DE279669C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad, bei dem die Schaufeln durch eine besondere Steuervorrichtung in jedem Augenblick ihrer Bewegung eine derartige Längsneigung erhalten, daß sie sich bei dem durch Berechnung und Versuche für einen hohen Wirkungsgrad des Rades bestimmten günstigen Verhältnis der Geschwindigkeiten der fortschreitenden Bewegung und der Drehung des Schaufelrades stets mit dem geringst möglichen Stirnwiderstand und zugleich mit. hohem Wirkungsgrad durch das betreffende Medium: Luft, Wasser oder deren Mischung mit festen Stoffen bewegen, wobei die richtige Anzahl und Wölbungsform der Schaufeln sowie die elastische Biegsamkeit ihrer Enden durch Versuche bestimmt werden.

Zu diesem Zwecke stehen die in den Radkränzen r drehbar gelagerten gewölbten Schaufein f mittels Führungsstücke mit einer Steuerscheibe in Verbindung, die zur gleichzeitigen Erzielung eines möglichst kleinen Stirnwiderstandes und hohen Wirkungsgrades der Schaufeln eine derartige Kurvenform erhalten hat, daß bei der oben vorausgesetzten günstigen Bewegung des Rades in jedem Augenblick die in Fig. ι durch einen Pfeil bezeichnete Richtung der Resultante V- aus Marschgeschwindigkeit V_m (Maß für die fortschreitende Bewegung des Schaufelrades), Drehgeschwindigkeit V_n, der Schaufelspitze um die Radwelle ze> und Drehgeschwindigkeit Va dieser Spitze um die eigene Achse α der Schaufel mit der Sehne der Schaufelwölbung einen kleinen, durch Versuche für jede Schaufellage zu bestimmenden Winkel α einschließt, der nach Größe und Lage mit dem Neigungswinkel zwischen Sehne und Tangente der Schaufelwölbung an der Spitze annähernd übereinstimmt und im allgemeinen so bemessen wird, daß gleichzeitig ein möglichst geringer Stirnwiderstand der Schaufeln und ein hoher Wirkungsgrad des Rades erzielt wird. Eine Vergrößerung des Winkels -et ergibt verstärkten Auftrieb, jedoch verminderten Vortrieb des Schaufelrades infolge von vergrößertem Stirnwiderstand. Die Größe von a wird im einzelnen Falle nach dem jeweils gewünschten Verhältnis von Auftrieb und Vortrieb bemessen und wird mit Hilfe einer verstellbaren Steuerscheibe im Betrieb verändert. Die Resultante der Geschwindigkeiten der genannten drei Bewegungen, welche die Schaufelspitze in dem ruhend anzunehmenden Medium vollbringt, ist nach Größe und Richtung gleich der Geschwindigkeit der absoluten Bewegung der Spitze in dem betreffenden Medium, welches also von der Spitze annähernd in der Richtung der Tangente an den vordersten Punkt der Schäufelwölbung, d. h. mit dem in Rücksicht auf hohen Wirkungsgrad möglichst geringen Stirnwiderstand durchschnitten wird. Für jede bei der Drehung des Rades sich ergebende Schaufellage wird die Größe des Winkels a. in manchen Fällen etwas verschieden bemessen werden, um den günstigsten Wirkungsgrad zu erzielen. Vor-

aussetzung ist also für die Erzielung der günstigsten Längsneigungen der Schaufeln, daß die Größe der erzielten Marschgeschwindigkeit in dem richtigen, der Konstruktion des Rades und der Bestimmung der Kurvenform der Steuerscheibe zugrunde gelegten, berechneten oder durch Versuche als günstig für hohen Wirkungsgrad festgestellten Verhältnis zur Umdrehungszahl des Rades und damit auch

ίο zur Drehgeschwindigkeit der Schaufeln um ihre Achsen steht.

Die Kurve der Steuerscheibe kann durch Berechnung oder durch ein graphisches Verfahren oder auch auf empirischem Wege durch Versuche festgestellt werden. Bei dieser Kurvenbestimmung kann berücksichtigt werden, daß die jeweils hinten befindlichen Schaufeln nicht in einem ruhend anzunehmenden Medium, wie die gleichzeitig vorn befindlichen, sondern in einem durch die vorderen Schaufeln in Bewegung versetzten Medium arbeiten. Auf der Zeichnung sind drei Beispiele von Ausführungen des Schaufelrades nach der Erfindung mit parallel zur Radwelle liegenden Schaufelachsen und elastisch biegsamen Schaufelenden dargestellt.

Fig. ι stellt die Seitenansicht des Schaufelrades dar, Fig. 2 den dazugehörigen Grundriß. Fig. 3 bis 8 sind weitere Ausführungs- und Anwendungsbeispiele des Schaufelrades nach der Erfindung.

w ist die Welle des Schaufelrades, die entweder eine wagerechte, geneigte oder eine senkrechte Lage haben kann, und auf der die beiden Radkränze r befestigt sind. Zwischen den Kränzen r befindet sich eine in der Regel kleine Anzahl von vorteilhaft gewölbten, nach Bedarf mit elastischen Enden versehenen Schaufeln f, die mittels Achsen a drehbar in den Kränzen r gelagert sind. Außerdem ist auf dem Lager der Welle w in Fig. ι und 2 noch eine feste Steuerscheibe b vorgesehen, deren Kranz einen u -förmigen oder ähnlichen Querschnitt hat. Diese Steuerscheibe entspricht bezüglich ihrer Kurvenform den obengenannten Bedingungen hinsichtlich des hohen Wirkungsgrades und des kleinstmöglichen Stirnwiderstandes der Schaufeln. In die Kranznut der Steuerscheibe b greifen die zwangläufig geführten Zapfen ζ der auf den Achsen α befestigten Kurbeln k. Die Zapfen ζ können an ihren vorderen Enden mit Rollen versehen sein (s. Fig. 1). Die Achse α jeder Schaufel f wird vorteilhaft etwas hinter den Druckmittelpunkt der Schaufelfläche so verlegt, daß mit dem Drehmoment des Flächendrucks in bezug auf α auch die Reibung der Lenkrollen in der Kranznut der Steuerscheibe klein ausfällt und womöglich durch den Drehungssinn dieses Moments die richtige Bewegung von£ am Kranz von r in den zwei Totpunktslagen gesichert ist. Die Steuerscheibe b wird in vielen Fällen nicht dauernd fest auf dem Wellenlager angebracht. Sie wird dann vorteilhaft auf einem zylindrisehen Ansatz oder der Schale des Wellenlagers verstellbar angeordnet, so daß durch Verstellen oder Schwenken der Scheibe um w die Schaufelneigungen und damit die Arbeitsleistungen der Schaufeln sich ändern lassen.

An Stelle der großen festen Steuerscheibe b nach Fig. 1 können auch feste oder verstellbare kleinere Scheiben b¹, δ² treten, wie sie beispielsweise in den Fig. 3 und 5 in Seitenansicht dargestellt sind. Es wird dann die Bewegung der Zapfen oder der an diesen befindlichen Rollen am Kranz der Steuerscheibe vermittels kurzer Kurbeln n, n¹ und der Stangen Ί, welche die Zapfen y, y¹ der Kurbeln η und n¹ verbinden (s. Fig. 3), oder vermittels einer Gleitvorrichtung mit Gestänge h und g nach Fig. 5 auf die Achsen α der Schaufeln f übertragen.

Bei der zweiten Ausführungs art nach Fig. 3 sind die in der Nut der Steuerscheibe geführten Zapfen y¹ an. kurzen Kurbeln n¹ befestigt, welche in den Speichen des einen Kranzes r vermittels der Zapfen c drehbar gelagert sind, während bei dem Ausführungsbeispiele nach Fig. 5 am Ende jeder Gleit- vorrichtung zwei Rollen vorgesehen sind, die sich zwangläufig in der Doppelnut des im Querschnitt T- oder L_l-förmig gestalteten Kranzes der Steuerscheibe bewegen. Eine weitere, in Fig. 6 dargestellte Abänderung des letzten Ausführungsbeispieles besteht darin, daß die Rollen χ am unteren Ende der Gleitvorrichtung sich auf dem glatten Umfang der Steuerscheibe bewegen. Zum Anpressen der Rollen an letztere wird zwischen Gleitvorrichtung und Kranz r eine Spiralfeder f vorgesehen.

Für besondere Zwecke können die Achsen a anstatt einer zur Welle w parallelen eine schräge oder windschiefe Anordnung erhalten. In diesem Falle würden die Achsen α zur Übertragung der Bewegung der Zapfen ζ auf die Schaufeln f gelenkig angeordnete Kurbeln tragen.

Wird nun das Schaufelrad durch die Antriebsmaschine in Drehung versetzt, so bewegen sich die zwangläufig geführten Rollen in der Nut oder auf dem Umfange der Steuerscheibe, die ihrerseits auf dem Lager der Schaufelradwelle stillsteht.

Dadurch nun, daß die Kranzkrümmung der Steuerscheibe b die oben gekennzeichnete Kurvenform behufs Erzielung eines hohen Wirkungsgrades erhalten hat, wird bei jeder Schaufel die günstigste, stetig wechselnde

Längsneigung erzielt, wobei die Sehne der Flügelwölbung mit der Marschrichtung den stetig veränderlichen Winkel β (s. Fig. i) einschließt.

Was das Verhalten der biegsamen Schaufelenden bei der Drehung des Schaufelrades betrifft, so biegen sich die Enden der jeweils bei der Drehung vorn befindlichen, sich abwärts bewegenden Schaufeln nach aufwärts,

ίο wodurch ihre Wölbung alsdann vorübergehend doppelt gekrümmt, oder ~-förmig ist, so daß diese Schaufeln einen besonders starken Vortrieb und Auftrieb ergeben. Dagegen ist die Wölbung während der Aufwärtsbewegung der jeweils hinten befindlichen Schaufeln auch bei rascher Fortbewegung in der Regel einfach gekrümmt, so daß auch diese Schaufeln mit Auftrieb, wenn auch ohne Vortrieb arbeiten und so zur Erhöhung der Nutzleistung beitragen. Die Schaufelflächen werden gewöhnlich von dünnen Platten gebildet, die von den auf α befestigten Rippen mit biegsamen Enden getragen werden.

Um das Manövrieren der Fahrzeuge, d. h.

die willkürliche, zur Fahrt in Kurven, zum Steigen, Fallen, Anfahren und Anhalten der Fahrzeuge erforderliche Veränderung der Marschrichtung und Geschwindigkeit durch Änderung der Schaufelneigungen zu ermöglichen, von welchen die Größe und das gegenseitige Verhältnis von Gesamtauftrieb und Vortrieb bei Fahrzeugen, wie Flugapparaten und Unterseebooten, abhängen, werden die Naben der Steuerscheiben b, b¹, b² drehbar auf einem zylindrischen Ansatz oder der verlängerten Schale des Wellenlagers montiert. Das zum Manövrieren erforderliche Schwenken der Steuerscheibe um w und das beliebige Feststellen geschieht gewöhnlich dadurch, daß ein auf der Nabe der Steuerscheibe fest aufgesetztes Ketten- oder Seilrad vermittels Treibkette oder -seil von einem Handrad aus geschwenkt und hierdurch die Steuerscheibe nach Bedarf eingestellt wird (s. Fig. 4).

Ferner kann das neue Schaufelrad, wenn die Schaufeln mit elastisch biegsamen Enden nicht an gebogenen, auf einer Seite konkaven, auf der anderen konvexen Rippen, sondern, wie in Fig. 7, an solchen mit gerader Längsachse, welche in ihrem vorderen Teil beiderseits konkav sind, befestigt sind, nach einer Schwenkung der Steuerscheibe um 180 ° infolge der entsprechenden Umstellung der Schaufeln auch zum Rückwärtsfahren benutzt werden.

Die Verwendungsmöglichkeit des neuen Schaufelrades ist eine sehr weitgehende. So kann dieses entweder alleinwirkend, anstatt des üblichen Schraubenpropellers, oder zusammen mit diesem zur raschen Fortbewegung von Schiffen, Booten und Flugapparaten und von leichten auf fester Bahn, auf Geleisen oder auf Laufseilen rollenden oder gleitenden, mit beliebigem motorischen Antrieb versehenen Fahrzeugen benutzt werden. Bei Schiffen arbeitet es gewöhnlich ganz unter der Wasserlinie, wobei die Steuervorrichtung, wie in Fig. 3 und 4, in einem wasserdichten, von dem Mantel m und der Scheibe d gebildeten Raum eingeschlossen und geschützt werden kann und die Schaufeln zwischen den an den Kränzen r befestigten vollwandigen Scheiben d arbeiten.

Behufs Förderung von Flüssigkeiten und Gasen sowie von deren Mischungen mit festen Stoffen soll es bei Kreiselpumpen, Ventilatoren nnd ähnlichen Maschinen in Gehäusen verwendet werden.

Den üblichen Schraubenpropellern gegenüber, welche bei wagerechter, parallel zur Marschrichtung liegender Welle nur Vortrieb erzeugen, werden durch das neue Schaufelrad außer hoher Nutzleistung noch folgende Vorteile erzielt.

Bei annähernd wagerechter Welle erteilt es den Fahrzeugen, wie Unterseebooten und Flugapparaten, sowohl starken Auftrieb als Vortrieb. Wenn es mit wagerechter Welle unter dem Bug von gewöhnlichen Schiffen und Booten angebracht wird, vermindert der starke Auftrieb die Eintauchung und damit den Schiffswiderstand, ergibt also bei einer bestimmten Vortriebskraft eine vergrößerte Schiffsgeschwindigkeit. Vermittels der jeden Augenblick möglichen Verstellung der Schaufelneigungen kann es auch unmittelbar zur Höhensteuerung von Unterseebooten und Luftfahrzeugen dienen. Bei annähernd wagerechten oder lotrechten Wellen, wenn sie paarweise seitlich symmetrisch zur Längsachse der Fahrzeuge angebracht sind, und wenn die zwei lotrechten Wellen bei jedem Paar entgegengesetzten Drehungssinn haben, wie bei dem Boot in Fig. 8, eignet sich ein solches Räderpaar auch zur Seitensteuerung, sobald die Neigungen der Schaufeln bei einem Rad anders als bei dem symmetrisch gegenüberliegenden eingestellt werden.

Die zur Längsachse schief gerichteten Drücke der jeweils vorn arbeitenden, gleichgeneigten Schaufeln des Räderpaares in Fig. 8 ergeben eine starke, vorwärts treibende Resultante.

Durch Kombination des Schaufelrades mit dem gewöhnlichen Schraubenpropeller werden bei Schiffen und Luftfahrzeugen folgende Vorteile erzielt.

Der Schraubenpropeller verstärkt den Vortrieb, so daß die erstrebte große Marschgeschwindigkeit, welche in dem richtigen Verhältnis zu der großen Umdrehungszahl stehen

muß, damit die Voraussetzung einer hohen. Nutzleistung des Schaufelrades erfüllt ist, sicher erreicht wird.

Auch das jeweils gewünschte Verhältnis der Größen von Auftrieb und Vortrieb kann bei Flugapparaten durch diese Kombination und die Regelung der Drehzahl der beiden Propeller erzielt werden.

Bei Flugapparaten hat die Kombination

ίο des üblichen Schraubenpropellers mit einem Paar Schaufelräder, welche seitlich, wie das in der Fig. ι und 2 gezeichnete, symmetrisch zur Längsachse mit gemeinsamer wagerechter Welle gewöhnlich vor den zum Gleitflug nötigen Tragflächen angeordnet werden, außer obigen Vorteilen noch den großen Vorzug der Erhöhung der automatischen Stabilität im Fluge in der Querrichtung infolge der Kreiselwirkung der um w schnell rotierenden Massen der Schaufeln und Radkränze.

Somit wird die Gefahr, welche infolge der von einer Windböe bewirkten Störung der Querstabilität für den Flieger entsteht, um so geringer, je größer die Tourenzahl und Kreiselwirkung der beiden Schaufelräder ist. Auch bleibt dem Flieger mehr Zeit als bei der üblichen Bauart der Drachenflugzeuge, um diese Gefahr durch Schwenken der Steuerscheiben zu beseitigen.

Die Laufkränze der Steuerscheiben können so gekrümmt werden, daß in jedem Augenblick bei dem richtigen Verhältnis von Umdrehungszahl und Marschgeschwindigkeit entweder alle Schaufeln sich annähernd oder genau in die ihrer augenblicklichen Lage entsprechende günstigste Längsneigung einstellen, oder nur der durch den besonderen Zweck des Rades gegebene Bruchteil der Gesamtzahl seiner Flügel, die in manchen Fällen nicht in allen Flügellagen dieselbe Art der Arbeit zu leisten haben.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Schaufelrad zur Fortbewegung von Fahrzeugen verschiedener Art im Wasser, in der Luft und auf fester Bahn sowie zur Förderung von Flüssigkeiten, Gasen und festen Stoffen, gekennzeichnet durch eine nach Bedarf feste oder zum Zwecke des Manövrierens verstellbare Steuervorrichtung, die bei einem günstigen Verhältnis der Marsch- und Drehgeschwindigkeit des Rades eine solche Stellung der gewölbten Schaufeln, die auch mit elastischen Rändern versehen sein können, bewirkt, daß die Sehne der Schaufelwölbung mit der Richtung der aus der Marschgeschwindigkeit (V_1n), der Drehgeschwindigkeit (V_a) um die Schaufelachse und der Drehgeschwindigkeit (V_n) um die Radwelle zusammengesetzten Geschwindigkeit (F) der absoluten Bewegung der Schaufelspitze einen für jede Schaufellage bestimmten Winkel (α) einschließt, der nach Lage und Größe annähernd mit dem Winkel zwischen Sehne und Tangente der Flügelwölbung an der Spitze übereinstimmt und so bemessen wird, daß gleichzeitig .ein möglichst geringer Stirnwiderstand und hoher Wirkungsgrad sich ergibt.

2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schaufelachsen Kurbeln angreifen, die unmittelbar oder durch Vermittlung von Übertragungsgestängen durch eine Steuerscheibe geführt sind, deren Krümmungen die im Anspruch 1 gekennzeichnete Bewegung der Schaufeln bewirken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.