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Flügelrad Die Erfindung bezieht sich auf ein Flügelrad, das als Wind-
oder Wasserkraftwerk oder zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden kann. Bei
Land-und Wasserfahrzeugen kann ein Flügelrad nach der Erfindung gleichzeitig zum
Antrieb und auch zur Steuerung dienen. Bei Luftfahrzeugen kann gleichzeitig mit
dem Vortrieb oder an dessen Stelle ein Auftrieb nach Art eines Hubschraubers erzielt
werden.
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Das Flügelrad nach der Erfindung besitzt einen oder mehrere im wesentlichen
ebene Flügelscheiben, die unter einem von o und go°@ verschiedenen Winkel zentrisch
am äußeren Ende eines bzw. mehrerer in einer Ebene sternförmig angeordneter Wellenstümpfe
befestigt sind, die um eine ruhende, zu den Wellenstümpfen senkrecht stehende Achse
umlaufen, welche ein Kegelrad od. dgl. (Zentralrad) trägt, in das Kegelräder od.
dgl. (Planetenräder) eingreifen, die am inneren Ende des bzw. der die Flügelscheiben
tragenden Wellenstümpfe befestigt sind, wobei die Übersetzung des Kegeltriebes od.
dgl. so gewählt ist, daß jede Flügelscheibe bei einem vollen Umlauf um die ruhende
Achse sich einmal um die Achse ihres Wellenstumpfes dreht. Der oder die sternförmig
angeordneten Wellenstümpfe sind vorzugsweise in einem um die ruhende Zentralradachse
kreisenden gabelartigen Lager drehbar gelagert und rollen sich mittels des an ihrem
inneren Ende befestigten Kegelrades auf dem nicht umlaufenden fesbstellbaren Zentralrad
derart ab, daß sie sich zusammen mit den Flügelscheiben einmal um ihre Achse drehen,
während das sie tragende Lager eine volle Umdrehung um die ruhende Zentralradachse
ausführt.
Wird das Flügelrad für ein Windrad verwendet, so erfolgt
die Veränderung des Wirkungsgrades der Energieaufnahme, insbesondere die Konstanthaltung
der Energieaufnahme bei steigender Windgeschwindigkeit gemäß weiterer Ausbildung
der Erfindung dadurch, daß das Zentralrad um seine Achse verdrehbar und feststellbar
ist. Um bei der Anwendung an Windkraftwerken selbsttätig eine Verminderung des Wirkungsgrades
bei steigender Windgeschwindigkeit zu erzielen und damit unzulässige Drehzahlen
zu vermeiden, wird zweckmäßig ein anhebbares Gewicht oder eine Feder vorgesehen,
welche auf das verdrehbare, aber feststellbare Zentralrad einwirken und der Verstellung
des Zentralrades eine mit zunehmender Verstellung wachsende Kraft entgegensetzen.
Bei Verwendung eines zweiflügeligen Flügelrades als Windrad ist ein selbsttätiger
Anlauf nicht bei jeder Windrichtung sichergestellt. Ein solcher kann aber erfindungsgemäß
durch Anordnung zweier um 9o° versetzter zweiflügeliger Flügelräder erreicht werden.
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Wird das Flügelrad als An- oder Auftriebsmittel für Wasser- oder Luftfahrzeuge
verwendet, so wird eine gerichtete Kraftwirkung hervorgerufen, deren Richtung durch
Verstellen des Zentralrades verändert werden kann.
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Die Zeichnung erläutert die Erfindung, und zwar zeigt die Fig. i eine
Ansicht eines einfachen Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes mit der
Flügelstellung im Wirkungsbereich, Fig.2 eine Ansicht des gleichen Ausführungsbeispielen
nach Verstellung um go°' und Fig.3 eine Ansicht des gleichen Ausführungsbeispieles
in Richtung III-III der Fig. 2; die Fig. 4. bis g zeigen Anwendungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. i bis 3 laufen zwei Flügelscheiben
i und 2 um die ruhende Zentralradachse 3 um. Der Flügel i ist unter einem. Winkel
a = 45° an einem Wellenstumpf .4 befestigt, der senkrecht zur Zentralradachse 3
steht. Der Wellenstumpf 4 ist in einem Lager 5 gelagert, welches an dem einen Arm
6 einer Gabel sitzt, die mittels einer Muffe 7 auf der Zentralradachse 3 drehbar
gelagert ist. Fest verbunden mit der Zentralradachse 3 ist ein als Kegelrad ausgebildetes
Zentralrad 8, mit welchem ein als Kegelrad ausgebildetes Planetenrad g kämmt, das
fest auf dem Wellenstumpf 4 sitzt. Entsprechend sitzt auf dem zweiten Arm io der
Gabel ein Lager i i, in welchem der Wellenstumpf 12, der ebenfalls senkrecht zur
Zentralradachse 3 steht, drehbar ist. Der Wellenstumpf 12 trägt an seinem äußeren
Ende den Flügel 2 und an dem inneren Ende das als Kegelrad ausgebildete Planetenrad
13, das ebenfalls mit dem Zentralrad 8 kämmt. Die Muffe 7 ist in einem Lager 17
gelagert, welches das ganze Flügelrad trägt, und besitzt einen Zahnkranz 18, an
dem die Leistung zu- oder abgeführt wird.
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Wird das Flügelrad in Richtung des Pfeiles 14 angeblasen, so rotieren
nach Anstoß die Flügel i und 2 um die ruhende Zentralradachse 3. Dabei drehen sich
die Flügel i und 2 um die Achsen der Wellenstümpfe ¢ bzw. i2, deren Kegelräder g
bzw. 13 auf dem ruhenden Zentralrad 8 abrollen. Wenn die Wellenstümpfe 4 und 12
einen Viertelkreisbogen um die Zentralradachse 3 ausgeführt haben, hat sich die
Stellung der Flügelscheiben, ausgehend von der Stellung nach Fig. i, in die Stellung
nach Fig. 2 geändert, d. h. während die Wellenstümpfe 4 und 12 in Richtung des Pfeiles
15 einen Viertelkreis um die Zentralradachse 3 beschrieben haben, haben sich die
Flügel i und 2 außerdem um gö° um die Achsen der Wellenstümpfe 4 bzw. 12 gedreht.
Bei weiterem Anblasen in Richtung des Pfeiles 14 drehen sich die Flügel in Richtung
des Pfeiles 16 weiter. Die Leistung, die hierbei erzielt wird, kann von der Muffel
abgenommen werden. Wird das Flügelrad in der zum Pfeil 14 entgegengesetzten Richtung
angeblasen, so rotiert es entgegen der Richtung des Pfeiles 16 um die Zentralradachse
3.
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Der Wirkungsgrad eines solchen Flügelrades ist, wie Versuche gezeigt
haben, äußerst günstig. Der Wirkungsgrad kann vermindert werden, wenn unter Beibehaltung
der Anblasrichtung 14 die Zentralradachse 3 um ihre Mittellinie gedreht wird. Bei
einer Drehung der Achse 3 um go° wird der Wirkungsgrad des Flügelrades Null, d.
h. wenn der Wind in Fig. 2 in Richtung des Pfeiles 14', also senkrecht zur Stellung
der Wellenstümpfe 4 und 12 auf die Flügelscheiben i und 2 trifft, dann tritt bei
zwei Flügeln keine Drehung des Flügelrades ein. Bei mehr als zwei Flügeln ist keine
Stillstellung möglich. Eine weitere Drehung der Zentralradachse um go'°' bringt
das Flügelrad wieder zur vollen Wirkung, jedoch läuft es jetzt entgegengesetzt um.
Wird das Flügelrad als Antriebseinrichtung benutzt, so kann auf diese einfache Weise
die Treibkraftrichtung umgekehrt werden, d. h. Fahrzeuge können vorwärts und rückwärts
angetrieben werden.
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Die Verstellung der Zentralradachse3 kann, wenn sie waagerecht angeordnet
ist, selbsttätig durch ein Gewicht i9 erfolgen, das auf einem an der Zentralradachse
3 befestigten Hebelarm 20 sitzt. Bei senkrechter Lage der Zentralradachse 3 kann
beispielsweise an Stelle des Gewichtes eine entsprechende Zugfeder angebracht werden.
Beim Anblasen des Flügelrades wird auf die Zentralradachse 3 ein Reaktionsmoment
ausgeübt, welches sie um ihre Achse zu drehen sucht. Ist die Achse 3 nicht festgestellt,
sondern wird sie nur durch die Kraft des Gewichtes ig oder einer Feder in ihrer
Lage gehalten, so wird sie sich bei zunehmender Windstärke entgegen der Wirkung
des Gewichtes ig verstellen, so daß der Wirkungsgrad des Flügelrades vermindert
wird. Auf diese Weise regelt sich das Flügelrad selbsttätig auf gleichbleibende
Leistung bzw. gleichbleibende Drehzahl, deren Größe durch die Stellung des Gewichtes
i9 bestimmt ist.
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Werden zwei Flügelräder gemäß Fig. 3 vereinigt, so geschieht dies
vorteilhaft in der Weise, daß die Zentralradachse 3 mit der Verstellvorrichtung
1g, 20 nicht nach unten, sondern nach oben aus dem Getriebe herausgeführt wird.
An die :Muffe 7 oder das Zahnrad 18 kann dann nach unten spiegelbildlich
das
zweite Flügelrad gleicher Ausführung angeschlossen werden. Das .Drehmoment beider
Räder wird dann am gemeinsamen Ritzel 18 abgenommen, während jedes Rad für sich
allein verstellbar ist. Die Verstellung kann beispielsweise durch Staudruckflächen
erfolgen.
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Fig.4 zeigt die Anwendung von Flügelrädern gemäß der Erfindung bei
einem Windkraftwerk. Auf einem Turm4o sind zwei Flügelräder41 und 42 angeordnet,
von denen jedes einem Flügelrad gemäß den Fig. i bis 3 entspricht. Die beiden Flügelräder
41 und 42 arbeiten, wie Fig. 4 zeigt, auf ein gemeinsames Getriebe 43 und sind durch
dieses in der Weise gekuppelt, daß sie um go°' zueinander versetzt sind. Die umlaufenden
Muffen 44 und 45 entsprechen der umlaufenden Muffe 7 nach den Fig. i bis 3 und leiten
ihr Moment über ein im Getriebegehäuse 43 angeordnetes Getriebe gemeinsam weiter.
Die Zentralradachsen, welche der Achse 3 in den Fig. i bis 3 entsprechen und in
der Fig. 4 nicht dargestellt sind, können ebenfalls durch ein gemeinsames im Getriebegehäuse
43 befindliches Steuergetriebe gemeinsam verstellt werden. Insbesondere können sie
unter der Wirkung einer Kraft, beispielsweise eines Gewichtes stehen, das dem Gewicht
ig in Fig.3 entspricht, so daß der Wirkungsgrad des Systems bei steigender Windgeschwindigkeit
sinkt und dadurch eine Übersteigerung der Drehzahl vermieden wird. Mit 46 ist eine
Windfahne bezeichnet, die das auf dem Turm drehbare Gehäuse 43 stets so einstellt,
daß die Flügelräder die richtige Stellung zum Wind haben.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen Flügelräder nach der Erfindung als Antriebseinrichtung
für ein Wasserfahrzeug 47. Dabei sind ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 4 zwei zweiflügelige Flügelräder 48 und- 49 vorgesehen, öderem Zentralradachsen
in gleichem oder entgegengesetztem Sinn verstellt werden können.
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Wird eine der Zentralradachsen im Verhältnis zur anderen um 18o° verstellt,
so treibt das eine System vorwärts und das andere rückwärts, wodurch ein Wenden
auf der Stelle ermöglicht wird.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen ebenfalls ein Wasserfahrzeug 51, bei dem die
Flügelräder 52 nicht im Wasser, sondern in der Luft arbeiten. Diese Antriebsart
eignet sich für flach gehende Fahrzeuge in seichtem Wasser. Flügelräder nach der
Erfindung können auch zum Antrieb von Luftfahrzeugen verwendet werden. Das in Fig.9
dargestellte tragflächenlose Luftfahrzeug 53 besitzt beispielsweise auf jeder Seite
drei zweiflügelige Flügelräder 54. Durch Verdrehen der waagerecht angeordneten Zentralradachsen
55 um ihre Achsen wird die Strahlrichtung geändert. Sie kann beispielsweise senkrecht
nach oben oder schräg oder waagerecht nach links oder rechts gerichtet sein. Flügelräder,
die ,nicht dem Auftrieb dienen sollen, können auch mit senkrecht stehender Zentralradachse
angeordnet werden. Mit 56 sind Räder zur Bewegung des Fahrzeuges auf dem Boden bezeichnet.