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Verstellgetriebe für sternförmig gelagerte Adlsen von Strömungsmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Verstellgetriebe für mehrere sternförmig
gelagerte Achsen, welche in einer Ebene oder auf einem flachen Kegelmantel liegen
und gleichzeitig und um gleiche Winkel verdreht werden müssen. Getriebe dieser Art
finden Anwendung bei Strömungsmaschinen mit axial gerichtetem DurchfluB, beispielsweise
zur Verstellung der Flügel von Luft-oder Wasserschrauben, Propellerturbinen, drehbaren
Leit- oder Laufschaufeln bei Axialgebläsen usw.
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Wenn der Gesarntverdrehwinkel von einer Endstellung der Schaufel bis
zur anderen gering ist, bis etwa 9o°, können die einzelnen Achsen durch Kurbeln
und Schubstangen am einen für alle Schaufeln gemeinsamen Versbellkörper (Ring, Scheibe,
Hülse, Stange od. dgl.) angeschlossen werden, und dieser Verstellkörper führt zum
Verstellen der Schaufeln entweder eine um die Hauptachse drehende oder eine in axialer
Richtung schiebende Bewegung gegenüber dem sternförmigen Lagerkörper aus. Wenn die
Bewegung des Verstellkörpers eine Drehung um die Hauptachse des Lagerkörpers ist,
stehen die Kurbeln bei Mittelstellung
ungefähr parallel zur Hauptachse;
ist dagegen die Bewegung des Verstellkörpers eine Schiebung in axialer Richtung,
dann stehen die Kurbeln bei Mittelstellung in tangentialen Richtungen. zur Ilauptachse.
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In beiden Fällen ergibt die Abwicklung und Darstellung der Relativbewegung
in der Zeichenebene (las Bild eines geschränkten Schubkurbelgetriebes, bei welchem
der Anlenkpunkt der Schubstange am Verstellkörper eine geradlinige, zum Kurbelmittelpunkt
exzentrisch liegende Bahn beschreibt.
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Solche Getriebe sind für kleinere Verstellwinkel gut geeignet, sie
führen aber zu unzulässigen Kraftsteigerungen, wenn Verstellwinkel von mehr als
9o° zwischen den Endlagen verlangt werden. Manche sternförmig angeordneten Verstellschaufeln
müssen aber um wesentlich mehr als 9o° verdreht werden, beispielsweise Luftschraubenblätter
mit I_eerlaufstellu@ng, Segelstellung und Bremsstellung, ferner die Flügel von Schiffsschrauben
für Vor- und hückwärtsfahrt bei gleicher Drehrichtung, Gebläseräder, welche bei
gleicher Drehrichtung abwechselnd in beiden Richtungen fördern müssen undVorschaltleitapparatevonAxialgebläsen,
welche von vollständig geschlossener Stellung über »ganz offen« bis auf Stellungen
mitGegendrall zurDruckerhöhung verstellbar sein müssen. In allen diesen und ähnlichem
Fällen mit großen Verstellwinkelrr hat das Schubkurbelgetriebe der bekannten Art
den Nachteil, daß es sehr spitze Winkel zwischen Kurbel und Schubstange ergibt und
daher, besonders ]>,ei dicken Schaufelschäften und kleinen Kurbelhalbmessern, zur
Selbsthemmung, d. h. zum Klemmen neigt.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist ein solches Getriebe der bekannten Art
in der Abwicklung dargestellt, und zwar für einen Verstellwinkel von 150°: Kur-Irelhalbmesser
und Schubstangenlänge wurden so gewählt, nämlich wie 5,: 7, und der Abstand des
Drehpunkts der Kurbel von der Geradschubbahn so angenommen, daß sich über den Verstellwinkel
von 150" im ganzen möglichst günstige Kraftverhältnisse ergeben. Das Schaubild Fig.
2 gilb in der Kurve
die in den einzelnen Stellungen vorhandenen Hebelarme der Schubstange an. Der Kleinstwert
dieses Verhältnisses ist trotz der Wahl möglichst günstiger Abmessungen nur
0,56. Dieser Kleinstwert tritt in der Nullstellung auf, was besonders ungünstig
ist, weil gerade in den Endstellungen von Verstellflügeln mindestens mit den größten
Kt:äften zu rechnen ist. Wenn nun infolge beschränkter Raumverhältnisse nur kurze
Kurbelradien angewendet werden können und die Flügelzapfen in den Lagerstellen aus
Festigkeitsgründen im Verhältnis zu den Kurbelradien sehr dick ausfallen, so besteht
die Gefahr der Selbsthemmung. Ein praktischer Fall kann z. B. so liegen, daß bei
Selbsthemmung eintritt. Solche Getriebe sind daher für die obengenannten Maschinen
mit großen Verstellwirikeln nicht brauchbar.
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Für große Verstellwinkel wurden daher bisher meist Zahnradgetriebe
angewendet, sei es als Schneckengetriebe, Zahnstangengetriebe oder Kegelradgetriebe.
Diese haben aber gegenüber den Schubkurbelgetrieben einige Nachteile: Zwischen den
Kraft übertragenden Zahnflanken besteht nur Linienberührung, es müssen vie leZährie
vorhanden sein, und N-on diesen sind immer nur ganz wenige im Eingriff, ferner ergibt
sich stets etwas Zahnspiel und damit toter Gang des Verstellgetriebes. Bei automatischer
keg-elung können dadurch Pen-delungen entstehen. Beim Schneckengetriebe ist auch
der geringe mechanische Wirkungsgrad von Nachteil, es ergel-)en sich große Antriebsleistungen
und damit große und schwere Verstellmotoren.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile dadurch, daß der Verstellkörper
außer seiner drehenden oder schielenden Haulitl)ew"gung zwangsläufig eine zur Hauptbewegung
quer gerichtete Nel)enbewegun von solcher Art ausführt, (laß die Punkte, in welchen
die Schubstangen ani Verstellkörper angelenkt sind, gekrümmte Bahnen beschreiben.
deren Krümmungsmittelpunkte auf derselben Seite der Bahnkurven liegen, wie die 1)i-eliachsen
der zugehörigen Kurbeln.
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In Fig. 3 ist ein erfin(Iungsgeiniißes Getriebe in der Abwicklung
dargestellt, und zwar, wie l)ci Fig. 1, wieder für einen \'erstellwiiikel von 15o°.
Bei diesem Getriebe ist die Schuhstange gleich lang wie der Kurbelhalbmesser, und
es ergibt sich in beiden Endstellungen ein rechter Winkel zwischen Kurbel und Schubstange.
Der Anlenkpunkt A der. Schubstange beschreibt hier keine gerade Linie mehr, sondern
eine gekrümmte Bahn, deren Mittelpunkt ebenso wie die Drehachse der zugehörigen
Kurbel unterhalb der 'Mahnkurve liegt. In Fig. ist wieder wie in Fig. 2 ein Schaubild
über den Verlauf des Verhältnisses
dargestellt. Die Werte liegen im Durchschnitt beträchtlich höher als im Falle der
Fig. 1 und sinken nicht unter 0,82. Insbesondere ist in den Endswllun@gen
entsprechend dem rechten Winkel zwischen Schubstange und Kurbel .der Wert gleich
1, was nach dem Obengesagten von besonderer Bedeutung ist. Die tatsächliche Verbesserung
der Kraftverhältnisse kommt aber in diesen Zahlen allein noch nicht zum Ausdruck.
Es müßte \-ielnielir der Unterschied des Wertes
von jenem Grenzwert betrachtet werden, bei welchem das Getriebe selbsthemmend, die
Kraft in der Schubstange also unendlich groß wird. Zum Vergleich müßte daher in
beiden Scbaubildern F ig. 2 und q. beim Vergleich praktischer Ausführungen der Getriebe
voii den 1-,\'ernen
ein unveränderlicher Abzug gemacht werden, welcher in einem bestimmten Fall aus
den Reibungsverhältnissen am Schaufelschaft zu ermitteln wäre.
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Dabei ergibt sich, wie bereits oben gesagt, daß das in Fig. 1 dargestellte
Getriebe für einen Verstellwinkel von 150° nicht mehr brauchbar ist, während das
erfindungsgern;iße Getriebe nach Fig.3
noch gute Verhältnisse mit
mäßigen Kräften e:-gibt und daher leicht und doch vollkommen betriebssicher gebaut
werden kann.
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Die große Verbesserung gegenüber der Anordnung nach Fig. i ist nur
durch die kreisbogenfiirmig gekrümmte. Bahn des Anlenkpunkts A der Schulstange am
Verstellkörper, also durch eine quer zur Hatipthewegung gerichtete Nebenbewegung
des Verstellkörpers selbst erreicht worden. Während die Hatilitlrewegitttg gleichförmig
im Sinn der Pfeile t erfolgt, inuß dieNehenbewegungGröße und Richtung ändern, entsprechend
der Neigung-(Ier zu erzielenden bogenförmigen Bahn. Die Pfeile 2, 3, .4 und 5 zeigen
die Richtung und Größe der Geschwindigkeit der Querbewegung in einigen Stellungen
des erfindungsgemäßen Getriebes im gleichen :Maßstab, in welchem die Pfeile r die
Hauptbewegung darstellen.
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Eine solche Querl)ewegtitig kann durch zwangsläufig l,ührung des Verstellkörl>ers
gegenüber dem stertifüi-inigeis Lagerkörper erzwungen werden. Diese zt@atigsliitifige
liiilirting läßt sich auf einfache .\i-t als 111-reisbogenführung darstellen, indem
zwischen <lvni sternfö rinigen Lagerkörper und dein \'crstellkö rl>'er entweder
eine bogenförmige Kulisse finit entsprechend geformtem Gleitstein oder mit Führungsrolle
angeordnet wird, oder aber dadurch, (laß I, iilirutsgskörl>er und Lagerkörper miteinander
durch eine oder mehrere Gelenkstangen so verbunden werden, (laß die- gegenseitige
Relativbewegung die erfind tiugsgetnäß erforderliche Boigenform erhält.
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1n hig. 5 ist eitle dreiflügelige Luftschraube mit <Lein erfindungsgemäßen
Getriebe dargestellt. Zur Verstellung der Flügel wird die mit der Achse 6 umlaufende
Muffe 7 in axialer Richtung verschoben. Es ist hierfür ein in der Zeichnung nicht
Bat-gestellter Schleifring vorgesehen, welcher in die Laufnute der Muffe eingreift.
Jeder Flügelschaft 8 ist durch die Kurbel q und die Schubstange to mit dem :\tilelikl>unkt
A an der Muffe 7 so verbunden, (laß in der \bwicklung ein Getriebe nach Fig. 3 entstellt.
Die Muffe 7 bildet somit in diesem Falle den allen drei Kurlrelti 9 gemeinsamen
Verstellkörper, und die Hauptbewegung derselben ist eine Verschiebung in axialer
Richtung.
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Durch die drei Gelenkstangen 1i wird die Muffe mit der :\chse f> so
gelail>I>elt, daß sie einerseits die Umlaufl@ew-egutg der Schraube um die Achse
mitmachen muß, andererseits aber infolge der endlichen l.ünge der G@eletiksta.ngen
i r außer der axialeii llatil>tltew.eguiig auch .eine dazu quer liegende Verdrehbewegutg
in der Umfangsrichtung ausführt. Ms lialsnktirven der Anlenkpunkte A gegeniilwr
den @chatifelscll<iftett 8 ergeben sich daher in der :\ltwicklun,g gekrümmte
Linien, deren Kriimmungstnittelptinkte auf derselben Seite der Bahnkun-en liegen
wie die Kurbelachsen. Die Flügel können daher uns sehr große Winkel, beispielsweise
15o' verstellt werdet, ohne daß die Kurbelgetriebe ztir S@cllistlietnnittig steigen.
Die drei in einer Ebene quer zur Achse liegenden Gelenkstangen i t zwischen Schraubenachse
und Muffe halten außerdem die Muffe zur Achse stets genau konzentrisch, so daß eine
Gleitführung zwischen der Muffe und der Achse oder zwischen der Muffe und dem in
der Zeichnung nicht dargestellten sternförmigen Lagerkörper für die Schaufelschäfte
8 nicht erforderlich ist. Es muß lediglich dafür gesorgt werden, daß die Muffe 7
sich nicht schief zur Achse 6 einstellen kann, was beispielsweise durch eine entsprechende
Halterung des Schleifrings zu erreichen ist. Es ist aber auch möglich, daß in einer
zweiten, quer zur Achse liegenden Ebene nochmals drei gleiche Gelenkstangen nach
Art der gezeichneten Gelenkstangen i t angeordnet werden. Durch diese Verdoppelung
der Gelenkstangen entsteht ein räumlicher kinematischer Zusammenhang zwischen Schraubenachse
6 und Muffe 7, welcher -der Muffe genau den erforderlichen Freiheitsgrad gibt, jede
unzulässige Verdrehung oder Verschiebung verhindert und die Anlenkpunkte A in der
erfindungsgemäßen. Weise bogenförmig führt.
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In Fig. 6 ist als weiteres Beispiel ein axial durchströmter Leitapparat
für ein Saugzuggebläse dargestellt. Die Schaufeln 12 sind durch Kurbeln
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und Schubstangen 14 in den Anlenkpunkten A an einem das Gebläseröhr 15
umfassenden Ring 16 angeschlossen. Zur Verstellung des Schaufelwinkels wird der
Ring 16 um das Rohr 15 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung
gedreht. Die Hauptbewegung des Verstellkörpers, in diesem Falle Ring 16, ist somit
hier eine Drehung um die Hauptachse. Der Ring ist erfindungsgemäß in axialer Richtung,
also quer zur Hauptbewegung, ebenfalls verschiebbar und wird durch einige am Umfang
angeordnete Gelenkstangen 17 gezwungen, eine bogenförmige Kurve zu beschreiben,
während er um die Hauptachse gedreht wird. Es kommt auf diese Weise wieder eine
Relativbewegung ähnlich Fig. 3 zustande, und die Schaufeln 12 können daher ebenfalls
um sehr große Winkel verstellt werden, ohne (laß übermäßig große Kräfte in, den
Schubstangen 14 entstehen.