraftkomponenten ist durch den Pfeil 3 dargestellt. Seine Größe ergibt sich aus den Winkelgeschwindigkeiten. Durch Verschiebung des Achsenkreuzes, d.h. durch Festlegung der Null-Lagen der Rotationszylinder IMBt sich die Richtung der Schubkraft einstellen. Je nach Wunsch können mehrere, vorzugsweise 4-6, Rotationszylinder auf dem Radkörper angeordnet werden, die alle nacheinander die beschriebenen Positionen einnehmen und sich so in ihrer Wirkung ergänzen.

In Pig. 2 ist während eines Umlaufes des Radkörpers die Winkelgeschwindigkeit eines Rotationszylinders angegeben. Wie daraus ersichtlich ist, weist sie einen sinusförmigen Verlauf auf, wobei

In den Figuren 3 bis 7 ist ein AusfUhrungsbeispiel mit einer mechanischen Antriebseinrichtung dargestellt.

Die Rotationszylinder 1 (nur einer dargestellt) werden über Zahnräder 4 und Wellen 5 angetrieben. Die Welle 5 und die Zahnräder 4 sind in dem Radkörper 2 angeordnet und laufen mit diesem um· Auf der Welle 5 ist fest, jedoch axial verschiebbar, ein Reibrad 6 befestigt, das auf einem Teller 7 abrollt. Der Teller T Steht fest und wird durch einen ebenfalls feststehenden Steuerknüppel 8 am Mitrotieren gehindert. Das Reibrad 6 ist über einen Kurbeltrieb 9a und 9b mit dem Steuerknüppel 6 verbunden. Die Zahl 4er Rotationszylinder 1 kann beliebig gewählt werden. Vorzugsweise werden vier bis sechs auf dem Radkörper angeordnet, wobei

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Jedem ein Zahnradpaar 4, eiine Welle 5, ein Reibrad 6 und ein Kurbeltrieb 9a und 9*> zugeordnet ist.

Die Laufbahn der Reibräder 6 wird durch die eingestellte Exzentrizität des Steuerknüppels 8 festgelegt. Die Exzentrizität des Steuerknüppels 8 kann über zwei rechtwinkelig zueinander angeordnete Servomotoren (in Fig. 8 dargestellt) beliebig eingestellt werden. Der Kurbeltrieb 9a und 9b bewegt dabei das Reibrad 6 auf einer Kreisbahn im Rhythmus der Drehzahl des Radkörpers 2. Da die Entfernung des Reibrades 6 vom Drehpunkt 10 des Radkörpers 2 einmal zum Rotationszylinder weist und einmal vom Rotationszylinder weg weist, und jeweils während einer Umdrehung zwei mal durch den Drehpunkt 10 läuft, kommt der Rotationszylinder zwei mal zum Stillstand und dementsprechend kehrt sich auch seine Richtung während eines Umlaufes um.

In den Figuren 4 bis 7 sind verschiedene Positionen des Reibrades 6 und des Kurbeltriebes 9a und 9b dargestellt. In gleichbleibender Blickrichtung vom Rotationszylinder zum Drehpunkt 10 des Radkörpers 2 gesehen ist das Reibrad in der Fig. 4 linksdrehend, in der Fig. 5 rechtsdrehend, in der Fig. 6 ebenfalls rechtsdrehend und in der Fig. 7 wieder linksdrehend. Die Rotationsrichtungen üü^ und Cj 2 des RotationsZylinders erfahren dabei durch das Getriebe 4 eine Drehrichtungsumkehr bezüglich der Welle 5. Der Steuerknüppel 8 behält dabei Jeweils seine Lage bei und der Kurbeltriebteil 9& bewegt sich auf einer Kreisbahn um das untere Steuerknüppelende als Mittelpunkt. Während eines Radkörperumlaufes durchläuft das Reibrad 6 dabei zwei mal mit anschließender Drehrichtungsumkehr den Drehpunkt 10, und zwar zwischen den in der Fig. 4 und 5 und dann zwischen den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Positionen. Die Anströmrichtung der Rotationszylinder ist Jeweils durch strichlierte Pfeile, die daraus resultierende Kraft durch Pfeile R, angegeben.

In Fig. 8 ist ein AusfUhrungsbeispiel mit einem mechanisch-hydraulischen Antrieb dargestellt. Bei diesem Antrieb wird eine Steuerservoeinheit 20 mit einem Hydraulikkolben 11 durch einen Kurbeltrieb 12, der mit dem Steuerknüppel 8 verbunden 1st, bewegt. Das

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verdrängte öl fließt über Druckleitungen 1} und 14 einem Hydraulikmotor 21 zu, der auf der Welle I5 des RotationsZylinders 1 befestigt ist. Durch das Schluckvermögen des Hydraulikmotor 21, der ein Flügelzellenmotor, Axialkolbenmotor oder Radialkolbenmotor sein kann, wird das übersetzungsverhältnis und die Drehrichtung zwischen Radkörper 2 und Rotationszylinder 1 bei gegebener Fördermenge des Hydraulikkolbens 11 festgelegt.

Auch hier wird der Kolbenhub des Hydraulikkolbens 11 und damit die Drehzahl des RotationsZylinders 1 durch die Exzentrizität des Kurbeltriebes 12 bzw. Steuerknüppels auf das gewünschte Maß eingestellt. Je nach der Lage des Steuerknüppels 8, der im Gegensatz zu dem Kurbeltrieb 12 und dem Hydraulikkolben 11 nicht mit dem Radkörper 2 rotiert, wird die Kolbenstange l6 des Hydraulikkolbens 11 entsprechend axial verschoben, wodurch die Druckräume mit Hydraulikflüssigkeit entweder geleert oder gefüllt werden. Die Exzentrizität des Steuerknüppels 8 wird durch zwei rechtwinkelig zueinander angeordnete, an einer gemeinsamen Lagerstelle 22 angreifende Servomotore 2^ und 24 eingestellt. Der Steuerknüppel 6 wird dabei um den Schwenkpunkt 25 bewegt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen wirken die Beschleunigungs- und Bremsmomente der Rotationszylinder 1 über die übertragungsglieder auf den Steuerknüppel 8 und ergeben dort entsprechende Brems- und Beschleunigungsmomente an dem Radkörper 2. Sieht man von den Verlusten in den Übertragungsgliedern ab, so ist zur Drehzahlveränderung der Rotationszylinder somit keine Zusatzleistung erforderlich.

Der dargestellte Antrieb ergibt einen sinusförmigen Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit. Sind für bessere Wirkungsgrade davon abweichende Verläufe erforderlich, so können diese durch andere Kinematiken erreicht werden. Auch ist es möglich, \>/, £ £J ₂ zu wählen.

Neben den dargestellten beiden Steuervorrichtungen für die Drehzahl und die Drehrichtung der Rotationszylinder sind noch weitere AusfUhrungsformen möglich. Sie müssen lediglich die Aufgabe

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erfüllen, jeden Rotationszylinder während einer Radkörperumdrehung jeweils in beide Drehrichtungen von Null bis zum Maximum zu beschleunigen. Dies läßt sich beispielsweise auch, wie in Fig. 9 angedeutet, mit Zahnstange und Ritzel erreichen. Die Zahnstange 26 ist dabei mit ihrem einen Ende an dem Steuerknüppel δ angelenkt und arbeitet mit einem Ritzel 27, das entweder direkt oder indirekt über ein Übersetzungsgetriebe mit dem Rotationszylinder 1 verbunden ist, zusammen. Dabei wird die Zahnstange 26 durch den Steuerknüppel 8 hin- und herbewegt und versetzt so den Rotationszylinder 1 über das Ritzel 27 in eine entsprechende Drehbewegung.

In der Fig. 10 ist der Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Schiff angedeutet.

Gemäß Fig. 11 erfolgt der Antrieb des Radkörpers 2 über eine Hauptwelle 17 mit einem Zahnrad l8 auf einen Zahnkranz 19.

Statt für den Vortrieb eines Schiffes läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für Pumpen verwenden. Insbesondere ist der Antrieb zum Transport von empfindlichen Gütern geeignet. Z.B. für Fische, bei denen die Gefahr besteht, daß die Köpfe abgerissen werden. Auch aggressive Medien, die eine Pumpe angreifen, wie z.B. Kiesaufschwemmungen, lassen sich damit ohne Gefahr für Beschädigungen der Pumpe transportieren.

Heidenheim, den 11.01.77
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Claims

V 5*85 J.M. Voith GmbH

Kennwort: "Rotorenantrieb" Heidenheim

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Patentansprüche

brrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft in einer Flüssigkeit mit einem rotierenden Radkörper, an dem schubkrafterzeugende Organe/parallel zur Rotationsachse des Radkörpers verlaufenden Drehachsen angeordnet sind, wobei die Organe jeweils über ein Gestänge mit einem gemeinsamen Steuerknüppel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die schubkrafterzeugenden Organe Rotationszylinder aufweisen, die jeweils nach einer halben Radkörperumdrehung ihre Drehrichtung umkehren, wobei deren Umkehrpunkte und damit die Schubrichtung durch eine exzentrische Lage des mit den Rotationszylindern (1) verbundenen Steuerknüppels (8) gegenüber der Rotationsachse (10) des Radkörpers (2) einstellbar ist.

Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationszylinder (1) Jeweils über eine mit dem Radkörper (2) umlaufende Welle (5) von einem auf der Welle (5) befestigten,auf einem feststehenden Teller (7) laufenden Reibrad (6) antreibbar sind, wobei der Bahndurchmesser und die Lage der Kreisbahn des Reibrades (6) auf den Teller (7) über ein mit dem Steuerknüppel (8) verbundenes Gestänge (9a/9b) bestimmbar ist.

Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationszylinder (1) jeweils über einen Hydraulikmotor (21), der über Druckleitungen (13, 14) an eine Steuerservoeinheit (20) angeschlossen ist, antreibbar sind, wobei die Kolbenstange (l6) der Steuerservoeinheit (11) über einen Kurbeltrieb (12) mit dem Steuerknüppel (8) verbunden ist.

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ORIGiNAL INSPECTED

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Vorrichtung zur Erzeugung einer Schubkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steuerknüppel (8) eine Zahnstange (26) angelenkt ist, die mit einem Ritzel (27)» das entweder direkt oder über ein Übersetzungsgetriebe mit dem Rotationszylinder (1) verbunden ist, zusammenarbeitet.

Heidenheim, den 11.01.77
Lo/Srö

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