DE3040508C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaufelradantrieb mit gleichblei­ benden Drehrichtungen, bei dem zwei bis vier Schaufeln radial angetrieben und gesteuert um eine Zentralachse kreisen und sich um parallel dazu liegende Schaufelachsen drehen, wobei für die Schaufeln sich um die Zentralachse drehende Radarme vorgesehen sind und einer Umdrehung der Radarme um die Zentralachse eine halbe Umdrehung der Schaufeln um die jeweilige Schaufelachse entspricht.

Bei einem bekannten (FR-PS 10 46 325) Schaufelradantrieb dieser Art sitzen die Schaufeln an den Radarmen. Dies ergibt einen re­ lativ ungünstigen Wirkungsgrad des Antriebes, weil - bei einem Umlauf einer Schaufel um die Zentralachse - die Stellungen der Schaufel ungünstig sind. Diese bekannte Vorrichtung mag bei Ver­ wendung als Kraftmaschine einen guten Wirkungsgrad haben, hat aber bei Verwendung als Antrieb einen schlechten Wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Schaufelradantrieb der eingangs genannten Art den Vortrieb, d. h. den Wirkungsgrad zu verbessern. Der erfindungsgemäße Schaufelradantrieb ist, die­ se Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln an den freien Enden von Schaufelarmen vorgesehen sind, die anderen­ ends um parallele Schaufelarmachsen an den Radarmen drehbar sind, wobei der Abstand zwischen Schaufelachse und Schaufelarmachse dem halben Abstand zwischen Schaufelarmachse und Zentralachse entspricht und das Übersetzungsverhältnis der Drehung um die Zen­ tralachse zur Drehung um die Schaufelarmachse 1 : 1 ist.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Schaufelradantriebes ist verbessert. Insbesondere werden höhere Standschübe gegenüber Propellern mit gleichem Querschnitt und gleicher Leistung er­ reicht. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ergibt sich eine Erweiterung des Anwendungsbereiches für aero- und hydrodynami­ sche Antriebe. Der erfindungsgemäße Antrieb wird ähnlich einer Luft- oder Schiffsschraube in gasförmigen oder flüssigen Medien verwendet.

Der erfindungsgemäße Schaufelradantrieb ist eine Arbeitsmaschine bzw. Strömungsmaschine, welche dem Schaufelrad eines Raddampfers ähnelt. Im Gegensatz zu diesem kann die sich trabantenartig be­ wegende Schaufel innerhalb eines gasförmigen oder flüssigen Me­ diums Vortrieb erzeugen und dieser ist bei Gleichbehaltung der Drehrichtung der Räder, Schaufelarme und Schaufeln umlenkbar. Zwei Grundtypen des Aufbaues bieten sich an, nämlich die Innen­ schaufel und die Außenschaufel. Beide Grundtypen bestehen aus einem Radpaar. Bei der Innenschaufel sind die Schaufeln beidsei­ tig zwischen den Rädern gelagert, der Antrieb und die Steuerung der Räder, Schaufelarme und Schaufeln außerhalb. Bei der Außen­ schaufel sind die Schaufeln nur einseitig gelagert und stehen nach außen; Antrieb und Steuerung befinden sich zwischen den Rä­ dern. Im Gegensatz zu dem Aufbau mit Innenschaufel können beim Aufbau mit Außenschaufel die Schaufeln beider Räder getrennt ge­ steuert werden. Die Anzahl der Schaufeln je Radpaar bei Innen­ schaufel bzw. je Rad bei Außenschaufel beträgt zwei oder mehr. Durch entsprechende Anordnungen und Drehungen beschreiben die Schaufeln während einer Umdrehung der Räder eine Flugbahn, die der Flugbahn des Erdtrabanten während eines Jahres nahe kommt. Die Schaufeln sind dabei immer so gesteuert, daß nur in eine Richtung Vortrieb erzeugt wird.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung dargestellt und zeigt

Fig. 1 einen Schaufelradantrieb,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1 in einem ge­ genüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab,

Fig. 3 in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab eine Seitenansicht von Radarmen, Schaufelarmen und Schaufeln des Schaufelradgetriebes gemäß Fig. 1,

Fig. 4 die Antriebseinrichtung einer Schaufel des Schaufel­ radantriebes gemäß Fig. 1,

Fig. 5 verschiedene Stellungen einer Schaufel des Schaufel­ radantriebes gemäß Fig. 1,

Fig. 6 eine Steuereinrichtung des Schaufel-Satzes des Schau­ felradantriebes gemäß Fig. 1,

Fig. 7 eine weitere Stellung der Schaufeln gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 eine dritte Stellung der Schaufeln gemäß Fig. 6.

Der Schaufelradantrieb gemäß Zeichnung besitzt einen Rahmen 1, der Befestigungsmöglichkeiten für einen Motor, Lagerung und Steuerung bietet. An dem Rahmen 1 sind Antriebswellenlager 2 und ein Antriebsmotor 3 vorgesehen, der ein Antriebs-Kettenrad 4, eine Antriebskette 5 und ein als Kettenrad ausgebildetes Zen­ tralantriebsrad 6 treibt. Dieses sitzt auf einer Zentralachse 7, die in den Antriebswellenlagern 2 gelagert ist und Antriebswelle für Radnaben 8 ist. Diese tragen Radarme 9 und zwar gemäß Fig. 3 drei. An den freien Enden der Radarme 9 sind Schaufelarm­ achsen 10 von Schaufelarmen 11 vorgesehen, die jeweils eine um eine Schaufelachse 12 drehbare Schaufel 13 tragen.

Gemäß Fig. 3 ist an einem Steuerhebel 14 ein als Kettenrad ausgebildetes Steuerrad 15 vorgesehen, das über eine Steuerkette 16 von einem als Kettenrad ausgebildeten Zentralsteuerrad 17 her angetrieben wird, das auf der Zentralachse 7 sitzt. Auf der Zen­ tralachse 7 ist neben dem Zentralsteuerrad 17 eine Verbindungs­ muffe 19 bzw. ein Flansch angeordnet, neben dem sich ein Zentral­ stirnrad 18 befindet. Dieses treibt über als Stirnräder ausge­ bildete Radarmzwischenräder 20 ein Schaufelarmstirnrad 21, das über eine Verbindungsmuffe 22 den Schaufelarm 11 trägt, an dem ein Schaufelarmkettenrad 23 vorgesehen ist, das über eine Schau­ felarmkette 24 ein Schaufelkettenrad 25 treibt, das mit der Schau­ fel 13 verbunden ist.

Der Schaufelradantrieb umfaßt für ein Paar von je drei nach außen gerichteten Schaufeln 13 den gestellartigen Rahmen 1, den An­ trieb, die Schaufelräder und eine Steuereinrichtung. Der Antrieb umfaßt den Antriebsmotor 3 mit dem Antriebs-Kettenrad 4, der An­ triebskette 5, dem Zentralantriebsrad 6 und der Zentralachse 7. Jedes Schaufelrad umfaßt zwei Radnaben 8 mit je drei angesetzten verwindungssteifen, speichenartigen Radarmen 9, Lager für zwei Radarmzwischenräder 20, ein Schaufelarmstirnrad 21 und je Radarm 9 eine angesetzte Schaufelarmachse 10; weiterhin sind drei Schau­ felarme 11 mit einem Lager und einer Schaufelachse 12 pro Schau­ felrad und insgesamt sechs Schaufeln 13 vorgesehen.

Die Steuereinrichtung umfaßt zwei Steuerhebel 14 mit Steuerrädern 15 und Steuerketten 16. Es sind zwei Zentralstirnräder 18 als Sonnenräder und mit Verbindungsmuffe 19 vorgesehen, sowie zwei Zentralsteuerräder 17. Weiterhin sind vorhanden sechs mal zwei Radarmzwischenräder 20, sechs als Planetenräder wirkende Schau­ felarmstirnräder 21 mit Flansch, je sechs Schaufelarmkettenräder 23, Schaufelarmketten 24 und als Trabantenräder wirkende Schau­ felkettenräder 25.

Die Zentralachse 7 ist im Rahmen 1 zweifach gelagert. Etwa auf der Mitte der Zentralachse 7 sitzt das Zentralantriebsrad 6. An beiden Wellenenden sind die Radnaben 8 der Schaufelräder aufge­ steckt. Die Zentralstirnräder 18 sitzen auf der Zentralachse 7 gelagert inmitten der Radarme 9. Durch je eine Verbindungsmuffe 19 sind sie mit den Zentralsteuerrädern 17 verschraubt, welche zwischen den Radarmen 9 und den Antriebswellenlagern 2 sitzen. Über die Steuerketten 16 werden die Zentralsteuerräder 17 und somit die Zentralstirnräder 18 von den Steuerrädern 15 aus ange­ trieben. Der Steuerhebel 14 und die Steuerräder 15 sind gekop­ pelt. Wenn keine Änderung der Vortriebsrichtung vorgenommen wird, stehen Steuerhebel 14, Steuerräder 15, Steuerketten 15, Zentral­ steuerräder 17 und Zentralstirnräder 18 still. Durch die Drehung der Schaufelräder rollen sich die ebenfalls inmitten der Radarme 9 gelagerten Schaufelarmstirnräder 21 über die Radarmzwischenrä­ der 20 an den stehenden Zentralstirnrädern 18 ab. Die Schaufelarm­ stirnräder 21 sind durch je eine Verbindungsmuffe 22 nach außen mit den Schaufelarmen 11 verbunden und auf den Schaufelarmachsen 10 gelagert.

Außerhalb der Schaufelarme 11 sind auf den Schaufelarmachsen 10 die Schaufelarmkettenräder 23 aufgesteckt. Die Schaufelkettenrä­ der 25 sind mit den Schaufeln 13 verschraubt und rollen sich über die Schaufelarmketten 24 durch die Rotation der Schaufelarme 11 an den Schaufelarmkettenrädern 23 ab. Die Schaufeln 13 sind ähn­ lich dem Pedal einer Tretkurbel in der Mitte auf den Schaufel­ achsen 12 gelagert. Sie sind quadratisch und die beiden Flächen zur Lagermitte gleichmäßig gewölbt.

Das Übersetzungsverhältnis von den Zentralstirnrädern 18 über die Radarmzwischenräder 20 : Schaufelarmstirnräder 21 beträgt 1 : 1. Das ergibt bei einer Umdrehungszahl von Zentralachse 7 von n = 1 und den Zentralstirnrädern von n = 0 eine entsprechende Umdre­ hungszahl für die Schaufelarmstirnräder 21. Die Schaufelarmket­ tenräder 23 sind durch die Schaufelarmachsen 10 mit den Radarmen 9 starr verbunden, d. h. n Zentralachse 7 = n Schaufelarmketten­ räder 23. Das Übersetzungsverhältnis von Schaufelarmkettenräder 23 : Schaufelkettenräder 25 ist 1 : 1,5. So ergibt dies ein Um­ drehungszahlverhältnis von n Zentralachse : n Schaufel von 1 : 0,5.

Die Radarme 9 sitzen auf den Radnaben 8 in einem Winkel von 120° zueinander. Die Schaufelarme 11 und Schaufeln 13 stehen während ihrer Umläufe stets im gleichen Winkel zueinander und zwar die Schaufelarme in einem von 120° und die Schaufeln von 60°. Dies bedeutet, daß bei ruhendem Steuerhebel 14 alle Schaufelarme und Schaufeln bei Erreichen eines Fixpunktes ihrer Umlaufbahn um die Zentralachse 7 stets den gleichen Winkel zur Vortriebsrichtung einnehmen. Im Gegensatz zur Kreisbahn der Schaufelarmachsen 10 um die Zentralachse 7 beschreiben die Schaufelachsen 12 eine Kreisbahn um die Schaufelarmachsen 10 und somit eine exzentri­ sche Bahn um die Zentralachse.

Ähnlich der Abweichung von der Kreislinie der Schaufelachsen 12 verhält es sich mit der Winkel- und Umlaufgeschwindigkeit. Beide Geschwindigkeiten erreicht während eines Umlaufes einmal ihren Minimalwert und ihren Maximalwert. Sie sind am kleinsten, je mehr sich die Schaufelachsen 12 innerhalb der Kreislinie der Schaufelarmachsen 10 der Zentralachse 7 genähert haben, also wenn Radarm 9 und Schaufelarm 11 eine Linie bilden und der Schau­ felarm 11 nach innen zeigt. Beide Geschwindigkeiten sind am größten, je mehr sich die Schaufelachsen 12 außerhalb der Peri­ pherie der Schaufelarmachsen 10 von der Zentralachse 7 entfernt haben. An diesem Punkt bilden Radarm 9, Schaufelarm 11 und Schau­ fel 13 eine Linie, wobei der Schaufelarm 11 nach außen zeigt.

Die Schubentwicklung während des Umlaufes der Schaufel 13 um alle drei Achsen ist am größten, wenn die Schaufeln quer zur An­ triebsrichtung ihrer Achsen stehen und die Winkel- und Umlaufge­ schwindigkeit am größten ist. Bei gestrecktem Winkel der Schau­ feln zur Antriebsrichtung ihrer Achsen ist der Schub bedeutungs­ los. Die Rotation der Schaufelachsen 12 um die Schaufelarmachsen 10 verhindert in den Bereichen einer Umdrehung eine Verzerrung der Schubrichtung, in der die Schaufeln etwa 45° bzw. 135° zur Vortriebsrichtung stehen. Der Abstand zwischen Schaufelachsen 12 und Schaufelarmachsen 10 ist die Hälfte des Abstandes von den Schaufelarmachsen 10 zur Zentralachse 7.

Die Vortriebsrichtung wird über die Steuerhebel 14, Steuerräder 15, Steuerketten 16, Zentralsteuerräder 17 und Zentralstirnräder 18, durch deren Drehung, geändert. Eine Drehung der Zentralstirn­ räder 18 um eine bestimmte Gradzahl bringt eine Änderung der Vor­ triebsrichtung um die gleiche Gradzahl. Das Verhalten der Schau­ feln 13 zur Vortriebsrichtung ist etwa über zwei Drittel ihrer Umlaufstrecke oder etwa drei Viertel der Drehung der Zentral­ achse 7 neutral, d. h. die Strömung liegt an. Die restliche Dre­ hung der Zentralachse 7 um 90° verursacht einen Ausschlag der Schaufeln 13 um etwa 120° ihrer Umlaufstrecke. In diesem Abschnitt stehen die Schaufeln 13 nahezu gleichbleibend in einem Winkel von 90° zur Vortriebsrichtung und erzeugen den Vortrieb.

Einteilung und Einstellung der Radarme, Schaufelarme und Schau­ feln sind derart, daß bei Anordnung von zwei, drei oder vier Schaufeln je Rad die Radarme in einem Winkel von 180°, 120° oder 90° von den Radnaben ausgehen. Die Ruderarme stehen entspre­ chend mit 0°, 120° oder 180° (bei vier Schaufeln in Reihenfolge) zueinander. Bei den Schaufeln beträgt der entsprechende Winkel zueinander 90°, 60° oder 45° (in Reihenfolge). Aus dem Drehzahl- und Einstellungsverhältnis resultiert, daß eine Umdrehung jeder Schaufel um die Zentralachse eine Konstellation ergibt, bei der Radarm, Schaufelarm und Schaufel eine Linie bilden, wobei der Schaufelarm nach außen zeigt. Es liegt maximaler Schub vor. Es erfolgt eine Umlenkung des Vortriebes bei Gleichbehaltung aller Drehrichtungen, wobei bei Drehung des Zentralstirnrades um eine bestimmte Gradzahl eine Änderung der Vortriebsrichtung um die gleiche Gradzahl erreicht wird.

Claims (1)

1. Schaufelradantrieb mit gleichbleibenden Drehrichtungen, bei dem zwei bis vier Schaufeln radial angetrieben und gesteuert um eine Zentralachse kreisen und sich um parallel dazu liegende Schaufelachsen drehen, wobei für die Schaufeln sich um die Zen­ tralachse drehende Radarme vorgesehen sind und einer Umdre­ hung der Radarme um die Zentralachse eine halbe Umdrehung der Schaufeln um die jeweilige Schaufelachse entspricht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaufeln (13) an den freien Enden von Schaufelarmen (11) vorgesehen sind, die anderenends um parallele Schaufelarmachsen (10) an den Radarmen (9) drehbar sind, wobei der Abstand zwischen Schaufelachse (12) und Schaufelarmachse (10) dem halben Abstand zwischen Schaufelarmachse (10) und Zentral­ achse (7) entspricht und das Übersetzungsverhältnis der Drehung um die Zentralachse (7) zur Drehung um die Schaufelarmachse (10) 1 : 1 ist.