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Flügelschraube, insbesondere für hydrometrische Flügel Die Erfindung
bezieht sich auf eine Flügelschraube, welche insbesondere für hydrometrische Flügel
bestimmt, jedoch gegebenenfalls auch für beliebige andere Zwecke geeignet ist.
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Hydrometrische Flügel, welche das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung
bilden, dienen zur Bestimmung der Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Profilpunkten
von Strömungskanälen, z. B. von offenen Wasserläufen, Turbineneinläufen oder Turbinendruckrohren.
Sie besitzen einen meist schraubenförmig ausgebildeten Propeller oder eine Flügelschraube,
die sich entsprechend der Wassergeschwindigkeit mehr oder weniger rasch um ihre
Achse dreht. Die Umdrehungen der Flügelschraube können beispielsweise mittels einer
auf der Propellerachse angeordneten Schnecke mechanisch öder elektrisch auf ein
Zählwerk übertragen werden, welches die Drehzahl der Flügelschraube innerhalb einer
Zeiteinheit zählt oder registriert. Daraus ergibt sich die Wassergeschwindigkeit
entsprechend dem für jede -Flügelschraube durch Eichung ermittelten Umlaufwert.
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Die bisher bekannten Flügelschrauben gestatten nur bei rein axialer
Anströmung des hydrometrischen Flügels eine korrekte und genaue Messung derWassergeschwindigkeit.
Wenn dagegen schräg zur Flügelachse verlaufende Strömungen oder periodisch auftretende
Wirbel od. dgl. vorhanden sind, wie sie z. B. bei Hindernissen in einem Flußquerschnitt
oder in Turbineneinläufen- regelmäßig vorkommen, dann ergeben die bekannten Flügelschrauben
falsche Meßresultate. Bei Schrägströmungen darf nur die Geschwindigkeit gemessen
werden, welche sich in der
Richtung der Flußachse, d. h.. also senkrecht
zum Meßprofil ergibt. Diese Geschwindigkeit entspricht der Maximalgeschwindigkeit,
multipliziert mit dem Kosinus des Winkels, unter dem die Strömung gegen die Flußachse
geneigt ist.
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Die bisher bekanntgewordenen Flügelschrauben erfüllen diese Bedingung
nicht, sondern ergeben schon bei Anströmungswinkeln von wenigen Graden Minderanzeigen.
Obwohl seit vielen Jahrzehnten versucht wird, besser wirkende Flügelschrauben herzustellen,
waren alle diesbezüglichen Bemühungen bis jetzt immer erfolglos.' Durch die Erfindung
wird bezweckt, diese Mängel der bekannten Flügelschrauben und hydrometrischen Flügel
od. dgl. zu beseitigen. Es wurde überraschenderweise gefunden und durch Untersuchung
einer sehr großen Anzahl von Flügelformen bestätigt, daß es durch richtige Kombination
und Bemessung bestimmter Faktoren möglich ist, Flügelschrauben zu schaffen, welche
auch bei Schrägströmungen genaue oder annähernd genaue Meßresultate liefern. Diese
Faktoren sind im wesentlichen der Überdeckungsgräd der Schraubenblätter, der Höhlungsgrad
der angeströmten Schraubenflächen und der Kegelwinkel der Anströmungskanten der
Flügelschraubenblätter.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß bei einer Flügelschraube
mit vorzugsweise zwei unmittelbar an der Schraubennabe ansetzenden Flügelblättern
der den Höhlungsgrad der Schraubenblattvorderflächen bestimmende Winkel bei einem
Überdeckungsgrad von go °% und über go °/o zwischen + 2o und - 2o°, vorzugsweise
zwischen -f- io und - io° liegt, während dieser Winkel bei einem Überdeckungsgrad
Ü von weniger als go °/o zwischen einem oberen Wert von o,9 (go - ÜO%)° + 2o°, vorzugsweise
von o,9 (go -- Ü°/0)° + io°, und einem unteren Wert von o,9 (go - ÜO/o)° -:2o',
vorzugsweise o,9 (go - Ü°/,)° - io°, liegt. In beiden Fällen, d. h. sowohl bei einem
Überdeckungsgrad über go °/a als auch bei einem Überdeckungsgrad unter 9o °/o, soll
außerdem der Kegelwinkel der vorderen, geraden oder gekrümmten Begrenzungslinien
oder Anströmungskanten der Flügelblätter innerhalb eines Bereiches von 12o bis i8o°,
vorzugsweise zwischen 15o bis 18o°, liegen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Höhe
der vorderen Abschlußkappe der Flügelnabe nicht oder nicht wesentlich größer als
den Naben- oder Kappendurchmesser, vorzugsweise nicht größer als den halben Naben-
oder Kappendurchmesser zu wählen.
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Flügelschrauben, welche die vorstehenden Erfindungsmerkmale aufweisen,
haben die Eigenschaft, bei Schrägströmungen, d. h. bis zu mehr oder weniger großen
Anströmungswinkeln, die Geschwindigkeitskomponente in der Flußachse zu messen, so
daß sie auch bei Abweichungen von der rein axialen Anströmung richtige Meßergebnisse
liefern.
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In der :Zeichnung ist die Erfindung an Hand der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Fig. i zeigt schematisch die Anordnung eines hydrometrischen Flügels
in einem Wasserlauf; Fig.2 zeigt in Seiten- bzw: Vorderansicht eine Flügelschraube
mit zwei Flügelblätttern; Fig. 3 zeigt in Seiten- und Vorderansicht eine bekannte
Flügelschraube als Beispiel; Fig. 4 zeigt in Seiten- und Vorderansicht jeweils eine
Hälfte einer Flügelschraube gemäß der Erfindung; Fig.5 zeigt in Seiten- und Vorderansicht
eine Flügelschraube gemäß der Erfindung mit einem Überdeckungsgrad von mehr als
go °/p; Fig.6 zeigt in Seiten- und Vorderansicht eine Flügelschraube gemäß der Erfindung
mit einem Überdeckungsgrad von weniger als go 0/a; Fig. 7, 8, g und io zeigen verschiedene
bekannte Flügelschrauben im Vergleich zu einer Flügelschraube gemäß der Erfindung
mit den zugehörigen Meßdiagrammen; Fig. ii zeigt eine graphische Darstellung des
Bereiches der Erfindung für Flügelschrauben mit verschiedenem Überdeckungsgrad.
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Die schematische Darstellung der Fig. i veranschaulicht -beispielsweise
einen Flußlauf mit einem Hindernis, durch das eine Schrägströmung hervorgerufen
wird. Die wirkliche Strömung mit einer Maximalgeschwindigkeit S ist hierbei unter
einem Winkel a gegen die FluBachse bzw. gegen die Längsachse des eingebauten hydrometrischen
Flügels geneigt. Die zu messende Geschwindigkeit v ergibt sich hierbei aus der Gleichung
v = S - cos a.
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Die Fig. 2, 3 und 4 veranschaulichen die Faktoren oder Einflüsse,
deren Auswahl und Bemessung wesentlich für die Erfindung ist.
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Der Überdeckungsgrad Ü ist das prozentuale Verhältnis der Projektionsfläche
der Schraubenblätter i und 2 einer Flügelschraube in axialer Richtung zu der gesamten
Ringfläche zwischen. dem Außendurchmesser der Flügelschraube und dem Durchmesser
ihrer Nabe 3 (s. Fig. 2).
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Je nach der Größe dieses Überdeckungsgrades Ü in Prozenten sollen
erfindungsgemäß die vorderen, angeströmten Flächen der Schraubenblätter mehr oder
weniger hohl bzw. ohne Höhlung ausgebildet sein. Wenn gemäß Fig. 3 als Erzeugende
dieser Schraubenflächen eine senkrecht zur Schraubenachse gerichtete Gerade Ei verwendet
wird, so erhält man flache Schraubenvorderflächen ohne Höhlung. Der Winkel ß der
Erzeugenden El zur Achsensenkrechten ist in diesem Falle gleich Null. Wenn dagegen,
wie z. B. die linke Hälfte der Fig. 4 zeigt, als Erzeugende eine im Winkel ß zur
Achsensenkrechten geneigte Gerade EZ verwendet wird, so - erhält man eine entsprechend
diesem Winkel mehr oder weniger tiefe Höhlung der Schraubenblattvorderflächen. Diese
Erzeugende E2 kann auch gegebenenfalls von einer annähernd geraden oder leicht gekrümmten
Linie gebildet werden. An Stelle einer solchen schräg zur Schraubenachse geneigten
Erzeugenden E2 kann zur Erzielung einer entsprechenden Hohlausbildung der Schraubenblattflächen
auch eine zwar senkrecht zur Schraubenachse verlaufende, aber beliebig hohl gekrümmte
Erzeugende E3 verwendet werden, wie die rechte Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht.
Diese Erzeugende E3 kann z. B. ein Kreisabschnitt, eine Spirale oder eine sonstige
gekrümmte Linie sein. Die Wirkung der Erzeugenden Es ist praktisch die gleiche wie
diejenige einer Erzeugenden E2. In beiden Fällen wird der
Höhlungsgrad
der Schräu'rnflächen. durch die Größe des Winkels ß bestimmt, den man auch bei Verwendung
einer Erzeugenden E3 durch Anlegung einer Geraden an die Schraubenfläche messen
kann, deren Neigung zur Schraubenachsensenkrechten der Neigung einer entsprechend
wirkenden Erzeugenden E2 folgt.
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Für das Verhältnis zwischen Überdeckungsgrad Ü und Höhlungsgrad oder
Neigungswinkel ß gelten nun erfindungsgemäß folgende Formeln Wenn Ü > 9o °% : ß
= o' ± 2o', vorzugsweise. ± io°; wenn Ü < go °/o : ß = o,g (go-Ü°/o)Q ± 2o°;---..
vorzugsweise ± io°.
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Theoretisch kann man als Optimum angeben, daß der Winkel ß bei einem
Überdeckungsgrad Ü > go °/o (oder auch bei Ü = go °/o) ungefähr bei o° oder etwa
bei -f- 5° liegen soll, vorteilhaft jedenfalls möglichst zwischen ; io und --io°.
Bei einem Überdeckungsgrad Ü < go °/o soll entsprechend der Winkel ß theoretisch
ungefähr bei o,9 (go - Ü°/0)° oder etwa bei o,9 (9o - Ü°/0)° ± 5° liegen, vorteilhaft
jedenfalls möglichst zwischen o,9 (go- Ü°/0)° + io° und o,9 (go - Ü°/0)° - io°.
Aber auch die weiteren Grenzen von ß = + 2o° im ersten Falle bzw. von o,9 (go -Ü°/,)°
+ 20° ergeben bereits wesentlich bessere Resultate als die bisher bekannten Flügelschrauben
und fallen in den Rahmen der Erfindung.
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Außerdem sollen in beiden Fällen, d. h. bei einem Ü berdeckungsgrad
über oder unter go °/o, die vorderen, geraden oder gekrümmten Begrenzungslinien
oder Anströmungskanten 5 der Schraubenblätter 1, 2 innerhalb eines Kegelwinkels
y von 12o bis 18o°, vorzugsweise zwischen 150 und 18o°, liegen. Ein solcher Kegelwinkel
y ist beispielsweise aus Fig. 4 ersichtlich. Die bisher bekannten Flügelschrauben
wurden zwecks möglichst guter Abweisung von im Wasser schwimmendem Treibzeug stets
mit einem ziemlich spitzen Kegelwinkel ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist es ein
Merkmal der Erfindung, den Kegelwinkel y möglichst stumpf zu wählen, um eine gute
kompensierende Wirkung zu erzielen.
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Schließlich ist es zur Verbesserung der Wirkung zweckmäßig, bei der
Abschlußkappe 4 ein bestimmtes Verhältnis von Durchmesser zu Länge einzuhalten.
Erfindungsgemäß ist die Höhe dieser Abschlußkappe nicht größer als der Durchmesser
der Kappe bzw. der Nabe 3, vorzugsweise nicht größer als der halbe Kappen- oder
Nabendurchmesser.
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Die Flügelschrauben gemäß der Erfindung werden vorzugsweise mit zwei
Schraubenblättern ausgeführt, denn es wurde gefunden, daß vor allem diese zweiteilige
Form den Forderungen der Praxis voll entspricht und die besten Meßresultate bei
Schrägströmungen ergibt.
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Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt
eine Flügelschraube von 12,5 cm Schraubensteigung auf eine volle Umdrehung. Der
Überdeckungsgrad beträgt etwa 115 %. Die Schraubenflächen haben eine gerade Erzeugende
El senkrecht zur Schraubenachse, also entsprechend Fig. 3, so daß der Winkel ß =
o° ist. Der Kegelwinkel y beträgt i50°. Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt Fig. 6 eine Flügelschraube von 25 cm Steigung auf eine volle Umdrehung mit
einem Überdecküngsgrad Ü = etwa 6o °/o. Hier ist (entsprechend Fig. 4, linke Hälfte)
eine Erzeugende E2 unter einem Winkel ß von 30° verwendet worden. Der Kegelwinkel
y beträgt auch hier i5o°.
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Die Abschlußkappen 4 sind in beiden Fällen erfindungsgemäß ziemlich
flach ausgebildet.
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Fig. 7 zeigt die Form einer bekannten Flügelschraube mit den Werten
Ü = etwa 4o °/o, ß = o° und y = etwa 9o°. Das darunter dargestellte Diagramm zeigt
die Abweichung der tatsächlichen Geschwindigkeitsangaben dieser Schraube gegenüber
den bei Schrägströmungen richtigen Werten in Prozenten.
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Fig. 8 zeigt eine andere bekannte Flügelschraube mit den Werten Ü
= etwa 65 °/o, ß = o° und y = etwa ioo°. Darunter ist wieder das Fehlerdiagramm
eingezeichnet.
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Fig. g zeigt eine weitere bekannte Flügelschraube mit den Werten
Ü = etwa 6o °/o, ß = o° und y = etwa ioo°. Das untere Diagramm zeigt
die prozentualen Abweichungen gegenüber den Sollwerten bei den verschiedenen Anströmungswinkeln.
Wie man sieht, sind die Fehler bei den bekannten Flügelschrauben sehr erheblich,
so daß sich genaue Messungen bei Schrägströmungen mit solchen Flügeln nicht durchführen
lassen.
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Im Gegensatz dazu zeigt Fig. io eine Flügelschraube gemäß der Erfindung,
bei welcher der Winkel ß zwar auch o° beträgt, wobei aber der Überdeckungsgrad
Ü = etwa 115 °/o und der Kegelwinkel y = etwa 16o° ist. Das zugehörige Diagramm
läßt erkennen, daß eine solche erfindungsgemäß ausgebildete Flügelschraube bis zu
Anströmungswinkeln von = 6o° praktisch fehlerfreie Meßergebnisse liefert. Bei Flügelschrauben
gemäß der Erfindung mit einem Überdeckungsgrad unter go °/o und entsprechend größerer
Höhlung der vorderen Schraubenflächen, also größerem Winkel ß, erhält man entsprechend
günstige Resultate. Durch die Erfindung wird also bei derartigen Flügelschrauben,
insbesondere auf dem Gebiet der hydrometrischen Flügel, ein großer technischer Fortschritt
erzielt.
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Fig. ii veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Überdeckungsgrad
Ü in °/o und dem Winkel ß einer schräg zur Achsensenkrechten geneigten Erzeugenden
bzw. einer entsprechenden, an eine Schraubenblattfläche als Maß für die Höhlung
angelegten Linie. Die eingetragenen Punkte sind die Werte für eine größere Anzahl
praktisch ausgeführter und untersuchter Flügelschrauben gemäß der Erfindung. Die
schraffierte Fläche stellt den Rahmen der Erfindung in weiteren Grenzen dar. Vorzugsweise
wird ein engerer Bereich innerhalb der Toleranzen von :h io° gewählt, wie
im vorstehenden erläutert worden ist.