DE493539C

DE493539C - Paddle wheel

Info

Publication number: DE493539C
Application number: DEV24386D
Authority: DE
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1927-09-28
Filing date: 1928-09-27
Publication date: 1930-03-14

Description

Schaufelrad Die Erfindung bezieht sich auf Schaufelräder, deren Schaufeln während der Umdrehung des Rades sich relativ zu diesem um Achsen bewegen, die parallel oder annähernd parallel zur Radachse liegen und alle stets von dem Medium, in dem sie arbeiten, vorwiegend in einer Richtung beaufschlagt werden, die senkrecht zur Radachse verläuft. Solche Schaufelräder können als Antriebsmittel für Wasser- oder Luftfahrzeuge, als Wasseröder Windkraftmaschinen, Pumpen, Ventilatoren, Gebläse o. dgl. verwendet werden.Paddle wheel The invention relates to paddle wheels, their blades during the rotation of the wheel move relative to this about axes which are parallel or approximately parallel to the wheel axis and all always from the medium in which they work, are acted predominantly in a direction that is perpendicular to the Wheel axis runs. Such paddle wheels can be used as a drive means for water or Air vehicles, as water or wind power machines, pumps, ventilators, blowers or the like. Can be used.

Zur Erläuterung des Wesens der Erfindung soll vor allem an dem in Fig. i im Aufriß und in Fig. 2 im Grundriß dargestellten Ausführungsbeispiel die Art der Schaufelräder gezeigt werden, auf die sich die Erfindung bezieht.To explain the essence of the invention, the in Fig. I in elevation and in Fig. 2 in plan the embodiment shown Type of paddle wheels to which the invention relates.

Die Hauptwelle i trägt den Radkörper 2, in dem die Schaufeln 3 um Achsen q. drehbar gelagert sind. Das Rad als Ganzes rotiert um die Achse i im Sinne des Pfeiles u und vollführt gleichzeitig eine Translationsbewegung relativ zu dem die Schaufeln umgebenden Medium (z. B. Wasser), so daß dieses dem Rad mit der Geschwindigkeit v zuströmt. Während der Rotation des Rades bewegen sich die Schaufeln 3 bei dieser Ausführungsform um ihre Achsen q. derart, daß ihre Eintrittskante auf dem Halbkreis ABC (also auf der vorderen Radhälfte) außerhalb, auf dem Halbkreis CDA (also auf der hinteren Radhälfte) innerhalb des von den Schaufeldrehachsen durchlaufenen Kreises liegt. Der Antrieb der Schaufelbewegung (hier ist es eine schwingende Bewegung) kann verschiedenartig erfolgen; in Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel eine feststehende Kurvenscheibe 5 dargestellt, auf der Rollen 6 laufen, die mittels der Lenker 7 die Achsen der Schaufeln 3 antreiben. = ' Bei einem Schaufelrad dieser Art eilt stets eine und dieselbe Kante jeder Schaufel gegen die Relativströmung voran und kommt mit dem Medium als Eintrittskante in Eingriff. Dieser Umstand ermöglicht es, der Schaufel ein im Sinne der modernen Strömungslehre entwickeltes günstiges Tropfenprofil zu geben. Eine bedeutende Schwierigkeit liegt jedoch darin, daß der Einfallswinkel, den die Relativgeschwindigkeit zwischen Schaufel und Medium mit der Sehne der Schaufel bildet, beim Durchlaufen der vorderen oder der hinteren Radhälfte auf zwei verschiedenen Seiten der Schaufelsehne liegt und daß die Relativbewegung der Teilchen des Mediums gegen die ruhend gedachte Schaufel nicht geradlinig, sondern in krummen Bahnen erfolgt.The main shaft i carries the wheel body 2, in which the blades 3 about axes q. are rotatably mounted. The wheel as a whole rotates around the axis i in the direction of the arrow u and at the same time performs a translational movement relative to the medium surrounding the blades (e.g. water), so that it flows towards the wheel at the speed v. During the rotation of the wheel, the blades 3 move about their axes q in this embodiment. in such a way that its leading edge lies on the semicircle ABC (i.e. on the front half of the wheel) outside, on the semicircle CDA (i.e. on the rear half of the wheel) within the circle traversed by the vane axes of rotation. The drive of the shovel movement (here it is an oscillating movement) can take place in different ways; In FIG. 2, a stationary cam disk 5 is shown as an exemplary embodiment, on which rollers 6 run, which drive the axes of the blades 3 by means of the guide rods 7. = 'With a paddle wheel of this type, one and the same edge of each paddle always rushes forward against the relative flow and comes into contact with the medium as the leading edge. This circumstance makes it possible to give the blade a favorable drop profile developed in the sense of modern fluid mechanics. A significant difficulty, however, is that the angle of incidence that the relative speed between the blade and the medium forms with the chord of the blade when passing through the front or the rear wheel half lies on two different sides of the blade chord and that the relative movement of the particles of the medium against the Shovel imagined at rest does not take place in a straight line, but in curved paths.

Aus diesen Gründen muß die Form der Schaufel und namentlich die Krümmung ihrer Mittelfläche dem Bewegungsgesetz sorgfältig angepaßt werden, wenn der bei solchen Schaufelrädern mögliche sehr hohe Wirkungsgrad auch tatsächlich erreicht werden soll. Wegen der Rückenbeaufschlagung der Schaufeln in der hinteren Radhälfte (s. die Verschiedenheit der Beaufschlagung in den Schaufelstellungen I und II in Fig. 6, auf die später genauer eingegangen wird) bedingen schon verhältnismäßig geringe Formfehler eine ungleichmäßige Verteilung der hydraulischen Belastung der beiden Radhälften und dadurch empfindliche Einbußen an Wirkungsgrad.For these reasons, the shape of the blade and especially the curvature of their The middle surface is carefully adapted to the law of motion, if the very high degree of efficiency possible with such paddle wheels is actually achieved should be achieved. Because of the impact on the back of the blades in the rear Wheel half (see the difference in loading in the blade positions I and II in Fig. 6, which will be discussed in more detail later) already require a proportionate amount minor defects in shape an uneven distribution of the hydraulic load of the both halves of the wheel and thus a sensitive loss of efficiency.

Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, daß die Krümmung der Mittelflächeder Schaufel in einem solchen Maße bestimmt wird, daß, wie theoretische Erwägungen erkennen lassen und versuchsmäßige Nachprüfungen bestätigen, die Erzielung eines sehr hohen Wirkungsgrades ermöglicht wird. Es wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die Relativbewegung des Mediums gegen die ruhend gedachte Schaufel sich für jeden Betriebszustand und jede Schaufelstellung auf eine Drehung um ein Momentanzentrum zurückführen läßt. Die Erkenntnis, daß das Medium der Schaufel in krummen Bahnen von zahlenmäßig genau bestimmbarem Radius zuströmt, gestattet es, die Krümmung der Schaufel der Krümmung der Relativströmung anzupassen und die hydraulischen Wirkungen auf Grund jener Gesetzmäßigkeiten zu beeinflussen, die für die geradlinige Anströmung von profilierten Flächen gefunden wurden. Es sei zunächst angenommen,, daß die Radachse im Raum stillsteht; es läßt sich dann die Bewegung der Schaufel relativ zu diesem Raum stets auf eine Drehung um ein Momentanzentrum zurückführen. Das Aufsuchen des ersten Momentanzentrums 1111 ist für jede beliebige Antriebsart der Schaufel mit bekannten Methoden der Bewegungslehre rechnerisch oder zeichnerisch durchführbar. Für den dargestellten Kurvenscheibenantrieb ergibt sich gemäß Fig. 3 das Momentanzentrum l111 als Schnittpunkt des durch die Drehachse der Schaufel gezogenen Durchmessers P 0 mit der Normalen 0l111 auf der Kurvenbahn ä - in dem augenblicklichen Berührungspunkt der Rolle. Um aber die vollständige Relativbewegung der Schaufel gegen das' Medium zu finden, ist die Drehung um das Momentanzentrum Ml noch mit der Translationsgeschwindigkeit v zusammenzusetzen, die in einiger Entfernung vor der Schaufel herrscht. Die Zusammensetzung einer Drehung mit einer Translation ergibt wieder eine Drehung, und zwar um ein Zentrum M2, das gegenüber dem ersten Zentrum 1111 in einer auf der Translation senkrechten Richtung verschoben ist. Der Strömungspol M2 liegt daher auf einer durch den Punkt Ml senkrecht zu v gezogenen Linie im Abstand worin u die Umfangsgeschwindigkeit auf dem den Drehachsen der Schaufeln durchlaufenen Kreise bedeutet.The present invention consists in determining the curvature of the central surface of the blade to such an extent that, as demonstrated by theoretical considerations and experimental verifications, it is possible to achieve a very high level of efficiency. It is based on the knowledge that the relative movement of the medium against the blade, which is thought to be stationary, can be traced back to a rotation about a momentary center for every operating state and every blade position. The knowledge that the medium flows towards the blade in curved paths with a numerically precisely determinable radius, makes it possible to adapt the curvature of the blade to the curvature of the relative flow and to influence the hydraulic effects on the basis of the principles found for the straight flow of profiled surfaces became. It is initially assumed, that the wheel axle is stationary in space; the movement of the blade relative to this space can then always be traced back to a rotation about a momentary center. The search for the first instantaneous center 1111 can be carried out arithmetically or graphically for any type of drive of the shovel using known methods of kinetics. For the cam disk drive shown, the instantaneous center 1111 results according to FIG. 3 as the point of intersection of the diameter P 0 drawn through the axis of rotation of the blade with the normal 0l111 on the cam path - at the instantaneous point of contact of the roller. However, in order to find the complete relative movement of the blade against the medium, the rotation about the instantaneous center Ml has to be combined with the translation speed v, which prevails at some distance in front of the blade. The combination of a rotation with a translation results in a rotation, to be precise about a center M2 which is displaced with respect to the first center 1111 in a direction perpendicular to the translation. The flow pole M2 therefore lies at a distance on a line drawn through the point Ml perpendicular to v where u is the circumferential speed on the circle traversed by the axes of rotation of the blades.

Die Relativbewegung des Mediums gegen die Schaufel erfolgt so, als ob die ruhend gedachte Schaufel von einer Strömung beaufschlagt werden würde, die um Strömungspol M2 bogenförmig im Sinne der 75 Pfeile w verläuft. Die in Fig. 3 strichpunktiert gezeichnete Strecke r gibt daher ein zahlenmäßig genau bestimmbares der Krümmung der Relativströmung an, der die Schaufelform ist. so Diese Krümmung der Strömung weist bei einem und demselben Rad und gleichem Beegungsgesetz der Schaufeln an entsprechenden Stellen des Schaufelkreislaufes verschiedene Werte auf, wenn das Rad unter ver- 85 schiedenen Betriebsbedingungen, namentlich K wird daher verschiedenen . Mittel 7 alle mit verschiedenem Verhältnis arbeitet. Die rümmung der Relativströmung- und die ihr angepaßte Krümmung der Schaufeln hei einem und demselben Rad verschieden sein, j e nachdem es beispielsweise als Antriebsorgan für -einen schnellen leichten Kreuzer oder aber für einen schwer belasteten Schlepper dienen soll. -Die Krümmung der Relativströmung ist an Punkten des Laufkreises ABCD (Fig.2) verschieden. Als maßgebend für die Wahl der richtigen Schaufelfarm erweist sich aber in erster Linie die Krümmung ri und r der Relativströmung in den beiden Punkten A und C, die auf dem zur Translation senkrechten Durchmesser liegen. Gemäß der Erfindung soll nun die Krümmung der Mittelfläche der Schaufel, was sowohl theoretische Erwägungen als auch praktische Versuche als richtig erwiesen haben, zwischen dem arithmetischen Mittel und dem geometrischen der beiden Strömungskrümmungen in A und in C liegen; mit anderen Worten: der Radius der Mittelfläche der Schaufel soll kleiner sein als die halbe Summe r1 und r2 und größer als die Quadratwurzel aus dem Produkt von- y1 und y2.The relative movement of the medium against the vane takes place as if the vane, which is imagined to be stationary, were acted upon by a flow which runs in an arc around flow pole M2 in the direction of the 75 arrows w. The line r shown in phantom in FIG. 3 therefore indicates a numerically precisely determinable of the curvature of the relative flow, which is the shape of the blade. So this curvature of the flow has different values for one and the same wheel and the same law of motion of the blades at corresponding points in the blade circuit, if the wheel is therefore different under different operating conditions, namely K. Mean 7 all works with different ratios. The curvature of the relative flow and the curvature of the blades adapted to it on one and the same wheel may be different, depending on whether it is to serve, for example, as a drive element for a fast light cruiser or for a heavily loaded tractor. -The curvature of the relative flow is different at points of the running circle ABCD (Fig. 2). However, the curvature ri and r of the relative flow in the two points A and C, which lie on the diameter perpendicular to the translation, proves to be decisive for the choice of the correct blade farm. According to the invention, the curvature of the central surface of the blade should now lie between the arithmetic mean and the geometric mean of the two flow curvatures in A and in C, which both theoretical considerations and practical tests have proven to be correct; in other words: the radius of the center surface of the blade should be smaller than half the sum r1 and r2 and larger than the square root of the product of -y1 and y2.

Die Fig. 5, 6 und zeigen die Strömungs-und Kraftpläne bei etwa für den Schiffsantrieb dienenden Schaufelrädern, bei denen beispielsweise das Bewegungsgesetz der Schaufeln ein derartiges ist, daB die Radiusvektoren, die senkrecht auf der Schaufelfläche stehen und von dem Drehpunkt der Schaufeln ausgehen, einander stets in einem Punkt schneiden. Die Schaufeln sind in diesen drei Figuren verschieden gekrümmt, und die dargestellten Strömungs- und Kraftpläne lassen erkennen, in welcher Weise eine Über- oder Unterschreitung der oben angegebenen Grenzen für die Krümmung der Mittelfläche der Schaufeln die hydraulischen Wirkungen des Rades nachteilig beeinflußt. Bei dem Rad nach Fig. 5 ist der Krümmungsr adius der Mittelfläche der Schaufeln größer, und bei dem Rad nach Fig.6 ist der Krümmungsradius der Mittelfläche der Schaufeln kleiner, als er im Sinne der vorliegenden Erfindung sein Sollte, während der Krümmungsradius der Mittelfläche der Schaufeln bei dem Rad nach Fig. 7 entsprechend der Erfindung bemessen ist. Alle anderen Abmessungen und auch die Betriebsverhältnisse sind bei allen drei Rädern ganz gleich angenommen.5, 6 and show the flow and force plans at about for the ship propulsion serving paddle wheels, in which, for example, the law of motion of the blades is such that the radius vectors perpendicular to the Stand blade surface and proceed from the pivot point of the blades, each other always in one point cut. The blades are in these three figures differently curved, and the flow and force plans shown show in what way an exceeding or falling below the above limits for the curvature of the central surface of the blades the hydraulic effects of the wheel adversely affected. In the wheel of FIG. 5, the radius of curvature is the center surface of the blades is larger, and in the case of the wheel according to FIG. 6 the radius of curvature of the central surface is of the blades smaller than it should be for the purposes of the present invention, while the radius of curvature of the central surface of the blades in the wheel according to FIG. 7 corresponds accordingly the invention is sized. All other dimensions and also the operating conditions are assumed to be the same for all three wheels.

Die Scharen der Pfeile w stellen die um die Strömungspole 114 (diese sind der Einfachheit halber nur in Fig.7 eingezeichnet) gekrümmte relative Anströmung der Schaufeln dar, während die Pfeile Kdie auf die Schaufeln in ihren einzelnen Stellungen wirkenden hydraulischen Kräfte nach Größe und Richtung wiedergeben, wie sie aus den Anströmungsversuchen von Tragflächenprofilen bei rechnerischer Berücksichtigung der krummen Anströmung und der Propulsionswirkung der Schaufeln gefunden wurden.The families of arrows w represent the flow poles 114 (these are only shown in Fig. 7 for the sake of simplicity) curved relative flow of the blades, while the arrows Kdie on the blades in their individual Position hydraulic forces acting according to magnitude and direction, such as they from the flow tests of wing profiles with mathematical consideration the curved flow and the propulsion effect of the blades were found.

Fig. 5 zeigt, daß bei geraden oder zu wenig gekrümmten Schaufeln der Hauptanteil- des hydraulischen Schubes auf der hinteren Radhälfte liegt, während die vordere Radhälfte nur wenig oder gar nicht arbeitet, ja selbst das Wasser zurückstauen kann. Fig. 6 zeigt, claß bei zu- starker Krümmung der Schaufeln die vordere Radhälfte den Hauptanteil des hydraulischen Schubes übernimmt, während die hintere Radhälfte wenig oder gar nicht arbeitet, ja sogar das Wasser zurückstauen kann. Überdies arbeiten die Schaufeln bei einer zu starken Krümmung ihrer Mittelfläche, namentlich im Gebiete ihrer Stellungen III bis IV, wie man sieht, reit einer ganz ungünstigen Kraftrichtung, womit große Leitungsverluste verbunden sind.Fig. 5 shows that with straight or insufficiently curved blades of the The main part of the hydraulic thrust lies on the rear half of the wheel while the front half of the wheel only works little or not at all, and even backs up the water can. Fig. 6 shows that the front half of the wheel if the blades are too curved the main part of the hydraulic thrust takes over, while the rear wheel half works little or not at all, and can even back up the water. Besides, work the blades with too great a curvature of their central surface, especially in the area her positions III to IV, as you can see, riding a very unfavorable direction of force, with which large line losses are connected.

Die obigen, aus theoretischen Erwägungen gezogenen Folgerungen haben durch versuchsmäßige Nachprüfung ihre volle Bestätigung gefunden.Have the above conclusions drawn from theoretical considerations found their full confirmation by experimental re-examination.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, bedeutet schon jede ungleiche Belastung der beiden Radhälften eine Einbuße an Wirkungsgrad, wozu noch die Leistungsverluste durch die Stauwirkung und die stellenweise ungünstige Kraftrichtung kommen.As can be seen without further ado, every unequal load already means of the two wheel halves a loss of efficiency, plus the loss of power due to the damming effect and the sometimes unfavorable direction of force.

Bei einem Schaufelrad, bei dem die Krümmung der Mittelfläche der Schaufeln im Sinne der Erfindung bemessen ist, fallen, wie Fig. 7 zeigt, diese Nachteile weg, indem sich die hydraulische Belastung auf die beiden Radhälften gleichmäßig verteilt und die hydraulischen Schubkräfte günstig gerichtet sind.In the case of a paddle wheel, in which the curvature of the central surface of the paddles is dimensioned in the sense of the invention, as FIG. 7 shows, these disadvantages are eliminated, by distributing the hydraulic load evenly on the two halves of the wheel and the hydraulic thrusts are directed favorably.

Als Beispiel für die Bemessung der Schaufelkrümmung sei ein Schaufelrad angeführt, das in einem geschlossenen Kanal von rechteckigem Querschnitt als Förderpumpe arbeitet. Es sei dabei angenommen, daß der Durchmesser des Schaufelkreises 3,00 m betrage und daß das Rad bei 125 Umdrehungen in der Minute eine Wassermenge fördern soll, die im Radquerschnitt eine Translationsgeschwindigkeit v von 2,5o mlsek bedingt. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln sei wie das schon oben erwähnte derart, daß die auf den Schaufelflächen senkrechten, von den Drehachsen ausgehenden Radiusvektoren sich stets in einem Punkt schneiden, der auf dem durch C (Fig. 2) gehenden Durchmesser in einem Abstand von 0,36 m vom Radmittelpunkt liegt. Die nach dem geschilderten Verfahren ermittelten Krümmungen der Relativströmung besitzen dann im Punkt A den Radius r1 = 2, i o m und im Punkt C den Radius r2 z,oo m. Das arithmetische Mittel dieser beiden Werte beträgt 1,55 m, das geometrische Mittel 1,45 m. Gemäß der Erfindung soll daher die Mittelfläche der Schaufeln dieses Rades eine Krümmung aufweisen, deren Radius größer ist als 1,45 m und kleiner ist als 1,55m.As an example of the dimensioning of the blade curvature, a blade wheel is given that works as a feed pump in a closed channel with a rectangular cross-section. It is assumed that the diameter of the blade circle is 3.00 m and that the wheel is supposed to deliver an amount of water at 125 revolutions per minute which causes a translation speed v of 2.5o milliseconds in the wheel cross-section. The law of motion of the blades, like the one already mentioned above, is such that the radius vectors which are perpendicular to the blade surfaces and emanate from the axes of rotation always intersect at a point that is 0.36 on the diameter passing through C (FIG. 2) m from the center of the wheel. The curvatures of the relative flow determined according to the described method then have the radius r1 = 2, iom at point A and the radius r2 z, oo m at point C. The arithmetic mean of these two values is 1.55 m, the geometric mean 1, 45 m. According to the invention, the central surface of the blades of this wheel should therefore have a curvature whose radius is greater than 1.45 m and less than 1.55 m.

Die Mittellinie der Schaufel muß nicht stets ein Kreisbogen sein, sondern kann je nach der Art des angewendeten Profils auch eine andere Kurve bilden, die einem Kreisbogen ähnlich ist. Als Schaufelkrümmung wird dabei im Sinne der Fig. d. stets der Halbmesser R jenes Kreises verstanden, der durch die Eintrittskante, die Austrittskante und die Mitte der Schaufeldicke in der Mitte der LängenausdehnungT des Profils (Punkts ) bestimmt ist. Als Eintrittskante ist bei stark gerundetem Profilkopf die Schnittlinie der -Oberfläche der Schaufel mit der Mittelfläche der Schaufel zu verstehen, also mit jener Fläche, die an allen Punkten die Schaufeldicke halbiert.The center line of the shovel does not always have to be an arc of a circle, but can also form a different curve depending on the type of profile used, which is similar to an arc of a circle. The blade curvature in the sense of FIG. d. always understood the radius R of the circle that passes through the leading edge, the trailing edge and the center of the blade thickness in the center of the linear expansion T. of the profile (point) is determined. When the leading edge is strongly rounded Profile head the line of intersection of the surface of the blade with the central surface of the To understand the blade, i.e. with the area that corresponds to the blade thickness at all points halved.

Die Erfindung erstreckt sich nicht nur auf Schaufelräder, deren Schaufeln eine zylindrische Mittelfläche besitzen. In manchen Fällen, z. B. bei Schaufeln, die mit einem Ende frei in das Medium hineinragen, kann es vorteilhaft sein, die Krümmung der Mittelfläche in verschiedenen Querschnitten verschieden zu wählen, ähnlich wie dies bei den Tragflächen von Flugzeugen der Fall ist. Gemäß der Erfindung soll dann die Krümmung der Mittelfläche wenigstens in dem hauptsächlich arbeitenden Teil der Schaufeln innerhalb der angegebenen Grenzen liegen. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln kann verschieden sein; die Schaufeln können relativ zum Rad schwingen oder mit ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Maßgebend für das Bewegungsgesetz ist die Forderung, daß stets eine und dieselbe Schaufelkante im Sinne der Relativströmung voraneilt und als Eintrittskante wirkt:The invention extends not only to paddle wheels, their blades have a cylindrical central surface. In some cases, e.g. B. for shovels, which protrude freely into the medium with one end, it can be advantageous to use the To choose the curvature of the middle surface in different cross-sections differently, similar to what is the case with the wings of aircraft. According to the invention should then be the curvature of the central surface at least in the mainly working Part of the blades are within the specified limits. That The law of motion of the blades can be different; the blades can be relative swing towards the wheel or revolve at a non-uniform angular velocity. Authoritative for the law of motion the requirement is that always one and the same blade edge rushes ahead in the sense of the relative flow and acts as a leading edge:

Claims

PATENT CLAIM: A paddle wheel, the blades of which move relative to the wheel about axes that are parallel or almost parallel to the wheel axis during the rotation of the wheel. and all of them are always acted upon by the medium in which they work, predominantly in a direction which is perpendicular to the wheel axis, characterized in that the radius of curvature of the center sectional surface of the blades, which are curved in the same sense as the curvature of the relative flow, is smaller than the arithmetic mean and is greater than the geometric mean of the radius of the curvature of the relative flow designed for parallel flow at those two points of the circle traversed by the blade axes which lie on a diameter which is perpendicular to the direction of the relative translational movement between the blade wheel and the medium the formula: