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Vorrichtung zur Regelung von Schaufelrädern Es sind Schaufelräder
für Wasser und Luft bekannt als Kraftmaschinen oder als Vortriebsorgane, bei denen
die Schaufeln um ganz oder annähernd parallel zur Radachse liegende Drehachsen sich
während der Rotation des Rades bewegen. Die Relativbewegung der Schaufeln gegen
das Rad wird dabei von einem Mechanismus erzwungen mit einem verstellbaren Organ,
dessen Verstellung das Bewegungsgesetz der Schaufeln relativ zum Rad und zur Flüssigkeitsströmung
und damit die hydraulischen Wirkungen des Rades verändert.
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Im folgenden wird ein Beispiel der Verwendung eines solchen Schaufelrades
als Antrieb für ein Wasserfahrzeug gegeben. Wird das Rad mit senkrechter Welle eingebaut,
so ist es möglich, mit bekannten Ausführungen das Bewegungsgesetz der Schaufeln
relativ zum Rad so zu beeinflussen, daß die erzeugte Kraft in einer horizontalen
Ebene verschiedene Größe und Richtung annimmt, wobei das Rad stets im gleichen Drehsinne
weiterläuft. Es ist daher möglich, mit einem solchen Schaufelrade ein Schiff zu
bewegen, gleichzeitig zu steuern und fallweise auch rückwärts zu treiben.
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Die Schaufeln werden dabei relativ zum Rad von einem Steuermechanismus
bewegt mit einem verstellbaren Organ, von dessen Stellung das Bewegungsgesetz der
Schaufeln abhängt und durch dessen Verstellung es für alle Schaufeln gemeinsam verändert
wird. Dieses verstellbare Organ kann je nach den Mitteln, die zur Erzeugung der
Relativbewegung der Schaufeln verwendet werden, unterschiedliche bauliche Gestaltungen
aufweisen. Es kann bei mechanischem Antrieb der Schaufeln aus einem exzentrisch
gehaltenen Bolzen, einem Ring, einer Kurvenbahn o. dgl. bestehen. Wenn die Schaufeln
von besonderen Motoren (z. B. elektrischen, Druckflüssigkeits- oder Druckgasmotoren)
angetrieben werden, so kann das verstellbare Organ auch außerhalb des Schaufelrades
gelegen und als elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Schaltorgan ausgebildet
sein. Dieses verstellbare Organ soll im folgenden - unabhängig von seiner baulichen
Gestaltung und räumlichen Anordnung- der Kürze halber »Steuerzentrum« genannt werden.
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Durch Verstellung des Steuerzentrums kann die Relativbewegung der
Schaufeln gegen das Rad auf zweifache Art verändert werden. Diese beiden Verstellungen
kommen beispielsweise bei mechanischem Antrieb der Schaufeln mit Ausbildung des
Steuerzentrums als exzentrisch gehaltener Bolzen, Ring o. dgl. dadurch zustande,
daß das Steuerzentrum in dem einen Falle im Kreise um das Radmittel herumgeführt
wird, im anderen Falle hingegen auf einem Durchmesser verschoben und auf verschiedene
Exzentrizitäten eingestellt wird.
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Im ersten Falle, der im folgenden kurz »periphere Verstellung des
Steuerzentrums«
genannt wird, bleibt die Relativbewegung der Schaufeln
gegen das Rad unverändert, nur sind die Orte gleicher Relativstellung der Schaufel
zum Rad in bezug auf den ruhenden Raum um denselben Winkel verdreht, um welchen
das Steuerzentrum geschwenkt wurde. Im zweiten Falle, der im folgenden als »radiale
Verstellung des Steuerzentrums« bezeichnet wird, ändert sich die Größe der Relativbewegung
der Schaufeln in bezug auf das Rad.
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Für die kinematische Lösung der Veränderung des Bewegungsgesetzes
der Schaufeln muß naturgemäß die zweidimensionale Verstellung des Steuerzentrums
nicht genau in eine radiale und eine periphere Komponente zerlegt werden, doch wird
man den Verstellungsmechanismus für das Steuerzentrum vorteilhafterweise so ausbilden,
daß der eine Bewegungsanteil eine vorwiegend radiale, der andere Bewegungsanteil
eine vorwiegend periphere Verstellung bewirkt. Es werden daher die beiden Verstellungskomponenten
des Steuerzentrums im folgenden als radiale und periphere Verstellung bezeichnet,
womit gemeint ist, daß der betreffende Verstellungsanteil eine vorwiegend radiale
oder vorwiegend periphere Verstellung beinhaltet. In besonderen Fällen können auch
beide Bewegungskomponenten nach bestimmten Gesetzen zu einer eindimensionalen Verstellbewegung
kombiniert werden.
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Die hydraulische Wirkung der Verstellung ist eine solche, daß beispielsweise
bei einem sich noch nicht bewegenden Schiffe die Schwenkung des Steuerzentrums (periphere
Verstellung) eine entsprechende Schwenkung der Kraftrichtung, die Verschiebung längs
eines Durchmessers (radiale Verstellung) eine Größenänderung der Schubkraft verursacht.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung derartiger
Schaufelräder, die darin besteht, daß das Steuerzentrum in Abhängigkeit von einer
für den Betrieb maßgebenden Führungsgröße durch einen selbsttätigen Regler verstellt
wird, der durch die Änderungen dieser Führungsgröße in Tätigkeit gesetzt wird.
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Bei der Verwendung des Schaufelrades als Schiffsantrieb ist die erwähnte
Führungsgröße vorteilhafterweise die Drehzahl des Schaufelrades, und die Wirkung
des selbsttätigen Reglers geht dann dahin, die Antriebsmaschine stets mit konstanter
oder nahezu konstanter Drehzahl arbeiten zu lassen.
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Die Wirkungsweise sei an dem Beispiel eines Schaufelrades dargestellt,
dessen Steuerzentrum sowohl in radialer wie in peripherer Richtung verstellt werden
kann. Es sei bei einem Schiffe mit einem solchen Schaufelrade der Vorgang beschrieben,
der bei einer Steuerbewegung eintritt, wenn das in Fahrt begriffene Schiff einem
auftretenden Hindernis auszuweichen sucht. Der Steuermann muß das Steuerzentrum
so weit schwenken, daß die Richtungsänderung der erzeugten Schubkraft das Schiff
zu der gewünschten Wendung veranlaßt. Nun würde aber eine erhebliche periphere Verstellung
des Steuerzentrums bei gleichbleibender Exzentrizität, wie sie sich beim Fehlen
der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt, eine ganz erhebliche Zunahme der erforderlichen
Antriebsleistung bedingen, wenn das Schaufelrad mit gleicher Drehzahl weiter rotieren
sollte. Da die Antriebsmaschine nicht imstande ist, diese Mehrleistung aufzubringen,
so würde ein Rückgang der Drehzahl die Folge sein. Mit einem solchen Rückgange ist
einerseits bei den meisten in Betracht kommenden Antriebsmaschinen, die mit annähernd
konstantem Drehmoment arbeiten, ein der Drehzahlminderung ungefähr proportionaler
Rückgang der Antriebsleistung, anderseits eine noch darüber hinausgehende Verminderung
infolge der Wirkungsgradverschlechterung der Antriebsmaschine verbunden. Schließlich
wird noch die an sich schon verminderte Antriebsleistung wegen der Verschlechterung
des hydraulischen Wirkungsgrades des Schaufelrades unvollkommener ausgenutzt.
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Diese Übelstände werden bei einer Regelung nach der Erfindung dadurch
vermieden, daß beispielsweise die radiale Verstellung des Steuerzentrums so unter
die Wirkung eines Geschwindigkeitsreglers gestellt wird, daß der Regler die Exzentrizität
bei zunehmender Drehzahl zu vergrößern, bei abnehmender Drehzahl zu vermindern trachtet.
Da bei einem und demselben Schaufelrad unter sonst gleichen Verhältnissen die Vergrößerung
der Exzentrizität mit einer Vergrößerung der Leistungsaufnahme verbunden ist, stellt
ein derartig wirkender Regler das Steuerzentrum selbsttätig stets auf jenes Maß
der Exzentrizität ein, bei dem unter den gegebenen hydraulischen Verhältnissen eben
die volle Antriebsleistung bei Einhaltung der normalen Drehzahl ausgenutzt wird.
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Bei der oben beschriebenen Steuerbewegung wird daher bei erfindungsgemäßer
Anordnung eine von Hand bewirkte periphere Schwenkung des Steuerzentrums mit einer
selbsttätig bewirkten Radialstellung verbunden, wobei die Exzentrizität vom Regler
stets auf jener Größe gehalten wird, bei der die Antriebsmaschine gerade noch mit
ihrer normalen Drehzahl laufen kann.
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In der Abbildung ist beispielsweise eine Einrichtung zur Durchführung
des Regelungsverfahrens dargestellt, bei der die radiale Verstellung unter der Einwirkung
eines Reglers und die periphere Verstellung von Hand geschieht. Auf dem Ende der
Welle a sitzt der Radkörper b
mit den achsparallelen Schaufeln c. In
dem Radkörper b -ist der Steuermechanismus für die Bewegung der Schaufeln untergebracht,
dessen Steuerzentrum durch den aus dem Radkörper herausragenden Zapfen d dargestellt
ist. Dieser Zapfen d ist auf einer Führungsschiene e in
radialer
Richtung verschiebbar angeordnet. Die Schiene e ist an einem um die Welle schwenkbaren
Teil f befestigt, der die Nabe eines Zahnrades g bildet, das mit dem Zahnrad h in
Eingriff steht und durch das Steuerrad i gedreht werden kann. Hierdurch ist also
die periphere Verstellung des Steuerzentrums mittels des Steuerrades möglich.
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Der Steuerzapfen d wird weiterhin von einem Gabeldoppelhebel k gefaßt,
dessen anderes Ende an der Muffe l angreift, die mittels der Zugstangen m und Winkelhebel
n vom Regler in senkrechter Richtung längs der Schaufelradwelle verschoben wird
und dabei mittels des Gabelhebels k den Steuerzapfen d (d.i. das Steuerzentrum)
in radialer Richtung verschiebt.
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Bei dieser Regelungsart kommen die erwähnten Leistungsverluste der
Antriebsmaschine in Wegfall, und überdies arbeitet, wie Rechnung und Versuche erwiesen
haben, das Schaufelrad bei einer solchen erhöhten Belastung auch hydraulisch günstiger,
weil bei der durch die kleinere Exzentrizität erlangten normalen Drehzahl sein Wirkungsgrad
höher ist als bei größerer Exzentrizität des Steuerzentrums und verminderter Drehzahl.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch in gerader Fahrt bei
Veränderung des Fahrwiderstandes durch Wind, Wellen u. dgl. der Regler das Schaufelrad
stets auf jene Exzentrizität selbsttätig einstellt, die die günstigste Ausnutzung
der-aus der Maschine zu holenden Antriebsleistung gewährleistet.
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Auch bei der Umkehrung der Schubrichtung um I8o° tritt der Vorteil
einer selbsttätigen Regelung des Steuerzentrums augenfällig in Erscheinung. Es wird
hierbei nach Umlegung der Steuerung auf die Schubrichtung »Zurück« das Steuerzentrum
anfänglich-- d. h. solange das Schiff noch mit unverminderter Geschwindigkeit weiterläuft
- vom Regler auf eine nur kleine Exzentrizität eingestellt, die wiederum die volle
Leistung der Antriebsmaschine mit der günstigsten hydraulischen Ausnutzung verbindet.
In dem Maße, in dem das Schiff sich verzögert, vergrößert der Regler selbsttätig
die Exzentrizität, so daß in dem Augenblicke des Umkehrvorganges die größte rücktreibende
Kraft wirkt, die aus der gegebenen Maschineneinrichtung überhaupt zu holen ist.
Es gelingt damit, die Auslaufstrecke eines Fahrzeuges, das mit einem gemäß der Erfindung
geregelten Schaufelrade versehen ist, sehr erheblich zu verringern.
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Durch geeignete Ausbildung des Reglers ist es möglich, das Umkehren
ohne periphere Schwenkung um I8o° so auszuführen, daß das Steuerzentrum vom Regler
längs eines Durchmessers auf die diametral gegenüberliegende Seite verstellt wird,
sobald ein umstellbares Organ des Reglers durch äußeren Eingriff aus der Lage »Vorwärts«
in die Lage »Zurück« umgeschaltet wird.
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Es kann auch ein Schaufelrad erfindungsgemäß so gesteuert werden,
daß beide Verstellungskomponenten des Steuerzentrums (radiale und periphere Verstellung)
automatisch erfolgen. Dies benutzt man vorteilhafterweise dazu, zwei verschiedene
Führungsgrößen auf die Steuerung des Schaufelrades einwirken zu lassen. Als Ausführungsbeispiel
hierfür sei ein Wasserfahrzeug mit einem Schaufelrade angeführt, bei dem die radiale
Verstellung, wie beschrieben, in automatischer Abhängigkeit von der Drehzahl, gleichzeitig
aber auch die periphere Verstellung (Richtungssteuerung) ebenfalls selbsttätig durch
den Schiffskompaß bewirkt wird. Bei einem solchen Fahrzeug ist nur die Brennstoffzufuhr
der Antriebmaschine auf konstante Belastung einzustellen, während der ganze Vortriebs-
und Steuerungsvorgang sich selbsttätig den jeweils gestellten Bedingungen anpaßt.
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Als weiteres Anwendungsbeispiel sei die erfindungsgemäße Anordnung
bei einem Schaufelrade angezeigt, das, in geschlossenem Gehäuse eingebaut, als Wasserturbine
verwendet wird. Es werde hierbei beispielsweise wiederum nur die radiale Verstellung
des Steuerzentrums von einem selbsttätigen Regler bewirkt, während eine periphere
Verstellung überhaupt nicht vorgesehen sei. Dieser Regler kann unter der Wirkung
der Drehzahl, der Oberwasserspiegellage oder einer anderen für den Betrieb maßgebenden
Führungsgröße stehen.
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Schaufelräder der beschriebenen Art, die als Turbine in geschlossenem
Einbau verwendet werden, wirken derart, daß Wasserverbrauch und Leistung mit der
Exzentrizität des Steuerzentrums wachsen oder abnehmen. Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren
ist daher, wenn das Steuerzentrum in Abhängigkeit von der Drehzahl verstellt wird,
geeignet, eine sehr schnell wirkende und genaue Regelung der Turbinenleistung zu
erzielen, wobei so wenig schwere Regelteile zu verstellen sind, daß sehr große Arbeitsgeschwindigkeiten
der Reglerservomotoren möglich sind.
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Unterstellt man andererseits den Regler in geeigneter Weise der Wirkung
von Wasserspiegeländerungen, so gestattet diese Anordnung die selbsttätige Anpassung
an die zur Verfügung stehende Wassermenge, ohne daß das dem Laufrad zufließende
Wasserabgedrosselt, d. h. durch verstellbare Querschnitte geführt wird.
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Die Veränderung der Exzentrizität des Steuerzentrums einer Schaufelradturbine
bedeutet aber weiterhin eine Veränderung der Schnellläufigkeit (d. i. der spezifischen
Drehzahl n,) der Turbine. Läßt man daher den selbsttätigen Regler, der das Steuerzentrum
verstellt, in geeigneter Weise von einer Führungsgröße beeinflussen, die ein Maß
des Nutzgefälles bildet, so
erhält man eine Turbine, bei der ein
und dieselbe konstante Drehzahl der Hauptwelle auch bei großen Schwankungen des
Gefälles stets die »Normaldrehzahl« bildet. Eine solche Turbine ist besonders geeignet
zur Ausnutzung von Niederdruckkraftstufen mit stark schwankendem Gefälle und ergibt
auch bei diesen Betriebsbedingungen, die mit bisher bekannten Konstruktionen nur
sehr unvollkommen zu beherrschen waren, einen fast unveränderlichen Wirkungsgrad.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung für Schaufelräder,
die als Pumpe oder Gebläse arbeiten, wird erreicht, daß Förderhöhe und Fördermenge
in Abhängigkeit von den gestellten Anforderungen durch Veränderung der Stellung
des Steuerzentrums sich einstellen, die vielfach verwendete verlustreiche Drosselung
wird vermieden und große Anpassungsfähigkeit der Pumpe, z. B. an wechselnde Förderhöhe,
erzielt.
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Es ist natürlich auch bei Turbinen, Pumpen und Gebläsen möglich, das
Steuerzentrum automatisch in peripherer Richtung verstellen oder es eine Bewegung
ausführen zu lassen, die aus einer radialen und peripheren zusammengesetzt ist,
öder aber die radiale und die periphere Verstellungskomponente von zwei verschiedenen
Führungsgrößen abzuleiten.